大学物理热力学基础课件

第8章热力学基础§8-1内能功和热量准静态过程§8-2热力学第一定律§8-3气体的摩尔热容量§8-4绝热过程§8-5循环过程卡诺循环§8-6热力学第二定律§8-7卡诺定理克劳修斯熵§8-8热力学第二定律的统计意义玻耳兹曼熵分类1.准静态与非静态2.等值过程3.与外界的关系1)自发与非自发2)绝热过程4.可逆与不可逆一、理想气体的内能：22MiiERTRT（状态量）热力学过程系统状态发生变化的过程§8-1内能功和热量准静态过程1)改变系统状态(E)的方式有两种做功传热2)作功、传热是相同性质的物理量均是过程量焦耳实验1.从外界传热2.利用外界做功12TT约定：系统对外做功A0；外界对系统做功A0系统吸收热量Q0；系统放出热量Q0二、改变热力学状态的两种能量交换形式系统从初态11PV末态22PV系统对外作的功SdlpV1V2ddddAflpSlpVdV0时，气体膨胀，对外做正功；dV0时，气体压缩，外界对气体做正功。功A准静态过程中体积功的计算1)准静态与系统种类无关2)示功图21d21VVVVAdApV与过程有关OVp1V2V123)功是过程量摩擦功电功rAflAUItUqddddd在微分号上画一小横说明功是过程量热量Q1.热量的本质•传热过程中，由于温度不同而转移的热运动能量；•通过分子无规则热运动来实现；2.Q与A的异同相同点：都是过程量；都改变了系统的状态。不同点：做功——通过物体的宏观位移完成；把有规则的宏观机械运动能量转换成系统内分子无规则热运动能量，引起系统内能发生变化。传热——通过分子热运动频繁地碰撞来完成。系统外分子无规则热运动传递给系统内分子，使其热运动加剧，引起系统内能发生变化。QcTdd与过程有关一、物质的热容量二、摩尔热容量1molQCTdd可以大于0、小于0，也可以等于0。——1mol气体温度升高1K气体吸收的热量。（与具体的过程有关）21()PPQCTT等压过程：等压摩尔热容CP质量为m的气体，温度从T1升到T2，吸热为：21TPPTQCTdPPQCTdd温差不太大可看做常数PC三、热量的计算等容过程：等容摩尔热容CV21()VQCTT质量为m的气体，温度从T1升到T2，吸热为：21TVVTQCTdVVQCTdd温差不太大可看做常数VC1)热量与过程有关；2)热量或传热与分子的无序运动相联系。讨论AEEQ）（12设一热力学系统，从状态I→状态II，内能从E1→E2，系统吸热Q，对外做功A，则由能量守恒有即系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分则用以对外界作功。——热力学第一定律QEAddd初末态是平衡态适用一切过程一切系统§8.2热力学第一定律§8-3气体的摩尔热容量加一些条件：若为准静态若为理想气体若理气准静态QEPVddd2iQRTAddd2iQRTPVddd是包含热现象在内的能量守恒与转换定律；另一种描述：第一类永动机是不可能实现的；只要求系统的初末状态是平衡态，过程中经历的各状态不一定是平衡态；适用于任何系统；热力学第一定律是普遍的能量转化和守恒定律pl不变lS1p1TⅠⅡ2T2pOVpV1做功吸收的热量21()VVQCTT内能的增量21()2iERTT0AVQEA等容过程中气体吸收的热量，全部用来增加它的内能，使其温度上升。2.热力学第一定律VQE二、理想气体等容过程1.等容过程方程.PconstT2ViCR325262RRR刚性单原子刚性双原子刚性多原子3.理气等容摩尔热容2VViQCTERT4.理气内能增量VVECTdd适用范围:理想气体任意小过程三、理气等压过程1.等压过程方程.Pconst2.能量关系(热力学第一定律)Sp恒量F恒量lV1V221()RTT21()PpQCTT做功21()ApVV吸收的热量内能的增量2121()()2ViERTTCTTpQEA.TconstV3.理气等压摩尔热容比热容（摩尔热容比）PVCCR——迈耶公式比热容PVCC2ii537586=1.7=1.4=1.3PQEA2PViCCRRR21()pCTT21()VCTT21()RTT单双多四、理想气体等温过程恒温热源l内能的增量功dd2211VVVVRTApVVV21lnVRTV12lnpRTp2112lnlnVpQARTRTVp吸收的热量0E在等温膨胀过程中，理想气体吸收的热量全部用来对外做功，在等温压缩中，外界对气体所做的功，都转化为气体向外界放出的热量。1pⅠⅡ1T2pS1V2VOVpV1V2SpF过程方程.PVconst把压强为P＝1.013×105Pa，体积为100cm3的N2压缩到20cm3时，求气体分别经历下列两个不同过程的△E、Q、A：(1)等温过程；(2)先等压压缩，再等容升压到同样状态。例1pⅠⅡ2p1V2VOVpIII解(1)I→III（等温过程）0E21lnVQARTV2111lnVPVV(0)(2)I→II→III（等压过程＋等容过程）0E121()QAPVV(0)结论：同一始末状态，过程不同，则Q和A不同，再次说明Q、A与过程有关。特征：热力学第一定律：适用于一切绝热过程系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。良好绝热材料包围的系统发生的过程进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程0Q2ViERTCTVAECT()QEA绝热壁§8.4理想气体的绝热过程一、理想气体准静态绝热过程1.过程方程ddVpVCTdddpVVpRTpVRTdd0AE状态方程()dd0VVCRpVCVpPVCCdd0pVpV1pVC1122nnPVPVPV2.