Chapter-6-熱力學(xué)基礎(chǔ)課件

1、熱力學(xué)基礎(chǔ)1 當(dāng)一個科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自然界的結(jié)構(gòu)有這么多不可思議的奧妙，他會有一個觸及靈魂的震動。而這個時候的感覺，我想是和最真誠的宗教信仰很接近的。 楊振寧2結(jié)構(gòu)框圖熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能變化的兩種量度功熱量熱力學(xué) 第一定律熱力學(xué) 第二定律等值過程絕熱過程循環(huán)過程卡諾循環(huán)應(yīng)用（理想氣體）（對熱機(jī)效率的研究）31)微觀理論統(tǒng)計物理物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)粒子的熱運動統(tǒng)計方法平均效果確定宏觀量與微觀量的聯(lián)系，描述熱現(xiàn)象的規(guī)律和本質(zhì)由基本假設(shè)構(gòu)造性理論熱學(xué)發(fā)展歷史的兩大特征：技術(shù)物理技術(shù)模式兩種研究方法兩種理論2)宏觀理論熱力學(xué)歸納觀測實驗熱現(xiàn)象基本定律，宏觀過程進(jìn)行的方向和限度，不涉及微觀本質(zhì)永動機(jī)是不可能成功的自然

2、遵循什么法則由現(xiàn)象出發(fā)原理性理論43)相互關(guān)系：互相補(bǔ)充，相輔相成統(tǒng)計物理熱力學(xué)宏觀理論，基本結(jié)論來自實驗事實，普遍可靠，但不能解釋其本質(zhì)微觀理論，揭示熱現(xiàn)象本質(zhì)驗證解釋熱力學(xué)第一定律的創(chuàng)始人熱力學(xué)第二定律的創(chuàng)始人5大量粒子組成的宏觀、有限的體系稱為熱力學(xué)系統(tǒng)。與其比鄰的環(huán)境稱為外界。與外界有 E 交換，無 m 交換開放系統(tǒng)： 封閉系統(tǒng)：孤立系統(tǒng)：與外界有 m、E 交換與外界無 E、m 交換絕熱開放系統(tǒng) 封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)6一 準(zhǔn)靜態(tài)過程（理想化的過程） 從一個平衡態(tài)到另一平衡態(tài)所經(jīng)過的每一中間狀態(tài)均可近似當(dāng)作平衡態(tài)的過程 .氣體活塞砂子127二 功（過程量） 1 功是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的量度，它引

3、起系統(tǒng)熱運動狀態(tài)的變化.2 準(zhǔn)靜態(tài)過程功的計算8注意： 作功與過程有關(guān) .9P - V 圖上過程曲線下的面積系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功循環(huán)過程的功三 熱 量（過程量） 通過傳熱方式傳遞能量的量度，系統(tǒng)和外界之間存在溫差而發(fā)生的能量傳遞 .11系統(tǒng)比熱的定義摩爾熱容定壓和定容摩爾熱容系統(tǒng)溫度變化吸收和放出的熱量12（1）都是過程量：與過程有關(guān)； （3）功與熱量的物理本質(zhì)不同 .1 cal = 4.18 J ， 1 J = 0.24 cal功與熱量的異同（2）等效性：改變系統(tǒng)熱運動狀態(tài)作用相同； 13作機(jī)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14 實驗證明系統(tǒng)從狀態(tài)A 變化到

4、狀態(tài)B，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.四 內(nèi)能 （狀態(tài)量）152AB1*2AB1*16 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) .17 系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)的初態(tài)和末態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關(guān) .2AB1*2AB1*18熱力學(xué)理論19一 熱力學(xué)第一定律 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 .12*20準(zhǔn)靜態(tài)過程微變過程21+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22（1）能量轉(zhuǎn)換和守恒定律. 第一類永動機(jī)是不可能制成的.（2

5、）實驗經(jīng)驗總結(jié)，自然界的普遍規(guī)律.物理意義23 計算各等值過程的熱量、功和內(nèi)能的理論基礎(chǔ).（1）（理想氣體的共性）（2）解決過程中能量轉(zhuǎn)換的問題24（3）（理想氣體的狀態(tài)函數(shù)） （4） 各等值過程的特性 .25熱力學(xué)第一定律對理想氣體在準(zhǔn)靜態(tài)過程中的應(yīng)用26一 等體過程 摩爾定體熱容由熱力學(xué)第一定律特性 常量過程方程 常量27單位 摩爾定體熱容: 理想氣體在等體過程中吸收熱量 ，使溫度升高 ，其摩爾定體熱容為:28由熱力學(xué)第一定律理想氣體29 等體升壓 12 等體降壓 123012二 等壓過程 摩爾定壓熱容過程方程 常量由熱力學(xué)第一定律特性 常量 功W31 摩爾定壓熱容: 理想氣體在等壓過程中

