大學物理_熱力學基礎PPT課件

1、 一 掌握內(nèi)能、功和熱量等概念 . 二 掌握熱力學第一定律，能分析、計算理想氣體在等體、等壓、等溫和絕熱過程中的功、熱量和內(nèi)能的改變量 . 三 理解循環(huán)的意義和循環(huán)過程中的能量轉(zhuǎn)換關系，會計算卡諾循環(huán)和其他簡單循環(huán)的效率 . 四 了解可逆過程和不可逆過程，了解熱力學第二定律和熵增加原理 .第1頁/共60頁一 功 功是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的量度，它引起系統(tǒng)熱運動 狀態(tài)的變化 .準靜態(tài)過程功的計算lpSlFWdddVpWdd21dVVVpW注意：作功與過程有關 .宏觀運動能量熱運動能量7-1 熱力學第一定律（過程量）第2頁/共60頁1T2T21TT 二 熱 量（過程量） 通過傳熱方式傳遞能量的量度，系統(tǒng)

2、和外界之間存在溫差而發(fā)生的能量傳遞 .1）過程量：與過程有關；2）等效性：改變系統(tǒng)熱運動狀態(tài)作用相同； 宏觀運動分子熱運動功分子熱運動分子熱運動熱量Q3）功與熱量的物理本質(zhì)不同 .1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡功與熱量的異同系統(tǒng)和外界的分子之間通過雜亂碰撞交換能量的結果第3頁/共60頁作機械功改變系統(tǒng) 狀態(tài)的焦耳實驗AV作電功改變系統(tǒng) 狀態(tài)的實驗第4頁/共60頁 實驗證明系統(tǒng)從 A 狀態(tài)變化到 B 狀態(tài)，可以采用做功和傳熱的方法，不管經(jīng)過什么過程，只要始末狀態(tài)確定，做功和傳熱之和保持不變 .三 內(nèi) 能 （狀態(tài)量）2AB1*pVo02121ABAABAQWBABABABAQ

3、WQW22112AB1*pVo第5頁/共60頁 系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關 .)(TEE 理想氣體內(nèi)能 : 表征系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù) ,理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù) .021ABAECEAB2AB1*pVo2AB1*pVo改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種等效方式: 作功, 傳遞熱量第6頁/共60頁四 熱力學第一定律AEEQ 12 系統(tǒng)從外界吸收的熱量,一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加, 另一部分使系統(tǒng)對外界做功 .21dVVVpEQ準靜態(tài)過程VpEAEQddddd 微小過程12*pVo1V2VAEAEEQ 12第7頁/共60頁 1）能量轉(zhuǎn)換和守恒定律 . 第一類永動機是不可能制成的

4、 . 2）實驗經(jīng)驗總結，自然界的普遍規(guī)律 .AEAEEQ 12+12EE 系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功第一定律的符號規(guī)定QA討論第8頁/共60頁3）對于循環(huán)過程:dAdQdE 0AQ 吸收的熱量全部用于對外作功4）熱力學第一定律適用于任何系統(tǒng)的任何過程, 不管是否是準靜態(tài)過程5）一個系統(tǒng)與外界的熱傳遞不一定引起系統(tǒng)本身溫度的變化.第9頁/共60頁 計算各等值過程的熱量、功和內(nèi)能的理論基礎RTMpV （1）（理想氣體的共性）21dVVVpEQVpEQddd（2）解決過程中能量轉(zhuǎn)換的問題)(TEE （3）（理想氣體的狀態(tài)函數(shù)） （4） 各等值過程的特性 .第10頁/

5、共60頁一、熱容量與摩爾熱容量表示升高1K所吸收的熱量dTdQC 熱容量：系統(tǒng)在某一無限小過程中吸收熱量dQ與溫度增量dT的比值稱為系統(tǒng)在該過程的熱容量（C）1 KJ摩爾熱容量：1mol物質(zhì)的熱容量（Cm）mCMC 單位質(zhì)量的熱容量叫比熱容( (比熱) )。11 kgKJ11 molKJMcC 7-2 氣體的摩爾熱容第11頁/共60頁熱容量CY與過程有關:熱容量C的可能值:0 C0 T0 C0 C0 Q C0 TYYdTdQC)( 0 T吸熱且升溫放熱且升溫絕熱過程等溫過程穩(wěn)定性要求0 C第12頁/共60頁二、理想氣體的摩爾熱容量1 1、理想氣體的定體( (定容) )摩爾熱容量VV)dTdQ(