过程曲线AEΔEAS曲线ΔΔVACTpVRT1pVC12TVCPVRT13pTCAVpO绝热线ddppVV等温线ddppVV因＞1，绝热线要比等温线陡等温过程中，dP是由体积压缩引起的；绝热过程中，dP是由体积压缩和温度升高共同引起的。泊淞方程二、自由膨胀特点：迅速来不及与外界交换热量Q=0非静态过程无过程方程办法：只能靠普遍的定律（热律）AEΔ自由膨胀22V2V绝热热力学第一定律能量守恒因为自由膨胀，所以系统对外不做功，即理想气体0A0EAEΔ0T初态和末态温度相同真实气体？Δ0T内能还与体积有关焦、汤实验三、绝热过程中功的计算绝热过程中，理想气体不吸收热量，系统减少的内能，等于其对外做功。21()AEE21()VCTT12()1RTTPVRTPVTR2211()VCAPVPVR1122()VPVCPVPVCC11221()1PVPV_0_等温压缩升压0_＋绝热膨胀降温＋0＋等温膨胀降压＋＋＋等压膨胀升温＋＋0等容升压升温Q△EA过程特征PVPVPVPVPV质量为2.8g，温度为300K，压强为1atm的氮气，等压膨胀到原来的2倍。氮气对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量解例求J249)(12TTRA1122TVTVJ873)(12TTCQppJ624)(12TTCEVK6002T根据等压过程方程，有因为是双原子气体52VCR一定量氮气，其初始温度为300K，压强为1atm。将其绝热压缩，使其体积变为初始体积的1/5。解例求压缩后的压强和温度atm52.951)(572112VVppK5715300)(15712112VVTT57)25()57(VpCC根据绝热过程方程的p﹑V关系，有根据绝热过程方程的T﹑V关系，有氮气是双原子分子温度为25℃，压强为1atm的1mol刚性双原子分子理想气体经等温过程体积膨胀至原来的3倍。(1)该过程中气体对外所作的功；(2)若气体经绝热过程体积膨胀至原来的3倍，气体对外所作的功。解例求VpOVV32121ddVVVVVVRTVpA12lnVVRT(1)由等温过程可得J1072.23(2)根据绝热过程方程，有K192)(12112VVTT)(12TTCEVJ102.23J102.23A将热力学第一定律应用于绝热过程方程中，有EA§8.5循环过程卡诺循环1.循环过程如果循环是准静态过程，则在P–V图上构成一闭合曲线如果物质系统的状态经历一系列的变化后，又回到了原状态，就称系统经历了一个循环过程。0EdAA系统（工质）对外所做的净功循环VpOba··等于闭合曲线围的面积一、热机循环与制冷机循环0E11baabQAEE22abbaQAEE1212QQAAQA2.能量特点VpOba··10,baAEE10Q20,baAEE20Q120AAA21QQA3.正循环、逆循环正循环(循环沿顺时针方向进行)系统对外做功ⅠⅡQ1Q2abVpO由热力学第一定律，··应用：热机（把热转化为功的装置）一切热机工作都是正循环过程。系统吸收的热量不会全部转为功，只一部分转化为功热机的工作效率1221111QQQAQQQ—工质对外所作的功与吸收热量之比。(1)逆循环(循环沿逆时针方向进行)0A外界对系统作功ⅠⅡQ1Q2abVpO··由热力学第一定律12QQA致冷机：由外界作功，将热量从低温热源送致高温热源，从而使低温热源的温度降低的装置。致冷系数：2122QQQAQw应用：制冷机二、卡诺循环卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成。1.卡诺热机的效率abcd1T2TQ1Q22111lnVQRTV3224lnVQRTVpVOV1p1V2p2V3p3V4p4气体从高温热源吸收的热量气体向低温热源放出的热量对bc﹑da应用绝热过程方程111223TVTV111124TVTV3214VVVV221111QTQT（取正值）2.卡诺致冷机的致冷系数abcd1T2T2111lnVQRTV3224lnVQRTV2122122TTTQQQAQw卡诺致冷循环的致冷系数3214VVVV当高温热源的温度T1一定时，理想气体卡诺循环的致冷系数只取决于T2。T2越低，则致冷系数越小。说明pVOV1p1V4p4V3p3V2p2Q2Q1由bc﹑da绝热过程方程（取正值）热机循环目的：吸热对外作功热流图高温热源低温热源1Q2QA净指标——效率121AQQQQ净吸制冷循环目的：通过外界作功从低温热源吸热热流图高温低温A外净2Q1Q制冷系数212QQwAQQ吸外净0AQ净净0AQ净净重要说明：在热机、制冷机部分，热机效率和制冷系数一律取正值写成：122112121QQQQQQwQQ热机发展简介1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低.1765年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率.人们一直在为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展.各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸汽机48%8%37%25%热机：持续地将热量转变为功的机器.工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质.冰箱循环示意图1.在温度分别为T1与T2的两个给定热源之间工作的一切可逆热机，其效率相同，都等于理想气体可逆卡诺热机的效率，即221111QTQT2.在相同的高、低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都不可能大于可逆热机的效率。说明(1)要尽可能地减少热机循环的不可逆性，（减少摩擦、漏气、散热等耗散因