热力学基础经典课件

第三章热力学基础§3.1热力学第一定律§3.2热力学第一定律的应用§3.3卡诺循环§3.4热力学第二定律§3.5熵热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉。------恩格斯如何衡量物体的冷热程度？？？1620年培根认为“热是运动”佛朗西斯.培根1714年华伦海脱建立了华氏温标1742年摄尔修斯建立了摄氏温标摄尔修斯热现象的本质是什么？？？伽利略1592-1600年伽利略制作了第一个空气温度计热本性说的争论:（1）认为热是一种物质，即热质说。（2）认为热是物体内部粒子的运动。错误的观点：冷物体热质少，热物体热质多永动机能否实现？？？（代表人物：伊壁鸠鲁付里叶卡诺）（代表人物：笛卡尔胡克罗蒙诺索夫伦福德）1760-1830年间，第一次工业革命，蒸汽机的发明和应用，促进了热机理论的研究。第一类永动机的设想1824年卡诺发表了《关于热动力的见解》一文，提出卡诺原理，阐述了热功转换的条件及热效率的上限。---奠定了热力学第二定律的基础1842年迈耶以普遍的,自然科学的形式作出了能量守恒和转换定律的定义。1843年焦耳在大量实验研究的基础上，提出了热功当量。1847年亥姆霍茨采用不同的方法，证实了各种不同形式的能量与功之间的转换关系。能量守恒和转换定律，彻底否定了永动机！---奠定了热力学第一定律的基础如何提高热机的效率？？？1850年克劳修斯与兰金各自独立地表述了热与机械功的普遍关系---热力学第一定律。热力学第零定律热力学第一定律热力学第二定律……1848年开尔文根据卡诺原理，建立了绝对温标，建立了热力学与测温学的联系。热力学第一定律彻底否定了第一类永动机！一.基本概念2.热力学过程—热力学系统从一平衡态到另一平衡态的转变过程1.热力学系统——研究的物体（或一组物体）★封闭系统★开放系统★孤立系统§3-1热力学第一定律★准静态过程（平衡过程）---系统和外界没有任何物质和能量的交换---系统和外界只有能量的交换，而无物质交换---系统和外界既有能量的交换，又有无物质交换★非静态过程（非平衡过程）●●P1V1P2V2★准静态过程（平衡过程）———系统所经历的一系列中间态都可以近似的看成是平衡态进行的时间远大于由非平衡态到平衡态的过渡时间（驰豫时间）,是一种理想过程。系统每时每刻都有确定的状态参量。平衡过程可以用状态图表示，图中任一条曲线都代表一个平衡过程。pVoab§3-1热力学第一定律★准静态过程（平衡过程）二.功、热量、内能§3-1热力学第一定律思考：一杯冷水，如何使它变热？热传递(Q)做功(A)一杯冷水，既不加热，也不搅拌，能不能凭空变热？Q=A(热功当量）活塞移动位移dl，系统对外界所作的元功为：pdVpSdlFdldA系统体积由V1变为V2，系统对外界作总功为：21VVpdVdAA1.功pSdlpS§3-1热力学第一定律pVopVdVVaIIIb2V1V2p1p功的大小等于在P-V图中曲线下的面积.pV12V1V2§3-1热力学第一定律,dA,dV00系统对外作正功；,dA,dV00系统对外作负功；,dA,dV00系统不作功。功与过程的路径有关,功是过程量。★净功abPV循环过程作功：循环曲线在P—V图上包围的面积外界质量m吸收热量dQ温度升高dT★热量是系统与外界仅由于温度不同而传递的能量。2.热量系统由温度T1变到温度T2的过程中所吸收的热量§3-1热力学第一定律热容量：系统在某一无限小过程中吸收热量dQ与温度变化dT的比值。dTdQC21)(12TTTTCCdTQ比热容c——单位质量物质的热容摩尔热容Cm——使1mol物质温度改变1k所需要的热量dTdQmc1dTdQmMMcCmpVobIIIa★热量与过程有关吗？？？热量传递与过程的路径有关，是过程量dQ0，系统从外界吸收热量dQ0，系统向外界释放能量★Cm与过程有关吗？？？不同气体Cm不同，同一气体经历不同的热力学过程Cm也不同。§3-1热力学第一定律3.内能——某物体系统由其内部状态所决定的能量理想气体系统的内能，是组成该气体系统的全部分子的动能之和，其值为§3-1热力学第一定律RTiMmE2由状态参量T决定，内能，是状态参量T的单值函数——态函数。)(TEE)(21212TTRiMmEERdTiMmdE2dE0，系统内能增加dE0，系统内能减少内能ΔU状态量是构成系统的全部分子的平均能量之和。功A过程量是系统的宏观有序机械运动与系统内大量分子无规热运动的相互转化过程。热量Q过程量是外界物质分子无规热运动与系统内物质分子无规热运动的相互转化过程。功、热量、内能国际标准单位都是焦耳（J）§3-1热力学第一定律Q=E+A★热力学第一定律另一表述：制造第一类永动机是不可能的。★热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律的一种表达形式。使用与任何热力学系统的任何热力学过程.§3-1热力学第一定律ThefirstlawofthermodynamicsQEA对于无限小过程,有:dQdEdA——微分形式问：是否能够制作出不需要消耗任何燃料或者动力，而能源源不断的对外做功的机器？§3-2热力学第一定律对理想气体的应用（1）定体过程（2）定压过程（3）定温过程（4）绝热过程定体过程：V不变，P增大，T增大A=0，吸收热量用来增加内能定压过程：P不变，V增大，T增大吸收热量用来做功和内能增加定温过程：T不变，V增大，P减小ΔE不变，吸收热量用来做功绝热过程：P减小，V增大，T减小Q=0，消耗内能用来对外做功一.定体过程1.定义及P—V图V=恒量，dV=02.