《大学基础物理学》农科用教材自作pdf课件-03热力学

海南大学海纳百川大道致远第三章热力学1.掌握自然界的基本规律热一：能量守恒热二：自然过程的方向学习热力学的意义3.热能是重要的能源2.学习唯象的研究方法（以实验为基础的逻辑推理的研究方法）4.熵（S）的概念与“信息”密切相关海南大学海纳百川大道致远第三章热力学第3章热力学基础结构框图应用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（理想气体）（对热机效率的研究）理想气体物态方程准静态过程熵熵增加原理主要内容：海南大学海纳百川大道致远第三章热力学教学基本内容§3.1热力学第一定律及其对理想气体等值过程的应用（等温、等压、等容和绝热）§3.2热力学第二定律§3.3熵、熵增加原理海南大学海纳百川大道致远第三章热力学教学目的和要求1.掌握功和热量及内能的概念，理解准静态过程；2.掌握热力学第一定律，并能分析、计算理想气体在等体、等温、等压和绝热过程中的功、热量和内能变化及定体摩尔热容、定压摩尔热容；3.掌握循环过程的概念，理解热循环和制冷循环的能量转换特征，并会计算循环效率和致冷系数；掌握卡诺循环，能计算卡诺循环的效率.4.理解可逆过程和不可逆过程、热力学第二定律的两种表述及其等价性；了解熵的概念、熵增加原理、热力学第二定律的物理意义。海南大学海纳百川大道致远第三章热力学教学重点内容1.功、热量、内能；准静态过程；2．热力学第一定律；3．理想气体的定体摩尔热容和定压摩尔热容；4．等体过程、等压过程、等温过程和绝热过程；5．循环过程及效率；6.卡诺循环。7.熵、熵增加原理海南大学海纳百川大道致远第三章热力学§3.1热力学基本概念一、热力学系统•热力学系统与外界•热力学研究的对象----热力学系统.•它包含极大量的分子、原子。以阿佛加德罗常数NA=6×1023计。•热力学系统以外的物体称为外界。例：若汽缸内气体为系统，其它为外界海南大学海纳百川大道致远第三章热力学孤立系统：既不与外界交换能量，也不交换物质的系统。封闭系统：与环境没有质量交换，但又能量交换大系统。开放系统：与环境既有质量交换，又有能量交换大系统。绝热系统：与环境没有热量交换大系统。•平衡态在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间改变的状态，称为平衡态。气缸中的气体？平衡态是一个理想化模型，我们主要研究平衡态的热学规律。说明两个概念：动态平衡处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间改变。这称为动态平衡。海南大学海纳百川大道致远第三章热力学为什么要引入准静态过程的概念？原平衡态一系列非平衡态新平衡态汽缸♦系统从一个热力学状态变化到另一个状态,称为热力学过程。二、热力学过程海南大学海纳百川大道致远第三章热力学2.准静态过程的实际意义？准静态过程:一个过程，如果任一中间状态都无限接近于平衡态，则此过程称为准静态过程。例如，实际气缸的压缩过程：∵(T)过程～0.1秒τ～L/v=0.1米/100（米/秒）=0.001秒弛豫时间τ:从平衡态破坏到新的平衡态建立所需的时间。--------“无限缓慢”1.准静态过程的理论意义？--------理想化模型！实际气缸的压缩过程：可抽象成准静态压缩过程。海南大学海纳百川大道致远第三章热力学改变系统热力学状态的方法：1.作功2.传热τ﹤﹤(T)过程---------准静态过程的条件3.准静态过程可以用P-V图上的一条曲线(过程曲线)来表示。海南大学海纳百川大道致远第三章热力学T2系统T1系统（T1）直接与热源（T2）有限温差传热的热传导为非准静态过程系统T1T1+△TT1+2△TT1+3△TT2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。.1.热库或热源(热容量无限大、温度不变)。2.