大学物理-热力学-教学课件

同学们好第三章热力学基础结构框图热力学系统内能变化的两种量度功热量热力学第一定律热力学第二定律等值过程绝热过程循环过程卡诺循环应用（理想气体）（对热机效率的研究）第一节热力学第一定律一、热力学系统外界大量粒子组成的宏观、有限的体系。与热力学系统比邻的周围环境称为外界。与外界有m、E交换与外界有E交换，无m交换与外界无E、m交换开放系统孤立系统封闭系统系统绝热例开放系统封闭系统孤立系统热力学：研究热力学系统的状态及其变化的规律。1.描述系统宏观性质的物理量：p、T、V、E...广延量强度量EVm、如有可加性，,无可加性，如p、T平衡态：无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为热力学平衡态。此时，状态参量有确定的值。二、状态参量平衡态（1）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡（2）平衡态和稳衡态平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态三、准静态过程初态、末态及中间态无限接近平衡态的过程。这是一种进行得非常缓慢的过程（判据：弛豫时间）。准静态过程：热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简称过程。按平衡性质分，热力学过程可分为：非静态过程：至少有一个态是非平衡态的过程。1.准静态过程2.准静态过程的功注意：非静态过程不适用示功图：p-V图上过程曲线下的面积FpSdAFdlpSdlpdV21dVVApVAd结论：在准静态过程中，系统对外做的功在数值上等于P-V图上过程曲线下方的面积。思考：?02112AVV的任何过程则由是否d00VA注意：功是过程量过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）pVod00VAd00VA四、热力学第一定律如果一个系统经过一个过程，其状态的变化完全由于机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程。在绝热过程中外界对系统所做的功称为绝热功。焦耳实验结果表明：用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，所需的功在实验误差范围内是相等的，如图所示。1.焦耳实验在绝热过程中，外界对系统所做的功仅取决于系统的初、末状态。2、系统的内能热量（1）系统内能E广义：系统内所有粒子各种能量总和。包括平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能...等，但不包括系统整体运动的机械能。狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能。实际气体),(VTEE理想气体:::2::MMiERTiRT理想气体质量理想气体摩尔质量其中理想气体分子的自由度理想气体普适恒量理想气体绝对温度①内能是状态函数内能变化只与初末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。E△E②改变内能的方式做功热传递（2）热量的计算热量：物体间由于温度差别而转移的能量热量的传递称为传热。传热有三种方式：热传导、对流、热辐射。摩尔热容：TCMdTCMQcCTT21TcMTTcMQ)(12c物质的比热容摩尔热容：1摩尔物质在某一过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。注意：热量也是过程量等体摩尔热容：1摩尔理想气体在等容过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）等压摩尔热容：1摩尔理想气体在等压过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）21TVVVTMMCCQCdTCT21TPPPTMMCCQCdTCT3.A与Q比较改变E的方式特点能量转换量度做功热传递与宏观位移相联系通过非保守力做功实现机械运动热运动A与温差相联系通过分子碰撞实现热运动热运动Q在系统状态变化过程中，A、Q、△E之间满足一定数量关系这种关系就是包含热运动和机械运动范围的能量守恒与转化定律热力学第一定律3热力学第一定律准静态过程：理想气体：ddd2MiQRTPV微变过程：,0,0QQ系统从外界吸收热量时反之0,0,AA反之系统对外界作功时0,0,1212EEEE反之系统的内能增加时（1）热力学第一定律的数学形式AEEQ)(12dddQEAdddQEPV(2)物理意义：热力学第一定律是涉及热运动和机械运动的能量转换和守恒定律。(3)其它表述：第一类永动机是不可能制成的第一类永动机：系统不断经历状态变化回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。000AQE违反热力学第一定律即：AE第二节热力学第一定律的应用等值过程等体过程等压过程等温过程0dV0dp0dT绝热过程0dQ（1）过程方程PT常数查理定律一、等容过程（dV=0，V=C)VVp1p2p),,(222TVp),,(111TVpO（2）热力学第一定律的具体形式（3）等体摩尔热容21d0VVApVTCMQVTRiME2TCMQEV吸热全部用于增加内能：TiRME2注意：-1-1-1100-11312.5JmolK25()()20.8JmolK22624.9JmolK2VVdVdVVVCRQEiCRCRMMTTCR适用于一切过程二、等压过程(dp=0p=C)（1）过程方程VT常数盖.