6、C V)dTdE( RiCV2 RdTidE2 理想氣體RCV23 RCV25 RCV3 單原子理想氣體雙原子理想氣體多原子理想氣體理想氣體的內(nèi)能另一表述TCEV VTE)( dTCdEV 理想氣體的內(nèi)能TCEV RTiE2 第13頁/共60頁梅逸公式RiRCCVp22 2、理想氣體的定壓摩爾熱容量pp)dTdQ(C dTdVpdTdE dTCdEV RdTpdV TRiTCQmolpp 22, RiCV2 RCp25 RCp27 RCp4 單原子理想氣體雙原子理想氣體多原子理想氣體第14頁/共60頁VpCC RCCVp 3、比熱容比ii2 理想氣體RiCV2 P229 表7-1例7-1 教材

7、 P230第15頁/共60頁一 等體(定容)過程0d, 0d AV熱力學第一定律EQVddTCQVVdd 特性 常量V),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo7-3 熱力學第一定律對理想氣體等值過程的應用過程方程 常量 1PT)(1212TTCEEEQVV mol 理想氣體:第16頁/共60頁1E2EVQ1EVQ2E),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 等體升壓 12),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 等體降壓 12定容過程中外界傳給氣體的熱量, , 全部用來增加氣體的內(nèi)能TCQVVdd )(1212TTCEEEQVV 第17頁/共60頁2V),(11TVp)

8、,(22TVpp1VpVo12二 等壓過程過程方程 常量1VT熱一律AEQpddd 特 性 常量p)(12VVpA 功TCQppdd Amol 理想氣體:TCEVdd TCQpp TRTCV E A第18頁/共60頁2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12A等 壓 膨 脹2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12A等 壓 壓 縮1E2EpQ1EpQ2E A A所吸收的熱量的去向?第19頁/共60頁三 等溫過程熱力學第一定律0dE恒溫熱源TVRTMp 21dVVTVpAQVpAQTddd 12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoVd特征 常量T過程方程pV

9、常量第20頁/共60頁EE VVRTMAQVVTd21 12lnVVRTM21lnppRTM 12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVo等溫膨脹A12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoA等溫壓縮TQTQ A A第21頁/共60頁),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo四 絕熱過程與外界無熱量交換的過程)(12TTCMV OdQ特征TCMVTTd21 TCMEVdd 21dVVVpAVd絕熱的汽缸壁和活塞EAdd 熱一律0dd EA第22頁/共60頁)(2211VpVpCCCAVpV 12211 VpVpA)(21TTCMAV 若已知 及

10、2211,VpVp),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoAEA )(2211RVpRVpCAV RTMpV 從 可得由熱力學第一定律有第23頁/共60頁 絕熱過程方程的推導EAQdd,0d TCMVpVdd RTMpV TCMVVRTMVdd TTVVd11dTTRCVVVdd 分離變量得),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo0Q絕 熱 方 程TV1pVTp1常量C1常量C2常量C3第24頁/共60頁),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoA絕 熱 膨 脹),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoA絕 熱

11、 壓 縮1E2E1E2E A A獲取低溫的一個方法第25頁/共60頁五 絕熱線和等溫線絕熱過程曲線的斜率等溫過程曲線的斜率0ddpVVp0dd1pVVpVAAaVpVp)dd(AATVpVp)dd( 在數(shù)值上絕熱線的斜率大于等溫線的斜率( (物理解釋).).pV常量pV常量ApBVAVApVoT0QVapTpBC常量第26頁/共60頁過程特征過程方程AEQ氣體摩爾熱容量等體等壓等溫絕熱V=CA=0P=CCTp CTV T=CdE=0CpV 0TR 12lnVVR TCV 0A TCp E TCV 2iRCV RiCp22 TCdQ=0CpV 0TCV 12211 VpVpA0 QC第27頁/共

12、60頁 例7-2 設有 5 mol 的氫氣，最初的壓強為 溫度為 C，求經(jīng)過1）等溫過程，2）絕熱過程 把氫氣壓縮為原體積的 1/10 需作的功; 3）并求經(jīng)這兩過程后，氣體的壓強各為多少？Pa10013. 1520J4121080. 2 A1T2T121p2p1V10122VVVpVo2p12TT 0QT 2常量J4121070. 4 APa6210013.1 pPa621055. 2 p第28頁/共60頁 例7-3 氮氣液化， 把氮氣放在一個絕熱的汽缸中.開始時,氮氣的壓強為50個標準大氣壓、溫度為300K; 經(jīng)急速膨脹后,其壓強降至 1個標準大氣壓,從而使氮氣液化 . 試問此時氮的溫度為

