大学物理《热力学基础》PPT课件

第十五章热力学基础热力学是热运动的宏观理论，热力学三定律是热力学理论的基础。2020年2月21日星期五1热力学第一定律---能量转换地位：相当于力学中的牛顿定律热力学第二定律---过程方向热力学第三定律---低温性质基本定律物理实验2020年2月21日星期五215.1内能热量功一、内能RTiMmE2分子热运动的动能(平动、转动、振动)和分子间相互作用势能的总和。内能是状态的单值函数。)(TEEEk＝理ipiikiEEE＝内对于理想气体，忽略分子间的作用，则平衡态下气体内能：2020年2月21日星期五3二、热量系统与外界（有温差时）传递热运动能量的一种量度。热量是过程量。)(12TTmcQ摩尔热容量：(Ck＝Mc))(12TTCMmK)(12TTMcMm1mol物质温度升高1K所吸收(或放出)的热量。Ck与过程有关。2020年2月21日星期五4)(12TTCMmQKk系统吸热或放热会使系统的内能发生变化。若传热过程“无限缓慢”，或保持系统与外界无穷小温差，可看成准静态传热过程。系统在某一过程吸收（放出）的热量为：三、功做功是能量传递和转化的又一种形式，功是过程量。ldFdA2020年2月21日星期五5准静态过程中功的计算dlP元功PdVPSdlldFdA0,00,0dAdVdAdV系统对外做正功系统对外做负功总功21VVPdVA几何意义：曲线下面积2121/VVVVTdVVRTPdVA12/lnVVRTVA0,p221Ap(VV)2020年2月21日星期五63、做功或热传递都能改变系统的内能，但二者又有区别。2、A、Q为过程量；RTiMmE2内21,VVkPdVATCMmQ要点再现功是由于系统发生整体宏观位移而被传递或转化的能量，这与传热机理是不同的。1、E为状态量；2020年2月21日星期五7AEQ说明1)适用范围热力学系统。初、末态为平衡态的过程。2)对微小过程：3)热功的转换是靠系统实现的。15.2热力学第一定律E1E2QAdAdEdQ2020年2月21日星期五8单位均用焦耳（J）表示。4）应用：系统吸热系统放热系统做正功系统做负功符号＋－QAE增加减少5）热力学一定律的又一种表述：第一类永动机不可能制造成功。2020年2月21日星期五915.3热力学第一定律、等值过程的应用一、等容过程气体容积保持不变(dV=0)等容过程中的功A=0（dV=0）等容过程内能RdTdEiM2（微小过程）（有限过程）)(122TTREiM内能仅与始末态温度有关。2020年2月21日星期五10等容过程的热量0dARdTidEdQMV2dAdEdQ由RiCV2有（定容摩尔热容量）（微小）（有限）dTCdQVVM)(12TTCQVVM系统吸收的热量全部增加气体的内能。2020年2月21日星期五11二、等压过程系统压强保持不变(P=常数，dP=0)等压过程中的功PdVdARTMmPVRdTMmPdVdA)()(121221TTRMmVVPPdVAVV2020年2月21日星期五12内能RdTiMmdTCMmdEV2热量dAdEQdPRdTMmTdCMmVTdCMmTdRCMmPV)(定压摩尔热容：CCRPV)(2)(1212TTRiMmTTCMmEV2020年2月21日星期五13三、等温过程系统温度保持不变(T=常数，dT=0)等温过程中的功VdVRTMmPdVdA元功：总功：21VVVdVRTMmA2112lnlnPPRTMmVVRTMm2020年2月21日星期五15内能)0(0dTdTCMmdEV)(01212TTEEEΔ热量VdVRTMmPdVAddQT2112lnlnPPVVRTMmRTMmAQT系统吸收热量全部转换成功2020年2月21日星期五16一、定容摩尔热容CVRidTdQCVV2单原子理想气体：RCV23双原子理想气体：RCV25多原子理想气体：RCV2615.4气体摩尔热容二、定压摩尔热容CPRRiRCdTdQCVPP2RCP25RCP27RCP28三、比热比122iCCγVP2020年2月21日星期五17特征：0,0dQQ一、绝热过程的功dTCMmdEPdVdAV)(12TTCMmEAV二、绝热方程)(adTCMmPdVV将两边微分RTMmPV15.5绝热过程2020年2月21日星期五18)(bRdTMmVdPPdV由（a）÷（b）可得：RPdVVdPPdVCV)(0PdVCVdPCPV用CV除上式得：0VVPPdd衡量PV衡量TV1衡量TP1PdVCCVdPPdVCVPV)()(CCRPV由2020年2月21日星期五19三、绝热线P与V的关系曲线在A点斜率AATVPdVdP)(AAVPdVdPS)(TS)()(dVdPdVdP说明自A膨胀相同体积dV时，TSddPP压强变化nKTP等温：nP绝热：TPnP,ABCPVodPTdPSdV绝热线（等熵线）等温线2020年2月21日星期五20过程等容等压等温绝热dV=0dP=0dT=0Q=000TCMmPEAQAQEQEA特点一定律EAQ过程方程TRVPMm12lnVVMmRTEP/T=CV/T=CPV＝CCPV特点：1)E－状态量。,TE2）21VVPdVA～过程量。3）过程量~TCMmQV02STVPVCCRCCRiCATCMmV0TCMmVTCMmVTCMmV2020年2月21日星期五21例2、已知：T1、T2为两等温线，20的过程为绝热过程。指出：10、30的过程是吸热还是放热。解：如图，三个过程温度升高相同，故同E20是绝热过程，'222AAE由功的几何意义得：'3'2'1AAA0'1'2'111AAAEQ0'3'2'333AAAEQ放热过程。