大物課件路明第七章熱力學(xué)基礎(chǔ)

1、第七章第七章 熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ) （basic of thermodynamicsbasic of thermodynamics）熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律-溫度（溫度（temperaturetemperature）熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律能量守恒和轉(zhuǎn)換定律能量守恒和轉(zhuǎn)換定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)過程方向性的規(guī)律熱力學(xué)過程方向性的規(guī)律當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)( (P P、V V、T T等）等）隨時(shí)間變化時(shí)，我們就說系統(tǒng)在經(jīng)歷一個(gè)熱隨時(shí)間變化時(shí)，我們就說系統(tǒng)在經(jīng)歷一個(gè)熱力學(xué)過程，簡稱過程。力學(xué)過程，簡稱過程。 一個(gè)過程，如果任意一個(gè)過程，如果任意時(shí)刻的中間態(tài)都無限接時(shí)刻的中間

2、態(tài)都無限接近于一個(gè)平衡態(tài)，則此近于一個(gè)平衡態(tài)，則此過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程。過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程。研究對象：研究對象： 理想氣體理想氣體 平衡態(tài)平衡態(tài) 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程電源電源R電源電源R熱功當(dāng)量：熱功當(dāng)量：1卡卡=4. 18J機(jī)械能引起系統(tǒng)熱運(yùn)動狀態(tài)的變化機(jī)械能引起系統(tǒng)熱運(yùn)動狀態(tài)的變化 .宏觀運(yùn)動能量宏觀運(yùn)動能量熱運(yùn)動能量熱運(yùn)動能量 通過傳熱方式引起系統(tǒng)熱運(yùn)動通過傳熱方式引起系統(tǒng)熱運(yùn)動狀態(tài)的變化狀態(tài)的變化分子熱運(yùn)動分子熱運(yùn)動分子熱運(yùn)動分子熱運(yùn)動熱量熱量功與熱量的物理本質(zhì)不同功與熱量的物理本質(zhì)不同 .第七章第七章 熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ) 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)

3、第二定律熱力學(xué)第二定律研究對象研究對象： 理想氣體理想氣體 平衡態(tài)平衡態(tài) 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程一、熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律1 1、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第一定律 Q 外界向系統(tǒng)傳遞的熱量外界向系統(tǒng)傳遞的熱量 A 系統(tǒng)對外作的功系統(tǒng)對外作的功 E 系統(tǒng)的內(nèi)能的增量系統(tǒng)的內(nèi)能的增量 （dQ = dA + dE）Q =A + E注意：注意： 1 1）能量轉(zhuǎn)換和守恒定律能量轉(zhuǎn)換和守恒定律 .第一類永動機(jī)是不可能制第一類永動機(jī)是不可能制成成3）吸熱吸熱 Q0 0，放熱放熱 Q0 0。 對外作功對外作功 A0 0，外界對系統(tǒng)作功外界對系統(tǒng)作功A0 0 內(nèi)能增量內(nèi)能增量E =E末末- -E初初2）實(shí)

4、驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對任何系統(tǒng)、任何過程均適用實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對任何系統(tǒng)、任何過程均適用 例例 右圖活塞與汽缸無摩擦，氣體右圖活塞與汽缸無摩擦，氣體作準(zhǔn)靜態(tài)膨脹或壓縮。作準(zhǔn)靜態(tài)膨脹或壓縮。 活塞移動微小位移活塞移動微小位移d dl時(shí)，時(shí)，系統(tǒng)對外界所作的元功為系統(tǒng)對外界所作的元功為lFddA PdVdAA21VVA= PdVdlP2 2、理想氣體、理想氣體E、Q、A的計(jì)算：的計(jì)算：PdV1212TTR2iMmEEE-lPSd系統(tǒng)吸收的熱量系統(tǒng)吸收的熱量dTdQC 摩爾熱容摩爾熱容C 1 1摩爾物質(zhì)溫度升高（或降低）摩爾物質(zhì)溫度升高（或降低）一度所吸收（或放出）的熱量。一度所吸收（或放出）的熱量。若從外界