13、多少 ? 解 氮氣可視為理想氣體, 其液化過程為絕熱過程.氮氣為雙原子氣體由表查得40. 1K0 .98)(/ ) 1(1212ppTTPa10013. 15051pK3001TPa5210013. 1 p(近似值)第29頁/共60頁 例7-4 在一氣缸內(nèi)放有一定量的水，活塞與汽缸間的摩擦不計, 缸壁由良導熱材料制成. 作用于活塞上的壓強 . 開始時, 活塞與水面接觸. 若使環(huán)境 (熱源) 溫度非常緩慢地升高到 . 求把單位質(zhì)量的水汽化為水蒸汽 , 水的內(nèi)能改變了多少?Pa10013. 15pC100已知水的汽化熱為 16kgJ1026. 2L水的密度3mkg1040水水蒸汽的密度3mkg59

14、8. 0蒸汽水水蒸氣 熱源100mp1kgJ 61009. 2)11(水蒸汽 pLmE第30頁/共60頁 熱機發(fā)展簡介 熱機 ：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C器 .如蒸汽機,內(nèi)燃機等. 1698年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機 ，當時蒸汽機的效率極低 . 1765年瓦特進行了重大改進 ，大大提高了效率 . 人們一直在為提高熱機的效率而努力， 從理論上研究熱機效率問題， 一方面指明了提高效率的方向， 另一方面也推動了熱學理論的發(fā)展 .各種熱機的效率液體燃料火箭柴油機汽油機蒸汽機%48%8%37%257-4 卡諾循環(huán)第31頁/共60頁 工作物質(zhì)（工質(zhì)）：熱機中被利用來吸收熱量并對外做功的物質(zhì),

15、 可以是氣體, 液體等 .第32頁/共60頁冰箱循環(huán)示意圖冰箱循環(huán)示意圖第33頁/共60頁pVoA 系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化狀態(tài)過程后，又回到原來的狀態(tài)的過程叫熱力學循環(huán)過程 .熱力學第一定律AQ QQQA 21凈功0E特征一 循環(huán)過程ABAVBVcd總吸熱1Q總放熱（取絕對值）2Q第34頁/共60頁熱機二 熱機效率和致冷機的致冷系數(shù)熱機效率1212111QQQQQQA 高溫熱源低溫熱源1Q熱機（正循環(huán)）0 A2QAApVoABAVBVcd從高溫熱源吸取的熱量有多少用于對外作功第35頁/共60頁A致冷機致冷系數(shù)2122QQQAQe 致冷機（逆循環(huán)）0 A致冷機高溫熱源低溫熱源pVoABAVBVcd1

16、Q2QA外界對工質(zhì)作的功A中, 用于從低溫熱源提取熱量Q2的多少第36頁/共60頁141V4V231p2pPVo12Q34Q41Q23Q 例 7-5 1 mol 氦氣經(jīng)過如圖所示的循環(huán)過程，其中 , 求12、23、34、41各過程中氣體吸收的熱量和熱機的效率 .122 pp142VV%3 .15)23(, RCRV m 第37頁/共60頁 卡諾循環(huán)是由兩個準靜態(tài)等溫過程和兩個準靜態(tài)絕熱過程組成 .三 卡諾循環(huán) 低溫熱源2T高溫熱源1T卡諾熱機1Q2QAVop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT 1824 年法國的年青工程師卡諾提出一個工作在兩熱源之間的理想循環(huán)卡諾循環(huán).

17、給出了熱機效率的理論極限值; 他還提出了著名的卡諾定理.第38頁/共60頁Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V 理想氣體卡諾循環(huán)熱機效率的計算 A B 等溫膨脹 B C 絕熱膨脹 C D 等溫壓縮 D A 絕熱壓縮卡諾循環(huán)21TT abQcdQ1211lnVVRTQQab A B 等溫膨脹吸熱第39頁/共60頁4322lnVVRTQQcd C D 等溫壓縮放熱1211lnVVRTQ Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ D A 絕熱過程214111TVTVB C 絕熱過程 213112TV

18、TV 第40頁/共60頁4312VVVV121TT 卡諾熱機效率Vop2TA1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ 卡諾熱機效率與工作物質(zhì)無關，只與兩個熱源的溫度有關，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高 . 熱機效率不可能大于1.提高熱機效率的途徑?第41頁/共60頁Vop2TA1TABCD21TT 高溫熱源1T低溫熱源2T卡諾致冷機1Q2QA 卡諾致冷機（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機致冷系數(shù)212212TTTQQQe2Q1QT2越小, 致冷系數(shù)越小第42頁/共60頁 圖中兩卡諾循環(huán) 嗎 ？2121212T1T2A1A21A