吸热过程。T1T2PV32102020年2月21日星期五2215.6循环过程卡诺循环一、循环过程（系统）从某态经历一系列变化过程又回到初态的（周而复始的）过程。P-V图上为一闭合曲线。0E1）特性：2）循环过程有正、逆之分。3）循环过程的功：00净净逆循环正循环AAA净～净面积abcPV2020年2月21日星期五23（工作原理示意图）水废汽水蒸汽水放吸QAQ高温热源低温热源系统1QA2Q热机：利用工作物质，不断地把热转化为功的装置。其循环为正循环。A净02020年2月21日星期五24冷凝塔发电机水泵除尘器涡轮传送带锅炉空气碾磨机烟筒水管喷射给水器现代火力发电厂结构示意图2020年2月21日星期五25工作物质不断的从某一热源取出热量，获得低温的装置。热机效率：121121QQQQQQA1其中：制冷机：其循环的闭合曲线是逆时针方向。1）各符号的意义。2）均为绝对值。净－向低热源放热从高热源吸热AAQQ212020年2月21日星期五26家用电冰箱循环家家用用电电冰冰箱箱循循环环0C2QQ112高温热源低温热源QQ(冷冻室)散热器(周围环境)散热器冷冻室蒸发器节流阀储液器压缩机2010atm3atm700C100C氟利昂氨A实例：电冰箱的工作原理(工质：氨、氟利昂)2020年2月21日星期五27制冷系数1Q：一次循环向高温热源放出热量2Q：一次循环向低温热源吸收热量A：外界对系统做净功21QQA2122QQQAQ高温热源低温热源系统2QA外1Q2020年2月21日星期五28例4、1摩尔单原子理想气体，且V2=2V1。求此循环效率。解：ABCAQQQ1)(CAVTTC12lnVVRTA)(2CBPTTCQ2ln)(23ACARTTTR)(25CBTTRBBCCTVTVABBCTTTT且,21等温0Ｖ２Ｖ１ＶPACB%13112QQ2020年2月21日星期五29例5、已知：双原子分子的理想气体，求：１）一次循环系统吸热；２）一次循环系统放热；３）热机的效率。解：)(1CAVVTTCMmQQJVPVPCCAA500)(25)(2CBPPTTCMmQQJVPVPCCBB420)(27%16112QQ绝热0132.21V/10-3m3P(105Pa)ABC22020年2月21日星期五30二、卡诺循环1824年卡诺（法国工程师1796～1832）提出了一个能体现热机循环基本特征的理想循环。后人称之为卡诺循环。高温热源低温热源1Q2QA本节讨论以理想气体为工作物质的卡诺循环、由4个准静态过程（两个等温、两个绝热）组成。2020年2月21日星期五33卡诺循环效率的计算由两个等温过程和两个绝热过程组成。卡诺热机：0A21AA净等于abcda面积卡诺循环效率1211QQQAη2020年2月21日星期五3412111ln21VVRTMmPdVAQVV43222ln34VVRTMmPdVAQVV由恒量，可得：1TV代入得：,4312VVVV121TT卡诺热机有两个热源。与T1、T2温差有关，与工作物质无关。10;η,TT2020年2月21日星期五35卡诺制冷机：制冷系数AQ2212QQQ212TTT大。小，小，ATω22020年2月21日星期五36%,TTη40112:解,%TTη''50112kT4671kT560'1kT931例4、一可逆卡诺热机低温热源的温度为70C，效率为40％；若将效率提高到50％，则高温热源温度需提高几度？2020年2月21日星期五3715.7热力学第二定律解决与热现象有关过程方向性问题。独立于热力学第一定律的基本定律。一、热力学第二定律的表述1、开尔文表述：不可能制造一种循环动作的热机，只从一个热源吸收热量，使之完全变成有用的功，其他物体不发生任何变化。第二类永动机(单源热机）不可能造成。2020年2月21日星期五38热力学第二定律是关于自然过程方向的一条基本的普遍定律，它是较热力学第一定律层次更深的定律。2、克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传到高温物体。二、两种表述的等价性违背克劳修斯表述则必违背开尔文表述。2020年2月21日星期五39设克劳修斯表述不成立即循环E使Q2自动传至T1热源。再利用一卡诺循环B,从T1吸Q1，在T2放出Q2，对外做功A=Q1-Q2。把E和B看成一复合机，唯一的效果是吸热后全部转化成功，而系统和低温热源不发生任何变化。这就违背了开氏说法。2020年2月21日星期五40设开尔文表述不成立即热机C从T1吸收热量Q1并全部转化为功。再利用一卡诺循环D接受C所做的功A=Q1，从T2吸收Q2，向T1放出热量Q1+Q2，把C、D看成一复合制冷机。唯一的效果是使Q2自动的传及T1而系统和外界并不发生任何变化，这就违背克氏表述。2020年2月21日星期五41三、可逆过程和不可逆过程可逆过程：任何一个系统状态变化过程若能使系统沿着相反方向经过与原来完全一样的中间状态再回到原状态而不引起其他变化。说明：1）系统复原；2）外界复原。不可逆过程：若一过程产生的效果无论用任何复杂的方法，在不引起其他变化的条件下，都不能回复原态。2020年2月21日星期五42四、热力学第二定律的实质开氏表述的实质功变热不可逆克氏表述的实质热传导不可逆功变热不可逆热传导不可逆开氏、克氏表述等效性实质：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。2020年2月21日星期五43五、卡诺定理可逆机的效率都相同(在T1、T2间工作)121TTη一