6、吸收熱量 ，溫度升高 ，其摩爾定壓熱容為：32 可得摩爾定壓熱容和摩爾定體熱容的關(guān)系 摩爾熱容比 33泊松比34補(bǔ)充 *理想氣體等容摩爾熱容 *理想氣體等壓摩爾熱容邁耶公式剛性單原子剛性雙原子剛性多原子三個量：3512W等 壓 膨 脹 W W12W等 壓 壓 縮36* 比熱容熱容比熱容37三 等溫過程由熱力學(xué)第一定律恒溫?zé)嵩碩12特征 常量過程方程常量383912等溫膨脹W12W等溫壓縮 W W4012四 絕熱過程與外界無熱量交換的過程特征由熱力學(xué)第一定律絕熱的汽缸壁和活塞41由熱力學(xué)第一定律有12W42若已知 及由 可得43 絕熱過程做功 絕熱過程方程的推導(dǎo)1244分離變量得絕 熱 方 程常

7、量常量常量常量4512W絕熱膨脹12W絕熱壓縮 W W46五 絕熱線和等溫線絕熱過程曲線的斜率常量47 絕熱線的斜率大于等溫線的斜率.等溫過程曲線的斜率常量ABC常量48 例1 設(shè)有 5 mol 的氫氣，最初溫度 ，壓強(qiáng) ，求下列過程中把氫氣壓縮為原體積的 1/10 需作的功: （1）等溫過程（2）絕熱過程 （3）經(jīng)這兩過程后，氣體的壓強(qiáng)各為多少？12常量49 解 （1）等溫過程（2）氫氣為雙原子氣體由表查得 ，有 已知： 12常量50（3）對等溫過程對絕熱過程， 有12常量51 例2 一汽缸內(nèi)有一定的水，缸壁由良導(dǎo)熱材料制成. 作用于活塞上的壓強(qiáng) 摩擦不計. 開始時，活塞與水面接觸. 若環(huán)境

8、 (熱源) 溫度非常緩慢地升高到 . 求把單位質(zhì)量的水汽化為水蒸氣，內(nèi)能改變多少？已知 汽化熱密度52解 水汽化所需的熱量水汽化后體積膨脹為水水蒸氣 熱源535455循環(huán)過程 熱機(jī)發(fā)展簡介 1698年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了蒸氣機(jī) ，當(dāng)時蒸氣機(jī)的效率極低 . 1765年瓦特進(jìn)行了重大改進(jìn) ，大大提高了效率 . 人們一直在為提高熱機(jī)的效率而努力，從理論上研究熱機(jī)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(xué)理論的發(fā)展 .56各種熱機(jī)的效率液體燃料火箭柴油機(jī)汽油機(jī)蒸氣機(jī)57熱機(jī) : 持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器 .58冰箱循環(huán)示意圖59 系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化狀態(tài)過程后，又回到

9、原來的狀態(tài)的過程叫熱力學(xué)循環(huán)過程 .由熱力學(xué)第一定律特征一 循環(huán)過程AB60凈功總吸熱二 熱機(jī)效率和致冷機(jī)的致冷系數(shù)熱機(jī)（正循環(huán)）致冷機(jī)（逆循環(huán)）凈吸熱總放熱（取絕對值）2Q61熱機(jī)熱機(jī)效率高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碅B62致冷機(jī)致冷系數(shù)致冷機(jī)高溫?zé)嵩碅B低溫?zé)嵩?3 例 1 汽油機(jī)可近似看成如圖循環(huán)過程(Otto循環(huán))，其中AB和CD為絕熱過程，求此循環(huán)效率.解吸放CDBApV1V2o64又BC和DA是絕熱過程：所以V吸放CDBApV1V2o6566“為了最完整地研究由熱得到動力的道理，必須不依賴于任何特定機(jī)構(gòu)和任何特殊的工作物質(zhì)，必須使所進(jìn)行的討論不僅適合于蒸汽機(jī)，而且可以應(yīng)用于一切可以想象的熱機(jī)，