19、A poV討 論poV2T1T2A1A3T21AA 第43頁/共60頁 例7-6 一臺電冰箱放在室溫為 的房間里 ，冰箱儲藏柜中的溫度維持在 . 現(xiàn)每天有 的熱量自房間傳入冰箱內(nèi) , 若要維持冰箱內(nèi)溫度不變 , 外界每天需作多少功 , 其功率為多少? 設在 至 之間運轉(zhuǎn)的致冷機 ( 冰箱 ) 的致冷系數(shù), 是卡諾致冷機致冷系數(shù)的 55% .C5C20J100 . 27C5C20保持冰箱在 至 之間運轉(zhuǎn), 每天需作功 C5C20J7102 . 0 AW23360024102 . 07 WtAP功率第44頁/共60頁 1 開爾文表述：不可能制造出這樣一種循環(huán)工作的熱機，它只使單一熱源冷卻來做功，而

20、不放出熱量給其他物體，或者說不使外界發(fā)生任何變化 . 第二定律的提出1 第一定律無法說明功熱轉(zhuǎn)換的條件. 2 第一定律無法說明熱傳導的方向性、氣體自由膨脹的不可逆性等問題. 一 熱力學第二定律的兩種表述 7-5 熱力學第二定律第45頁/共60頁 等溫膨脹過程是從單一熱源吸熱作功，而不放出熱量給其它物體,但它非循環(huán)過程.12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoAETQ A低溫熱源2T高溫熱源1T卡諾熱機1Q2QAVop2TA1TABCD21TT 卡諾循環(huán)是循環(huán)過程，但需兩個熱源，且使外界發(fā)生變化.第46頁/共60頁 雖然卡諾致冷機能把熱量從低溫物體移至高溫物體，但需外界作功且使

21、環(huán)境發(fā)生變化 . 2 克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體自動傳到高溫物體而不引起外界的變化 .高溫熱源1T低溫熱源2T卡諾致冷機1Q2QAVop2TA1TABCD21TT 2Q1Q第47頁/共60頁注 意 1 熱力學第二定律是大量實驗和經(jīng)驗的總結. 3 熱力學第二定律可有多種表述，每一種表述都反映了自然界過程進行的方向性 . 2 熱力學第二定律的開爾文表述與克勞修斯表述具有等效性 .第48頁/共60頁 可逆過程 : 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中,如果逆過程能重復正過程的每一狀態(tài), 而不引起其他變化, 這樣的過程叫做可逆過程 .二 可逆過程與不可逆過程 不可逆過程：在不引起其他變化的條件下，不能使逆過

22、程重復正過程的每一狀態(tài)，或者雖能重復但必然會引起其他變化，這樣的過程叫做不可逆過程. 準靜態(tài)過程（無限緩慢的過程），且無摩擦力、粘滯力或其他耗散力作功，無能量耗散的過程 . 可逆過程的條件第49頁/共60頁非自發(fā)傳熱自發(fā)傳熱高溫物體低溫物體 熱傳導 熱功轉(zhuǎn)換完全功不完全熱 自然界一切與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都是不可逆的 . 熱力學第二定律的實質(zhì)第50頁/共60頁 1） 在相同高溫熱源和低溫熱源之間工作的任意工作物質(zhì)的可逆機都具有相同的效率 . 三 卡諾定理 2） 工作在相同的高溫熱源和低溫熱源之間的一切不可逆機的效率都不可能大于可逆機的效率 .可逆循環(huán) 不可逆循環(huán)可逆熱機 不可逆熱機第51頁/共60頁121121TTTQQQ( 不可逆機 )（可逆機）以卡諾機為例，有分析:1) 是熱機效率的上限.121TT 2) 提高熱機效率的途徑: 使實際的不可逆熱機盡量地接近可逆機,消除摩擦, 準靜態(tài)過程. 3) 從熱源的角度, 應盡量提高高溫熱源溫度.第52頁/共60頁 不可逆過程的本質(zhì) 系統(tǒng)從熱力學概率小的狀態(tài)向熱力學概率大的狀態(tài)進行的過程 . 一切自發(fā)過程的普遍規(guī)律 概率小的狀態(tài)概率大的狀態(tài) 討論 個粒子在空間的分布問題N 可分辨的粒子集中在左空間的概率21, 1WN41,2WN一 熱力學第二定律的統(tǒng)計意義7-6 熵 熱力