过程方程——两态间的状态参量关系§3-2热力学第一定律对理想气体的应用3.A,⊿E,Q的计算0AdA0dApdVRTMmPV1212ppTTRdTMmdE)(212TTRiMmEAEQV)(212TTRiMmQVQ0,吸热过程等体过程中，系统吸收的热量全部用来增加内能，系统对外不作功。★摩尔定体热容CV,m通过定容过程使1mol的气体温度升高1度所需的热量。理想气体：RdTiMmdQV2dTdQmMCVmV,RidTdQmMCVmV2,,2VmiCR二.定压过程1.定义及P—V图p=恒量，dp=02.过程方程3.A,⊿E,Q的计算2121()VVAdApVVdApdV§3-2热力学第一定律对理想气体的应用RTMmVP2121TTVVRdTiMmdE2)(21212TTRiMmEEdTCMmmV,)(12,TTCMmmV等压过程中系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，一部分用来对外做功。§3-2热力学第一定律对理想气体的应用PdVdTCMmdAdEdQmVp,RTMmPVRdTMmPdVRdTMmdTCMmdAdEdQmVp,))((12,TTRCMmAEQmVp,,22pmVmiCCRR——迈耶(R.J.mayer)公式,,2pmVmCiCi★比热容比i=3γ=1.67i=5γ=1.4§3-2热力学第一定律对理想气体的应用dTRCMmdQmVp)(,dTCMmdQmpp,★摩尔定压热容CP,m理想气体热容量温度无关.实测,气体热容量和温度有关,如H2气体RiCRiCmPmV222,,三.定温过程1.定义及P—V图T=恒量，dT=02.过程方程3.A,⊿E,Q的计算§3-2热力学第一定律对理想气体的应用RTMmPV2211VPVP02RdTiMmdE0EdVVRTMmPdVdA等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外做功，系统内能保持不变。§3-2热力学第一定律对理想气体的应用2121VVVVVdVRTMmdVVRTMmA2112lnlnPPRTMmVVRTMmdAdQT12lnVVRTMmQT★摩尔定温热容CT,m？0dQ1.定义系统不与外界交换热量的过程。绝热过程中系统对外做功全部是以系统内能减少为代价的。2.Q,A,⊿E的计算四.绝热过程§3-2热力学第一定律对理想气体的应用dTCMmRdTiMmdEmV,20dQdEdAdAdE0)(212TTRiMmA3.过程方程的推导pV恒量11VTpT恒量恒量§3-2热力学第一定律对理想气体的应用,,2pmVmCiCiRTMmpVRdTMmVdppdVdEpdVdQ0dTCMmpdVmV,pdVmCMdTmV,pdVCRVdppdVmV,恒量PVVdVpdpVdppdVCRCmVmV0,,QT4.绝热过程P－V图CpVCpV等温绝热ATASdVdpdVdp绝热线比等温线更陡,膨胀相同的体积,绝热比等温压强下降得快。微观解释？绝热线等温线§3-2热力学第一定律对理想气体的应用VCpVPVVCVCVCdVdpT12'VCpVPVVCVCVCdVdpS11'A*多方过程实际上,气体所进行的过程,常常既不是等温又不是绝热的,而是介于两者之间,可表示为热力学第一定律总结过程过程特点过程方程热一律内能增量定体定压定温绝热0V=d0p=d0T=d0Q=dpT=CVT=CpV=CCTPCTVCPV11dEdQVdTCMmdEmV,dEPdVdQPdTCMmdEmV,dAdQT0dEdEdAdTCMmdEmV,热力学第一定律总结(续前)过程功A热量Q摩尔热容单双多定体定压定温绝热0,TmC不能引入,22pmiCR+=0,2VmiCR=32R52R3R52R72R4R,0mC®Adiabatic435375PdV12lnVVRTMm21lnPPRTMm12lnVVRTMm21lnPPRTMmdTCMmmV,dTCMmmP,dTCMmmV,mVmPCC,,•典型例题例1：一定量理想气体,从初态A开始,经历三种不同过程,B、C、D处于同一条等温线上,AC为绝热线,问1.AB过程吸热还是放热？2.AD过程是吸热还是放热？分析:三个过程起始温度与末了温度相同,故内能变化相同.系统对外做功不相等.VpOADCB0QCCAEBBAEQDDAEQ0QCBBAA0QCDBAA例题2：设有8g氧气，体积为0.41˟10-3m3，温度为300k。如氧气绝热膨胀，膨胀后的体积为4.10˟10-3m3，问气体做功多少？如氧气作等温膨胀，膨胀后的体积也是4.10˟10-3m3，问这时气体做功多少？解：1，绝热过程的特点dQ=0dEdA)(12,TTCMmAmVCTV1过程方程KVVTTTVTV11921122211JTTRiMmA941)(2122，等温过程的特点dE=0JVVRTMmPdVAVV1440ln1221热机(heatengine)发展简介1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸气机，当时蒸气机的效率极低。1765年瓦特进行了重大改进(增加了冷凝器，发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等)，大大提高了效率。使其成为真正的动力。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气机%48%8%37%25热机：持续地将热量转变为功的机器.循环过程热力学系统经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程,简称循环.工质：循环工作的物质称为工作物质,简称工质.若循环的每一阶段都是准静态过程,则此循环可用P-V图上的一条闭合曲线表示.循环所包含的每个过程叫分过程.箭头表示过程进行的方向.ABPV0ABC§3-3循环过程卡