10、不管它們用的什么物質(zhì)，也不管它們?nèi)绾蝿幼鳌?卡諾三 卡諾循環(huán) 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). 給出了熱機(jī)效率的理論極限值； 他還提出了著名的卡諾定理.67循環(huán)過程的理想模型卡諾循環(huán)PV0PV0是否最簡單？思考：試設(shè)想最簡單的循環(huán)模型怎樣才簡單？ 熱源最少。要無窮多個熱源才能得以實現(xiàn)，循環(huán)圖形的外形簡單，實際過程復(fù)雜。等溫線等溫線卡諾循環(huán)：卡諾正循環(huán)卡諾逆循環(huán)1）與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q能量2）不與其它熱源交換能量兩個等溫過程兩個絕熱過程 卡諾循環(huán)是由兩個準(zhǔn)靜態(tài)等溫過程和兩個準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程組成 .卡諾熱機(jī)WABCD低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩121TT70 理

11、想氣體卡諾循環(huán)熱機(jī)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)WABCD71特點簡單：只需要兩個熱源重要：可以組成任何一種循環(huán)A B 等溫膨脹吸熱C D 等溫壓縮放熱WABCD73 D A 絕熱過程B C 絕熱過程 所以WABCD74 卡諾熱機(jī)效率 卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩個熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高 . 75WABCD高溫?zé)嵩碩1卡諾致冷機(jī) 卡諾致冷機(jī)（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)低溫?zé)嵩碩276 圖中兩卡諾循環(huán) 嗎 ？討 論77 例2 一電冰箱放在室溫為 的房 間里 ，冰箱儲藏柜中的溫度維持在 . 現(xiàn)每天

12、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(shè)在 至 之間運轉(zhuǎn)的冰箱的致冷系數(shù)是卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)的 55% .解78房間傳入冰箱的熱量 熱平衡時由 得79保持冰箱在 至 之間運轉(zhuǎn)，每天需作功 功率80實際技術(shù)中的典型循環(huán)汽油機(jī)：奧托循環(huán)等體升壓柴油機(jī)： 狄塞爾循環(huán)兩個絕熱過程，一個等壓過程，一個等體過程斯特林循環(huán) （多用于致冷機(jī)）兩個等溫過程兩個等體過程84熱力學(xué)第二定律 第二定律的提出 1 功熱轉(zhuǎn)換的條件，第一定律無法說明. 2 熱傳導(dǎo)的方向性、氣體自由膨脹的不可逆性問題，第一定律無法說明.85 1 開爾文說法 不可能制造出這樣一種

13、循環(huán)工作的熱機(jī)，它只使單一熱源冷卻來做功，而不放出熱量給其它物體，或者說不使外界發(fā)生任何變化 . 一 熱力學(xué)第二定律的兩種表述 86 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，但它是非循環(huán)過程.12W W87低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)WABCD 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.88 永 動 機(jī) 的 設(shè) 想 圖89 2 克勞修斯說法 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 .90 雖然卡諾致冷機(jī)能把熱量從低溫物體移至高溫物體，但需外界作功且使環(huán)境發(fā)生變化 .高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯ㄖZ致冷機(jī)WABCD91注 意 1 熱力學(xué)第二定律是大量實驗和經(jīng)驗的總結(jié)

14、. 3 熱力學(xué)第二定律可有多種說法，每種說法都反映了自然界過程進(jìn)行的方向性 . 2 熱力學(xué)第二定律開爾文說法與克勞修斯說法具有等效性 .92 可逆過程 : 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，如果逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài)，而且不引起其它變化，這樣的過程叫做可逆過程 .二 可逆過程與不可逆過程準(zhǔn)靜態(tài)無摩擦過程為可逆過程93 不可逆過程：在不引起其它變化的條件下，不能使逆過程重復(fù)正過程的每一狀態(tài)，或者雖能重復(fù)但必然會引起其它變化，這樣的過程叫做不可逆過程.非準(zhǔn)靜態(tài)過程為不可逆過程.94 準(zhǔn)靜態(tài)過程（無限緩慢的過程），且無摩擦力、粘滯力或其它耗散力作功，無能量耗散的過程 . 可逆過程的條件95非自發(fā)傳熱自發(fā)傳

