熱力學(xué)第一定律

1、1,研究熱力學(xué)的意義：,最早利用，應(yīng)用最廣的能源是熱能。 從能量角度研究熱力學(xué)過程服從的普遍規(guī)律： 涉及熱現(xiàn)象的能量守恒普遍能量守恒 熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)過程的方向性 熱力學(xué)第二定律 熱能的最高利用效率； 能量的品質(zhì) ,2,第三章 熱力學(xué)第一定律,準(zhǔn)靜態(tài)過程 功、熱、內(nèi)能 熱力學(xué)第一定律 熱容 絕熱過程 循環(huán)過程和熱機(jī) 致冷機(jī) 卡諾循環(huán)和卡諾機(jī),3,弛豫時(shí)間： 系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)所需時(shí)間。 變化過程的時(shí)間馳豫時(shí)間 看作無限緩慢,物理上的“無限緩慢”,準(zhǔn)靜態(tài)過程： 過程中每一時(shí)刻可認(rèn)為系統(tǒng)處于平衡態(tài)。,過程：經(jīng)歷狀態(tài)的變化； “平衡態(tài)”：應(yīng)不變 如何統(tǒng)一？ 過程進(jìn)行“無限緩慢” “ 理想

2、化”,3.1準(zhǔn)靜態(tài)過程（ Quasi-staticprocess）,4,例1.氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮,過程時(shí)間1 秒,壓縮所用時(shí)間為 1 秒 弛豫時(shí)間（ 10 -3 秒）。 過程中保持系統(tǒng)與外界的 壓強(qiáng)差為 無窮小 。,10-3 秒,壓縮: P由不均勻到均勻的弛豫時(shí)間,5,例2. 準(zhǔn)靜態(tài)傳熱,有限溫差下的熱傳導(dǎo)， 非準(zhǔn)靜態(tài)過程！,無限小溫差下的熱傳導(dǎo) 準(zhǔn)靜態(tài)過程!,狀態(tài)圖上準(zhǔn)靜態(tài)過程為連續(xù)曲線,系統(tǒng)T1和 外界T2為有限溫差,保持系統(tǒng)與外界無限小溫差,6,3.2 功、熱、內(nèi)能,一.做功和傳熱,作功和傳熱是系統(tǒng)與外界交換能量的兩種方式；功、熱量的大小是所交換能量的度量。,作功（機(jī)械功，電功）與分子的有

3、序運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系；傳熱：因系統(tǒng)與外界溫度不同而引起，與分子無序運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系。,功A和熱量Q不是狀態(tài)量，而是過程量！,談某狀態(tài)的Q和A無意義； 初末狀態(tài)確定后，Q和A還和經(jīng)歷的過程有關(guān)。,7,二. 準(zhǔn)靜態(tài)過程的體積功,微過程 系統(tǒng)對(duì)外作功（ 無摩擦?xí)r：,過程對(duì)外總功：,示功圖,初末態(tài)相同，過程不同：過程曲線不同。,8,體現(xiàn)功與過程有關(guān)。,三.熱量,微過程中系統(tǒng)從外界吸收的熱量,0 表示系統(tǒng)從外界吸熱 0 表示系統(tǒng)向外界放熱,注意區(qū)分熱量與熱能（分子的無序運(yùn)動(dòng)能量）,積分與過程有關(guān),9,定義：,四.內(nèi)能,實(shí)驗(yàn)（焦耳）：絕熱功值相同，與做功方式無關(guān),*宏觀上概念的建立： 封閉系統(tǒng)（與外界無質(zhì)量交換）給定初

4、末態(tài),10,內(nèi)能E 態(tài)函數(shù),*微觀：氣體動(dòng)理論,理想氣體內(nèi)能,全部分子無序動(dòng)能 （只與T有關(guān)）,11,3.3 熱力學(xué)第一定律,*另一形式,普遍：作功、 傳熱兼有。,普遍能量守恒！,12,熱力學(xué)第一定律的微分形式,適用條件：封閉系統(tǒng) 初、末態(tài)為平衡態(tài) 任意過程,*無限小過程,“第一類永動(dòng)機(jī)” 不存在”,*Q, A 代數(shù)量！,只有體積功時(shí)：,13,N左N右，能拖動(dòng)嗎？,*重力永動(dòng)機(jī),（第一類）永動(dòng)機(jī)能制成嗎？,14,反射鏡處彈性碰撞,*靜電永動(dòng)機(jī),15,3.4 熱容(Heat capacity),一.摩爾熱容定義：,*C是過程量！,熱容,摩爾熱容,應(yīng)用熱一律討論熱容（量）,談C必須指明相應(yīng)的過程。