准静态传热过程(温差无限小)：海南大学海纳百川大道致远第三章热力学PVOPVO12PVOV1V2绝热线等温线3.等温过程4.绝热过程1.、等容过程2.等压过程几种典型的过程海南大学海纳百川大道致远第三章热力学P1FP2F´xdxrdFdA⋅=P0V∫=21VVPdVAP1V1P2V2iPSF=系统作功PSdxdA=活塞位移idxPdV=P1V1P2V2dV0BđA0B系统作正功dV0BđA0B系统作负功VRTPν=A1、积分法（体积功）机械功（体积功）、电功三、功海南大学海纳百川大道致远第三章热力学3间接计算法由热力学第一定律Ｑ＝ΔE＋A→A通过作功改变系统的热力学状态的微观实质：分子无规则运动的能量分子有规则运动的能量2.几何法PVOV1V2P1123某过程曲线包围的面积，等于此过程的功。海南大学海纳百川大道致远第三章热力学海南大学海纳百川大道致远第三章热力学例1.ν摩尔理想气体从状态1→状态2，设经历等温过程。求气体对外所作的功是多少？【解】注意:功是过程量,它的积分不仅与始末状态有关，还与经历什么过程有关。∫∫==2121VVVVdAPdVA()()12/ln/2121VVRTdVVRTPdVAVVVVνν===∫∫体积功的几何意义是什么？只表示微量功，不是数学上的全微分；dA海南大学海纳百川大道致远第三章热力学如图所示，一定量的空气，开始在状态A，其压强为，体积为，沿直线AB变化到状态B后，压强变为Pa，体积变为，求此过程中气体所作的功。Pa100.25×33m100.2−×5100.1×33m100.3−×分析：理想气体作功的表达式为。功的数值就等于p－V图中过程曲线下所对应的面积。∫=VVpWd)(例：海南大学海纳百川大道致远第三章热力学解：()CDADBCS×+=21ABCDJ)..()..()VV()PP(SWABBAABCD1501002030102212135=×−×+=−×+==−海南大学海纳百川大道致远第三章热力学绝热壁恒温热源TA外=0A非保内=0TBEQ外界对系统输入能量——热量。改变系统的热力学状态的途径：（1）A外BΔE——宏观有规则的能量转变成微观无规则的能量.（2）QBΔE——一个系统的微观无规则的能量，转变成另一个系统的微观无规则的能量.五、热量海南大学海纳百川大道致远第三章热力学♦传热是否可以改变系统的热力学状态？♦传热的微观本质是：分子无规则运动的能量从高温物体向低温物体传递。♦热量也是过程量。dQ系统外界dQ热量是通过温度差传递的能量。海南大学海纳百川大道致远第三章热力学Q=mc(T2－T1)上式中c是物体的比热容，物体的质量与比热容的乘积mc，称为物体的热容。1mol物质的热容，称为摩尔热容。定义摩尔热容:1摩尔气体经过某一热力学过程，温度升高（降低）1K所需要吸收（释放）的热量。dTdQC=TQCΔΔ=质量为M,摩尔质量为μ的物质，温度由T1上升到T2，所吸收的热量为)(12TTCMQ−=μ海南大学海纳百川大道致远第三章热力学系统在一定状态下的能量包括所有分子的动能EK与分子间的势能EP理想气体：EP=0pkEEE+=),(VTEE=RTMiEEkμ2==ABUAUBABEEE−=Δ1.定义：微观上六、内能海南大学海纳百川大道致远第三章热力学♦实验结果：对于任一过程另一叙述：第一类永动机是不可能制成的。♦对于任一元过程热力学第一定律适用于任何系统(气液固……)的任何过程(非准静态过程也适用),AEQ+Δ=符号规定:Q0系统吸热ΔE0系统内能增加A0系统对外界作正功pdVdEdQ+=♦热力学第一定律是反映热现象中能量转化与守恒的定律。§3.2热力学第一定律海南大学海纳百川大道致远第三章热力学永动机海南大学海纳百川大道致远第三章热力学状态1状态2准静态过程系统的Q、A、ΔE？ΔEQAmolν理想气体RTMmPV=Q=A+（E2-E1）喷汽前——等体积过程喷汽时——等压过程二、热力学学第一定律在典型准静态过程的应用海南大学海纳百川大道致远第三章热力学1.