15、熱高溫物體低溫物體 熱傳導(dǎo) 熱功轉(zhuǎn)換完全功不完全熱 自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的 . 熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)無序有序自發(fā)非均勻、非平衡均勻、平衡自發(fā)96 (1) 在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的任意工作物質(zhì)的可逆機(jī)都具有相同的效率 . 三 卡諾定理 (2) 工作在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g的一切不可逆機(jī)的效率都不可能大于可逆機(jī)的效率 .97以卡諾機(jī)為例，有( 不可逆機(jī) )（可逆機(jī)）9899熵可逆卡諾機(jī)一 熵如何判斷孤立系統(tǒng)中過程進(jìn)行的方向？1 熵概念的引入100 結(jié)論 ：可逆卡諾循環(huán)中，熱溫比總和為零 .熱溫比 等溫過程中吸收或放出的熱量與熱源溫度之比 . 任意的可逆循環(huán)

16、可視為由許多可逆卡諾循環(huán)所組成.101一微小可逆卡諾循環(huán)對所有微小循環(huán)求和時，則 結(jié)論 : 對任一可逆循環(huán)過程，熱溫比之和為零 .1022 熵是態(tài)函數(shù) 可逆過程 ABCD可逆過程103 在可逆過程中，系統(tǒng)從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B ，其熱溫比的積分只決定于初末狀態(tài)而與過程無關(guān). 可知熱溫比的積分是一態(tài)函數(shù)的增量，此態(tài)函數(shù)稱為熵(符號為S）. 熱力學(xué)系統(tǒng)從初態(tài) A 變化到末態(tài) B ，系統(tǒng)熵的增量等于初態(tài) A 和末態(tài) B 之間任意一可逆過程熱溫比（ ）的積分.物理意義104無限小可逆過程 熵的單位 可逆過程 105二 熵變的計算 （1）熵是態(tài)函數(shù)，與過程無關(guān). 因此, 可在兩平衡態(tài)之間假設(shè)任一可逆過程，

17、從而可計算熵變 . （2）當(dāng)系統(tǒng)分為幾個部分時， 各部分的熵變之和等于系統(tǒng)的熵變 .106 例1 計算不同溫度液體混合后的熵變 . 質(zhì)量為0.30 kg、溫度為 的水，與質(zhì)量為 0.70 kg、 溫度為 的水混合后，最后達(dá)到平衡狀態(tài). 試求水的熵變. 設(shè)整個系統(tǒng)與外界間無能量傳遞 . 解 系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)，混合是不可逆的等壓過程. 為計算熵變，可假設(shè)一可逆等壓混合過程.107 設(shè)平衡時水溫為 ，水的定壓比熱容為由能量守恒得108各部分熱水的熵變109絕熱壁例2 求熱傳導(dǎo)中的熵變. 設(shè)在微小時間 內(nèi)，從 A 傳到 B 的熱量為 .110 同樣，此孤立系統(tǒng)中不可逆過程熵亦是增加的 .111三 熵增加

18、原理： 孤立系統(tǒng)中的熵永不減少. 孤立系統(tǒng)不可逆過程孤立系統(tǒng)可逆過程 孤立系統(tǒng)中的可逆過程，其熵不變；孤立系統(tǒng)中的不可逆過程，其熵要增加 .112平衡態(tài) A平衡態(tài) B （熵不變）可逆過程非平衡態(tài)平衡態(tài)（熵增加） 不可逆過程自發(fā)過程 熵增加原理成立的條件: 孤立系統(tǒng)或絕熱過程. 熵增加原理的應(yīng)用 ：給出自發(fā)過程進(jìn)行方向的判據(jù) .113 熱力學(xué)第二定律亦可表述為 ：一切自發(fā)過程總是向著熵增加的方向進(jìn)行 .四 熵增加原理與熱力學(xué)第二定律114 證明 理想氣體絕熱自由膨脹過程是不可逆的 .115 在態(tài)1和態(tài)2之間假設(shè)一可逆等溫膨脹過程不可逆12116無序有序熱功轉(zhuǎn)換完全功不完全熱 熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)：自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的 .一 熵與無序117補(bǔ)充：非自發(fā)傳熱自發(fā)傳熱高溫物體低溫物體熱傳導(dǎo)非均勻、非平衡均勻、平衡擴(kuò)散過