5、,例如：任意系統(tǒng)的絕熱過程 C 0； 任意系統(tǒng)的相變過程（氣、液、固態(tài)間的轉(zhuǎn)換）溫度不變 ，但吸放熱，其C ,16,(1)定體摩爾熱容,(2)定壓摩爾熱容,常用且最具實(shí)際意義的兩種：,氣體系統(tǒng)兩種摩爾熱容相差最大， 液體、固體系統(tǒng)兩種摩爾熱容相差甚微。,其值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。,17,二.理想氣體的摩爾熱容和內(nèi)能,(1)定體摩爾熱容與內(nèi)能的關(guān)系,數(shù)值上等于1摩爾理氣溫度升高1度內(nèi)能的增量,18,結(jié)論：對(duì)經(jīng)歷 任意過程（包括非定體過程）的 n 摩爾理想氣體,若在T1T2間CV 為常數(shù),理想氣體內(nèi)能與定體摩爾熱容的關(guān)系,內(nèi)能增量,19,(2)定壓摩爾熱容和定體摩爾熱容的關(guān)系,CPCV 的物理解釋。 證明

6、：（取定壓微過程）,對(duì)理想氣體有：,思考：為什么 液、固體的CP CV 相差很??？,20,比熱比,(3)理氣的經(jīng)典熱容： 由氣體動(dòng)理論，能量均分原理,分子 單 5/3 雙 7/5 多 4/3,21,*經(jīng)典能量均分定理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),經(jīng)典熱容量與T無關(guān)，但實(shí)驗(yàn)值與 T 有關(guān)。 常溫下經(jīng)典理論、模型與實(shí)驗(yàn)相符 量子理論：轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能取分立值(量子化)， “高”溫時(shí)才對(duì)熱容量有貢獻(xiàn)。,22,3.5 絕熱過程(Adiabatic process),一.理想氣體準(zhǔn)靜態(tài),1.能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,系統(tǒng)對(duì)外界做功完全以消耗系統(tǒng)內(nèi)能為代價(jià),絕熱過程：與外界無熱交換的過程。,實(shí)際過程滿足： “過程時(shí)間馳豫時(shí)間” 可看作 “

7、準(zhǔn)靜態(tài)” 絕熱過程,23,g 為比熱比,2. 絕熱過程的過程方程,過程方程的導(dǎo)出：取微過程,24,熱一律(絕熱),狀態(tài)方程,25,*絕熱功的計(jì)算： P1V1（P2)V2,T2 T1,*過程曲線：,物理解釋： V，A0 靠減少內(nèi)能 E,T,絕熱線比等溫線陡,26,思考題：理想氣體經(jīng)歷下述過程， 討論吸熱情況 。,27,二. 理想氣體的絕熱自由膨脹,(1)為非準(zhǔn)靜態(tài)過程：PVgC 不適用！ 無過程方程可言。 (2)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系： 絕熱自由：Q=0, A=0 ；由熱一律：E2=E1 理想氣體：T末T初T,28,理想氣體多方過程,過程中若相應(yīng)摩爾熱容 C為常量 有過程方程 PVn =常量,多方指數(shù),C

8、此過程 的摩爾熱容,概涵了各等值過程方程和絕熱過程方程。 例如對(duì)絕熱過程：C=0,n= 絕熱方程,方程的導(dǎo)出：自己試試！,29,3.6 循環(huán)過程和熱機(jī)、致冷機(jī),一. 循環(huán)過程 系統(tǒng)(工質(zhì))經(jīng)一系列變化回到初態(tài)的整個(gè)過程。 特征：系統(tǒng) 內(nèi)能不變 DE =0,兩類循環(huán),30,實(shí)例：發(fā)電廠的熱力循環(huán),31,二.熱機(jī)及其效率,A是系統(tǒng)對(duì)外做功， Q*是系統(tǒng)確實(shí)吸收的熱量，即指 過程中Q0的熱量 熱機(jī)至少有兩個(gè)溫度不同的熱源 （以后 證明）,熱機(jī)效率定義,熱源（熱庫）：與系統(tǒng)交換熱量,一般溫度不變,32,兩熱源熱機(jī)的效率,適用條件,(1)兩恒溫?zé)嵩?(2) 任意循環(huán)過程，其中 可包括非準(zhǔn)靜態(tài)過程。,33,3.7 卡諾（Carnot）循環(huán)和卡諾機(jī),定義：只有 兩個(gè)恒溫?zé)嵩?的準(zhǔn)靜態(tài)無摩擦循 環(huán)。是理想循環(huán)。 卡諾循環(huán)必然由“兩個(gè)等溫過程”和“兩個(gè)絕熱 過程”構(gòu)成。,A,34,工質(zhì)為理想氣體的卡諾熱機(jī)效率,證明：,35,36,卡諾熱機(jī)的效率只由兩熱源