5、吸收熱量若從外界吸收熱量 dQ ， 溫度升高溫度升高 dTdT1）物質(zhì)有關(guān)）物質(zhì)有關(guān) 2）過程有關(guān)）過程有關(guān))TT(CQ12-若氣體的摩爾數(shù)為若氣體的摩爾數(shù)為 ，氣體的溫度，氣體的溫度T1T2氣體氣體吸收的熱量吸收的熱量TT12pVoab.等體（等容）摩爾熱容：（等體（等容）摩爾熱容：（1mol物質(zhì)）物質(zhì)）RdT2idEdQR2idTdQCV0dA0dV等壓摩爾熱容：（等壓摩爾熱容：（1mol物質(zhì)）物質(zhì)）12p21o.VVV dAdEdQdQ = dA + dEPdVRdT2i等壓摩爾熱容：（等壓摩爾熱容：（1mol物質(zhì)）物質(zhì)）12p21o.VVVPdVRdT2idAdEdQ RTPV RCR

6、) 12i(dTdQCVp摩爾熱容比：摩爾熱容比：i2iCCvP67. 135單原子分子：單原子分子：觀察觀察P252 圖圖7-5 表表7-1RdTVdPPdVRdTPdV 0RdTRdT2idQ 二、二、理想氣體理想氣體常見的常見的等值過程等值過程1 1、等體過程（、等體過程（isochoric processisochoric process）TT12pVoab.0dA0dV特點(diǎn)：特點(diǎn)：12VTTCMmEQ-過程方程過程方程 ：2、等壓過程、等壓過程（isobaric process）熱源熱源pQ12p21o.VVV特點(diǎn)：特點(diǎn)：0dP 12VVPA-12VTTCMmE-過程方程過程方程 P

7、=CCV 12PTTCMmQ-pV1122ppI II.oVV恒溫大熱源恒溫大熱源TTQ3 3、等溫過程（、等溫過程（isothermal process ）特點(diǎn)特點(diǎn)： E=0功和熱量：功和熱量：Q=A2V1VPdVA)VPVP(221121PPlnRT過程方程：過程方程：PV= RT=常量常量P-V圖一條雙曲線，稱為等溫線圖一條雙曲線，稱為等溫線)RTMmPV(21VVVdVRTMmEAQ12VVlnRTMm絕熱套絕熱套4 4、絕熱過程、絕熱過程（adiabatic process）特點(diǎn)特點(diǎn)：dQ=0 0EA12VTTCMmEA- TCMmVPVdd-TRMmVdPVPddRCCVpVdPC

8、PdV)RC(VV-消去消去dTdT絕絕 熱熱 方方 程程 cTV1-cPV 1cTp-),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo0Q0VPPdVd分離變量得分離變量得CPV2121VV11VVVdVVPPdVA1VPVP2211-絕熱線和等溫線絕熱線和等溫線:絕熱過程曲線的斜率等溫過程曲線的斜率0ddpVVp0dd1-pVVpVAAaVpVp-)dd(AATVpVp-)dd( 絕熱線的斜率大于等溫線的斜率.pV常量pV常量ApBVAVApVoT0QVapTpBC常量第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用2、常見過程、常見過程等容過程等容過程 dV=0 等壓過程等壓過程 d

9、P=0等溫過程等溫過程 dT=0 絕熱過程絕熱過程 dQ=0CPVCPV 等容過程等容過程等溫過程等溫過程絕熱過程絕熱過程等壓過程等壓過程0PV CPV1PCV多方過程多方過程 （n為多方指數(shù)）為多方指數(shù)）CPVnn = 1n = n = 0n = 氣體內(nèi)進(jìn)行的實(shí)際過程氣體內(nèi)進(jìn)行的實(shí)際過程 一般情況一般情況可以多方指數(shù)可以多方指數(shù)為為1 n 多方多方過程近似代表。過程近似代表。例例1 1：0.020.02kg的氦氣（視為理想氣體），溫度由的氦氣（視為理想氣體），溫度由1717升升為為2727，若在升溫過程中，（，若在升溫過程中，（1 1）體積不變；（）體積不變；（2 2）壓）壓強(qiáng)不變；（強(qiáng)不變

10、；（3 3）不與外界交換熱量。）不與外界交換熱量。試分別求出氣體內(nèi)能的改變、吸收的熱量、外界對氣體試分別求出氣體內(nèi)能的改變、吸收的熱量、外界對氣體所作的功。所作的功。解：解：He單原子分子單原子分子 i=3EQ; 0A )TT(CMmQ12p-（2）P=C)TT(R2iMm12-（1）V=C)TT(R22iMm12-J1004. 13)TT(CMmE12v-J6231031. 823004. 002. 0)TT(CMmE12v-解：解：He單原子分子單原子分子 i=3EQ; 0A )TT(CMmQ12p-（2）P=CJ417EQA-（3）Q=0J623E J417AA-外J623EAA- 外)