吕萨克定律（2）热力学第一定律的具体形式TRMVVpVpAVV)(d1221TCMQpTCMEVEVpQV1V2Vppo（3）等压摩尔热容RCRiTMQCVdPp22)(0TRMTiRMTCMQp2由可得-11-11-11520.8JmolK22729.1JmolK22833.2JmolK2ppppCRiCRCRCR讨论：?VpCC为什么相同。无论何种过程，，设系统由ETTTT)(1221EQAcV10若1200QAEQAVcp若VpCC三、等温过程(dT=0T=C)（1）过程方程2211VpVp玻意耳—马略特定律（2）热力学第一定律的具体形式0E2112lnlndd2121PPRTMVVRTMVVRTMVpAVVVV21221211lnlnPPVPVVVPAQ吸收的热量全部用于对外做功Vp1V2V1p2po四、绝热过程特点：dQ=0绝热材料快速进行（如气体自由膨胀）（1）过程方程热力学第一定律0dddAEQ条件准静态：理想气体：0ddVpTCMVRTMpVTRMpVVpddd消去dTRCCVpVpCC恒量pV恒量Tp1恒量TV10ddVpTCMVTRMpVVpddd消去dTddVpdVpVVpRCd(1)d0VRpVVpCVpCC令有dd0pVVp两边同除以pV有dd0VpVp两边积分，得0lnlnVpc过程方程的推导0lnpVc0cpVe常数（2）热力学第一定律的具体形式00VVQMMECTCTA)(212TTRiMTCMEAV1)(222112211VpVpVpVpi21=pVVVCCRCCi2111221VVPVPVAPdV*五、绝热线和等温线的比较绝热线：恒量pV1比等温线陡等温线：pV=恒量双曲线过p-V图中某点（A)A0dQ0dTP0dQpa.比较斜率VPdVdPkTTVPdVdPkQQQTkkb.比较压强变化有由RTMPVnkTTNRVNMP00使同一理想气体从相同初态压缩相同体积dVTQdPdP)()(pVo00dnp等压过程：0n*5.多方过程(一般情况)TRMpVVpdddAEQdddVpTCMTCMVnddd常量npV,0~npnVCCnnCC其中称为多方指数，在之间取值。nV0d:等体过程n10dnT等温过程：1nnQ0绝热过程：n()/(1)nVCnCn小结：求法QAE,,ETCMVAQA：准静态过程21dVVVpAEQA非静态过程Q：等体TCMQVTCMQp绝热Q=0等温（准静态）12lnVVpVAQ等压AEQ或练习1理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？(1)等体加热，内能减少，压强升高(2)等温压缩，压强升高，同时吸热(3)等压压缩，内能增加，同时吸热(4)绝热压缩，压强升高，内能增加答案：不可能发生的有:(1),(2),(3)例1.讨论理想气体在如图所示两过程中,ΔT,ΔE,A和Q的正负.。知，力学第一定律。由热，对外作功为绝热膨胀过程解0;00)0(21:1212121212122112TAEAEQAQ判定的正负：Q由图知:2Ⅱ1122Ⅰ1EEE2Ⅱ1122Ⅰ1TTT2Ⅱ1122Ⅰ1AAA0,0,0,0210,0,0,021:2121212121212121IIIIIIIIIIIIQAETIIQAETI过程中：在过程中：在综上所述02Ⅰ1212Ⅰ1122Ⅰ12Ⅰ12Ⅰ1AAAEAEQ02Ⅱ1212Ⅱ1122Ⅱ12Ⅱ12Ⅱ1AAAEAEQ)(0VVPA)23(25'021TTbRbRTQQQ例：有bmol理想气体，其定容摩尔热容为3R/2，若按如图所示的无摩擦准静态过程由C状态变到Z状态，求它对外所做的功和吸收的热量。)(2301TTRbQ)(252TTRbQ第三节热力学第二定律一、循环过程1.定义：系统经历一系列状态变化后又回到初始状态的过程叫循环过程。准静态循环过程对应于图中的闭合曲线顺时针：正循环逆时针：逆循环OpV正逆参与循环的物质称为工作物质。VP2.循环过程的特征0E热力学第一定律：净净AQ3.正循环及其效率dOpVabcV1V2正功负功净功AT1T2整个过程吸的净热净Q净A整个过程对外做的净功d21AAA净21QQQ净和取绝对值1Q2Q0E0净净AQ由于所以热机的能量转换:从高温热源吸热（可能不止一个）1Q向低温热源放热2Q（可能不止一个）对外做功21QQQA净净效果代价热机效率:121211QQQQQQA吸净热机及其效率热机：利用工作物质的正循环不断把热转化为功的装置。实例：蒸汽机的循环Q1Q2A1A24.逆循环及致冷系数OPV逆abcV1V2净功dT1T2Q1Q2A=Q1-Q212AAA净12QQQ净和取绝对值1Q2Q0E0净净AQ由于所以外界对系统做的净功净AA能量转换：从低温热源吸热2Q（效果）外界对系统做功（代价）向高温热源放热AQQ21注意：这里的Q2仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量——衡量致冷的效力1Q致冷机及致冷系数致冷机：利用工作物质的逆循环获取低温的装置。2212QQwAQQ致冷系数A实例：电冰箱Q12QA（1）高温热源与低温热源是相对的。放吸QQQQ21;注意：对于热机和致冷机：正循环中，把热量传递给工作物质的热源叫高温热源；反之就是低温热源。逆循环与正循环正好相反。（2）热量逆循环吸放QQQQ21;（3）功正循环逆循环正循环放吸QQQQA21吸放QQQQA21季节作用低温热源高温热源效果夏天冬天冷泵（A)热泵（A)房间)(2Q大气)(2Q大气)(1Q房间)(1Q室内降温（对房间致冷)室内升温(对大气致冷)介绍：•空调机的循环—致冷机与热泵原理的结合压缩机作功，吸热传向高温热源AQ2Q1夏天AQ2Q1冬天二、卡诺循环18世纪末19世纪初，蒸汽机的效率很低，不能满足资本主义大工业的需要。提高热机效率，解决动力问题就成了当时的首要