理想气体等容过程V一定dv=0PVO•P-V图上对应一直线•过程方程恒量==VRTpν•能量转换关系0==pdVdA12EEQv−=TCVΔ=ν)(12ppCRVV−=dUdQV=RidTdUdTdQCVV2)(===)(121221TTCMdTCMEEQVTTVv−==−=∫μμ海南大学海纳百川大道致远第三章热力学2.等压过程P一定dP=0PVO•P-V图上对应一直线•过程方程恒量==pRTVνpdVdA=)(12VVpA−=)(12TTR−ν=)(12TTCEvp−=Δν12•能量转换关系)()12(1212TTRiMAEEQp−+=+−=μ)(12TTCMp−=μCP为定压摩尔热容海南大学海纳百川大道致远第三章热力学RcRicvp+=+=)12(迈耶公式单双多γ5/37/54/3比热容比：vpCC=γ单原子分子气体RCV23=双原子分子气体RCV25=RCp25=RCp27=海南大学海纳百川大道致远第三章热力学3.等温过程T一定dT=0•P-V图上对应一曲线PVO•过程方程恒量==RTMpVμ0=dU∫==21VVTpdVAQV1V2∫=21VVdVVTRMμ12lnVVRTMμ=AQT=21lnppRTMμ=•能量转换关系海南大学海纳百川大道致远第三章热力学例：空气由压强为1.52∗105Pa，体积为5.0∗10−3m3，等温膨胀到压强为1.01∗105Pa，然后再经等压压缩到原来的体积。试计算空气所作的功。解：空气在等温膨胀过程中所作的功为⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=2111121TlnlnppVpVVRTMmW空气在等压压缩过程中所作的功为()212pdVVpVpW−==∫利用等温过程关系，则空气在整个过程中所作的功为2211VpVp=()J7.55ln11122111pT=−+=+=VpVpppVp理想气体准静态绝热过程♦过程方程:或constPV=γ过程时间传热时间什么是准静态绝热过程？./.11constTPconstTV==−−γγγ什么是绝热过程？0=Q海南大学海纳百川大道致远第三章热力学推导过程方程的思路是什么？∴PdV=-νCVdT(1)(2)再对理想气体状态方程取微分：PdV+VdP=νRdT(2)将(1)式代入(2)式，并化简,即可得.constPV=γ将其与理想气体状态方程结合，可得另两个方程。因为dQ=０,dA=-dE,(1)先考虑一绝热的元过程,写出热力学第一律：（以上推导过程方程的方法有典型性）海南大学海纳百川大道致远第三章热力学♦绝热线:理想气体的绝热线比等温线“更陡”。【证明】设一等温线和一绝热线在Ａ点相交,比较Ａ点处等温线与绝热线的斜率(注意γ1)。（1）从A点经等温膨胀过程V↑---n↓---P↓（2）从A点经绝热膨胀过程V↑---n↓---P↓（注意绝热线上各点温度不同）且因绝热对外做功E↓---T↓---P↓∴P’2P２.数学方法：物理方法：海南大学海纳百川大道致远第三章热力学理想气体各过程的重要公式过程特征过程方程吸收热量对外做功内能增量等体V=C0等压P=C等温T=C0绝热Q=00CpV=CTV=CTP=1CpV=γ21CTV=−γTCVΔνTCpΔν12lnVVRTν)(12VVp−TCVΔ−νTTQA=TCVΔνTCVΔνTCVΔν海南大学海纳百川大道致远第三章热力学三、焓1.焓的定义)()(1212VVPEEQP−+−=)()(1122PVEPVE+−+=PVEH+=定义12HHQ−=则dHdQ=微分形式等压过程中，系统吸收的热量等于系统焓的增量说明2.不仅适用于气体，也适用于液体、固体或其它物质；1.焓是状态函数；3.应用于生化反应（食品或饲料）放出热量的计算。海南大学海纳百川大道致远第三章热力学2.标准生成焓在标准态下，1mol化合物从它最稳定的单质生成时恒压热效应，也称标准生成热，记为0fTHΔ“0”表示标准态“f”表示生成反应“T’为生成反应的温度（反应物）产物）∑∑Δ−Δ=Δ00(ffHnHnH反应热计算海南大学海纳百川大道致远第三章热力学作业3-4；3-5海南大学