11、TT(R2iMm12-（1）V=C)TT(R22iMm12-)TT(CMmE12v-J6231031. 823004. 002. 0J1004. 131 1、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第一定律 ( (first law of first law of thermodynamics)thermodynamics)Q =A + E EQ外界向系統(tǒng)傳遞的熱量外界向系統(tǒng)傳遞的熱量 （吸熱（吸熱Q0，放熱放熱Q0）A系統(tǒng)對外作的功系統(tǒng)對外作的功 （對外作功（對外作功 A0，外界對系統(tǒng)作功外界對系統(tǒng)作功A0）E系統(tǒng)的內(nèi)能的增量系統(tǒng)的內(nèi)能的增量 E=E末末- -E初初21VVPdVA)TT(CQ12-1212T

12、TR2iMmEEE-PdVdA CdTdQRdT2idE 例例1 、p249 7-1一系統(tǒng)如圖所示，由一系統(tǒng)如圖所示，由a沿沿abc到達(dá)到達(dá)c有有350J的熱量傳入系統(tǒng)，系統(tǒng)對外作功的熱量傳入系統(tǒng)，系統(tǒng)對外作功126J。1）若沿若沿adc時(shí)，系統(tǒng)作功時(shí)，系統(tǒng)作功42J，系統(tǒng)吸收多少熱量？系統(tǒng)吸收多少熱量？2）當(dāng)系統(tǒng)由）當(dāng)系統(tǒng)由c沿曲線沿曲線ca返回返回a時(shí)，外界對系統(tǒng)作功時(shí)，外界對系統(tǒng)作功84J，系統(tǒng)是吸熱還是放熱？系統(tǒng)是吸熱還是放熱？3）若）若 Ead=40J，試求沿試求沿ad及及dc過程過程各吸收熱量多少各吸收熱量多少？acbdPV解：解：1）acabcabcEAQJ224126350AQ

13、Eabcabcac-acadcadcEAQJ266224422）caEcacaAQJ30822484-ab cdPV2）3）adadcAAJ824042EAQadadadJ18482266QQQadadcdc-系統(tǒng)放熱系統(tǒng)放熱caEcacaAQJ30822484-例例2：單單mol理想氣體，已知理想氣體，已知P-V曲線，求曲線，求A-B過程中的過程中的Q和和C解：解：P=kV A（P1V1）B（P2V2）VP12TTR23E-1122VPVP2EAQ-dTdQCmol n= - -1RTPV 1122VPVP23-1212VVPP21Aor- 2121VVVVkVdVPdVA1122VPVP2

14、1-RdT23PdVdEdAdQ kdVdPkVP RdTVdPPdVRTPVkVdVPdV R2dTdQCmol RdT2dEdAdQ RdT21PdV RdTPdV2三三、熱力學(xué)循環(huán)（、熱力學(xué)循環(huán)（thermodynamic cycle） 1、循環(huán)過程、循環(huán)過程熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)經(jīng)過一系列不同的熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)經(jīng)過一系列不同的過程又回到初始狀態(tài)。過程又回到初始狀態(tài)。 2、兩種循環(huán)：、兩種循環(huán)： 正循環(huán)：順時(shí)針方向變化正循環(huán)：順時(shí)針方向變化 A凈凈0 （蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)）（蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)） 逆循環(huán)：反時(shí)針方向變化逆循環(huán)：反時(shí)針方向變化 A凈凈=Q吸吸 - Q放放 0 （家用冰箱、致冷裝置）（家用

15、冰箱、致冷裝置）abVP 特點(diǎn)：特點(diǎn)： E=0； Q吸吸- Q放放 = Q凈凈 = A凈凈熱機(jī)熱機(jī)持續(xù)不斷地將熱轉(zhuǎn)換為功的裝置。持續(xù)不斷地將熱轉(zhuǎn)換為功的裝置。工質(zhì)工質(zhì)在熱機(jī)中參與熱功轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。在熱機(jī)中參與熱功轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。發(fā)電廠蒸汽動力循環(huán)示意圖發(fā)電廠蒸汽動力循環(huán)示意圖AQ QQ Q12高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞C(jī)工作示意圖熱機(jī)工作示意圖550C0過過熱熱器器鍋鍋爐爐給水泵給水泵冷凝器冷凝器冷冷卻卻水水氣氣輪輪機(jī)機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)Q QQ Q12A20C0高溫高壓蒸汽高溫高壓蒸汽12A高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤Q( (冷凍室冷凍室) )( (周圍環(huán)境周圍環(huán)境) )散熱器散熱

16、器冷凍室冷凍室蒸發(fā)器蒸發(fā)器節(jié)節(jié)流流閥閥儲儲液液器器壓壓縮縮機(jī)機(jī)200C10atm3atm700C100C2QQ1氟氟利利昂昂3、性能指標(biāo)、性能指標(biāo)吸放吸QQ1QA-吸放吸吸QQQAQ-T1T2Q吸吸Q放放AT1T2AQ吸吸Q放放高溫高溫低溫低溫 致冷系數(shù)致冷系數(shù)熱機(jī)效率熱機(jī)效率 例例1、1mol單原子分子的單原子分子的理想氣體，經(jīng)歷如圖所示的理想氣體，經(jīng)歷如圖所示的可逆循環(huán)，聯(lián)結(jié)可逆循環(huán)，聯(lián)結(jié)ac兩點(diǎn)的曲兩點(diǎn)的曲線線的方程為的方程為 ，a點(diǎn)的溫度為點(diǎn)的溫度為T0。1）試以）試以T0、R表示表示、過程中氣體吸收的熱量過程中氣體吸收的熱量;2）求此循環(huán)的效率）求此循環(huán)的效率;3) 凈功凈功.III

17、IIa(P0V0T0)9P0PV分析：分析：bc2200VVPP abvITTCQ-bcPIITTCQ-caVIIITTCAQ-IIIIIa(P0V0T0)9P0PVbcabvITTCQ-bcPIITTCQ-EAIIIQ解：解：0bb 000T9TTP9TPRTMmPV RMmTPV0cc00000T27TTV3P9TVP0c2c0200V3VVP9VP000RT12TT9R23-000RT45T9T27R25-00VV32200T27TR23dVVVP00-cavVVTTCPdVac-0RT7 .47-IIIIIa(P0V0T0)9P0PVbcIIIIIIQQQ1-（2）（3）凈凈QA000

18、0RT3 . 9RT7 .47RT45RT12-% 3 .16IIIIIIQQQ期末通知期末通知一、考試時(shí)間：一、考試時(shí)間： 6月月29日日 （周四）下午（周四）下午 1：303：30二、答疑時(shí)間：二、答疑時(shí)間： 6月月28日日 （周三）下午（周三）下午 1：30 4：30 晚上晚上 6：30 9：00 6月月29日日 （周四）上午（周四）上午 8：3010：00 地點(diǎn)地點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)二樓實(shí)驗(yàn)二樓105室室 三、一頁開卷的說明：三、一頁開卷的說明： （1）只能用本紙）只能用本紙 （2）只能手寫，不能打印和復(fù)印。）只能手寫，不能打印和復(fù)印。目的：希望同學(xué)們能自己對課程做個(gè)總結(jié)目的：希望同學(xué)們能自己對課

19、程做個(gè)總結(jié)技術(shù)上的循環(huán)：技術(shù)上的循環(huán)：四沖程四沖程奧托奧托(Otto)循環(huán)循環(huán)VVVpabcde0o1.1.吸氣吸氣 ab 等壓等壓2. 壓縮壓縮 bc 絕熱絕熱3.3.爆炸作功爆炸作功 cd 爆炸爆炸 等容等容de 作功作功 絕熱絕熱4.4.排氣排氣 eb eb 等容等容VVVp簡化后簡化后bde0coababa 等壓等壓VVVpdbe0ca吸吸氣氣oVVVdbe0ca吸吸氣氣poVVVdbe0ca吸吸氣氣poVVVdbe0ca吸吸氣氣poVVVdbe0ca吸吸氣氣poVVVdbe0ca吸吸氣氣poVVVdbe0ca吸吸氣氣poVVVdbe0ca吸吸氣氣poVVVdbe0ca吸吸氣氣poVV

20、Vdbe0ca吸吸氣氣poVVVdbe0ca壓壓縮縮poVVVdbe0ca壓壓縮縮poVVVdbe0ca壓壓縮縮poVVVdbe0ca爆爆炸炸poVVVdbe0ca作作功功poVVVdbe0ca作作功功poVVVdbe0ca作作功功poVVVdbe0ca作作功功poVVVdbe0ca作作功功poVVVdbe0ca作作功功poVVVdbe0ca排排氣氣poVVVdbe0ca排排氣氣po技術(shù)上的循環(huán)：技術(shù)上的循環(huán)：四沖程四沖程奧托奧托(Otto)循環(huán)循環(huán)VVp簡化后簡化后bde0coacdvcdTTCQ-ebvebTTCQ-cdebQQ1-cdbeTTTT1-b1c10TVTV-e1d10TVTV

21、-10cdbe)VV(TTTT-10)VV(1-1r11-壓縮比壓縮比0VVr 絕絕 熱熱 方方 程程cTV-1 cpV 1cTp-熱機(jī)發(fā)展簡介熱機(jī)發(fā)展簡介 1698年薩維利和年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了年紐可門先后發(fā)明了蒸蒸汽機(jī)汽機(jī) ，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率極低，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率極低 . 550C0過過熱熱器器鍋鍋爐爐給水泵給水泵冷凝器冷凝器冷冷卻卻水水氣氣輪輪機(jī)機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)Q QQ Q12A20C0高溫高壓蒸汽高溫高壓蒸汽 1765年瓦特年瓦特進(jìn)行了重大改進(jìn)行了重大改進(jìn)進(jìn) ，提高效率，提高效率 34倍倍. 吸QA吸QA 判斷循環(huán)的效率，判斷循環(huán)的效率，abda和和bcdbV0a2V02

22、P0P0bcdVop2T1T12341p2p4p3p1V4V2V3V21TT 1824 年法國的年青工程師卡諾提出一個(gè)工作年法國的年青工程師卡諾提出一個(gè)工作在在兩兩熱源之間的熱源之間的理想理想循環(huán)循環(huán)卡諾卡諾循環(huán)循環(huán). 給出了熱機(jī)給出了熱機(jī)效率的理論極限值效率的理論極限值; 他還提出了著名的卡諾定理他還提出了著名的卡諾定理.4、卡諾循環(huán)（、卡諾循環(huán)（Carnot cycle）卡諾循環(huán)：卡諾循環(huán)： 兩個(gè)絕熱過程；兩個(gè)絕熱過程； 兩個(gè)等溫過程兩個(gè)等溫過程T1T2Q吸吸Q放放A高溫高溫低溫低溫1 12 2： T T1 1等溫膨脹等溫膨脹( (吸熱吸熱) ) 1211VVlnRTQ2 23 3：絕熱膨

23、脹：絕熱膨脹 Q=03 34 4：T T2 2等溫壓縮等溫壓縮( (放熱放熱) )3422VVlnRTQ4 41 1：絕熱壓縮：絕熱壓縮 Q=0121QQ1QA-效率效率: :Vop2T1T12341p2p4p3p1V4V2V3V21TT 121342VVlnTVVlnT1-1243VVVV 12TT1-121432VVlnTVVlnT1-111414TVTV-考慮到考慮到 T1=T2 T3=T4卡諾循環(huán)的效率卡諾循環(huán)的效率絕絕 熱熱 方方 程程cTV-1 cpV 1cTp-Vop2T1T12341p2p4p3p1V4V2V3V21TT 212313TVTV-只與只與T1和和T2有關(guān)有關(guān), ,與物質(zhì)種類、膨脹的體積無關(guān)與物質(zhì)種類、膨脹的體積無關(guān)21TT提高提高提高高溫?zé)嵩吹臏囟痊F(xiàn)實(shí)些提高高溫?zé)嵩吹臏囟痊F(xiàn)實(shí)些2 ) 2 ) 理論指導(dǎo)作用理論指導(dǎo)作用 1 )1 )卡諾熱機(jī)效率卡諾熱機(jī)效率12TT1-3)3)理論說明低溫?zé)嵩礈囟壤碚撜f明低溫?zé)嵩礈囟萒2 0, , 說明熱機(jī)效率說明熱機(jī)效率11熱機(jī)循環(huán)不向低溫?zé)嵩捶艧崾遣豢赡艿臒釞C(jī)循環(huán)不向低溫?zé)嵩捶艧崾遣豢赡艿臒釞C(jī)循環(huán)至少需要兩個(gè)熱源熱機(jī)循環(huán)至少需要兩個(gè)熱源卡諾制冷循環(huán)的制冷系數(shù)卡諾制冷循環(huán)的制冷系數(shù) 吸放吸吸QQQAQ-T1T2Q1Q2