物理學(xué)PPT課件-熱力學(xué)基礎(chǔ)

1、物理學(xué)第四章 熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)：研究物質(zhì)熱現(xiàn)象的宏觀理論化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行取決于熱力學(xué)第一定律和第二定律應(yīng)用：化學(xué)反應(yīng)、中藥四性2.準(zhǔn)靜態(tài)：無限接近平衡態(tài)的狀態(tài)一. 熱力學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)過程非靜態(tài)過程所有中間狀態(tài)均為準(zhǔn)靜態(tài)的過程經(jīng)歷一系列非平衡態(tài)的過程第一節(jié) 熱力學(xué)的一些基本概念3.過程的種類二. 平衡態(tài)三. 準(zhǔn)靜態(tài)平衡過程1.過程：系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間變化 (初態(tài)末態(tài))VpABC4.補(bǔ)充：狀態(tài)圖為了形象地描寫系統(tǒng)的狀態(tài)和過程，引入狀態(tài)圖，常見的是PV圖?？梢姕?zhǔn)靜態(tài)過程較容易處理，后面所提到的過程均指準(zhǔn)靜態(tài)過程。平衡態(tài)點(diǎn)準(zhǔn)靜態(tài)過程曲線1. 功dA =fdl（體積功）dl=pdV= pSdl系統(tǒng)壓縮： dV

2、0， dA 0 系統(tǒng)膨脹： dV0 ， dA 0 系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功一. 功、熱量和內(nèi)能Sp第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律體積功等于過程曲線所圍的曲邊梯形面積pV12OV1V2ab狀態(tài)參量 (函數(shù))：由狀態(tài) (點(diǎn)) 決定過程量：由過程 (曲線) 決定熱力學(xué)量功是過程量2. 熱量熱量是過程量熱量：傳熱過程中所傳遞的能量熱量：熱運(yùn)動(dòng)傳遞的能量（不規(guī)則運(yùn)動(dòng)）功： 機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞的能量（規(guī)則運(yùn)動(dòng)）系統(tǒng)吸熱，Q為正值系統(tǒng)放熱，Q為負(fù)值規(guī)定12ba粗糙光滑斜面大量實(shí)驗(yàn)表明：（Q A）與過程無關(guān)，只決定于系統(tǒng)的初態(tài)和末態(tài)。過程bQb、Ab狀態(tài)1狀態(tài)2過程aQa、Aa3. 內(nèi)能定義（ Q - A）為內(nèi)能增量：

3、DE = E2 - E1 = Q - A內(nèi)能：狀態(tài)量熱量：過程量功：過程量選定零點(diǎn)后，由DE即可確定狀態(tài)的內(nèi)能E。內(nèi)能是狀態(tài)量二. 熱力學(xué)第一定律 1842年，德國(guó)醫(yī)生Mayer提出熱力學(xué)第一定律或 Q = DE ADE =Q A本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換及守恒定律A：向外為正，向內(nèi)為負(fù)Q：向內(nèi)為正，向外為負(fù)符號(hào)DE：增加為正，減少為負(fù)DE =Q A總能=熱能+機(jī)械能為什么是減號(hào)?AQ對(duì)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)吸熱放熱（T1初態(tài)溫度，T2末態(tài)溫度）摩爾熱容C：?jiǎn)挝荒柕奈镔|(zhì)溫度改變1K時(shí)，所吸收或放出的熱量一. 等容過程VpA=0求理想氣體的Q、A、DE過程量CV定容摩爾熱容Q=cm(T2-T1)dA=pdV=0第三節(jié)

4、 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用比較：由DE =QA有：分子自由度越大，定容摩爾熱容越大注意僅等容過程成立(過程量)所有過程成立(狀態(tài)量)二. 等壓過程A=p(V2-V1)由 DE = Q A 有：VpV1V2Cp定壓摩爾熱容比較：Mayer公式可見CpCV，通過等壓過程吸熱以使系統(tǒng)升溫，除要改變內(nèi)能，還要做功。摩爾熱容比：1可有：等壓：Q=DE+A等容：Q=DE三.等溫過程Vpp1p2V2V1pV =恒量，故等溫線為雙曲線DE =0由由DE =QA有：等溫過程所傳遞的熱量與溫度成正比，與末初態(tài)體積比的對(duì)數(shù)成正比四. 絕熱過程定義：系統(tǒng)和環(huán)境無熱量交換的過程Q=0絕熱壓縮： A0， DE0 ，T（升溫）

5、由 DE = QA ，有：1.絕熱過程絕熱膨脹： A0， DE0 ，T （降溫）A =DERCV消去dT，得：泊松公式兩邊除以pVCV兩邊求微分2.絕熱方程VpV=CpV=Cp=CdA =dE由有：由有：絕熱?(常數(shù))熱容比3.絕熱線Vp等溫線絕熱線(g1)絕熱線比等溫線陡(相當(dāng)于g=1)例4-1.溫度為200K，壓強(qiáng)為105Pa的氮?dú)猓?jīng)絕熱壓縮使其體積變?yōu)樵瓉淼?0%，求壓縮后的壓強(qiáng)和溫度解:氮?dú)馐请p原子分子,i=5,第四節(jié) 卡諾循環(huán) 熱機(jī)效率一. 循環(huán)過程1. 循環(huán)（循環(huán)過程）系統(tǒng)經(jīng)歷一系列變化又回到初態(tài)的過程在pV圖中對(duì)應(yīng)閉合曲線2 .準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán) p VOab12 p VOAabcd3

6、. 循環(huán)的種類逆循環(huán)：pV圖中為逆時(shí)針正循環(huán)：pV圖中為順時(shí)針熱機(jī)正循環(huán)逆循環(huán)正循環(huán)：A=Aabc-|Acda|逆循環(huán)：A=Aadc-|Acba|0狀態(tài)復(fù)原，內(nèi)能不變系統(tǒng)吸熱為Q1，放熱為Q2，則凈熱Q為：系統(tǒng)在正循環(huán)過程將吸收的熱量Q1中的一部分轉(zhuǎn)化為凈功A，另一部分Q2放回給環(huán)境。Q=AQ1=A+|Q2|Q= Q1- |Q2|凈熱A= Q1- |Q2|凈功4.循環(huán)的特點(diǎn)DE0對(duì)于整個(gè)過程有：二.熱機(jī)效率物理意義：熱機(jī)對(duì)熱量的利用程度h越大，熱轉(zhuǎn)功的過程越有效，性能越高熱機(jī) ：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器效率低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碩1T2DC1.卡諾熱機(jī)卡諾循環(huán)：四個(gè)過程組成等溫膨脹、卡諾熱機(jī)：做卡

7、諾循環(huán)的熱機(jī)絕熱壓縮等溫壓縮、絕熱膨脹、Vp正循環(huán)AB氣缸理想氣體Q1Q2A= A1+ A 2+A3 +A4三. 卡諾循環(huán) 卡諾熱機(jī)效率為研究h,法國(guó)工程師卡諾提出卡諾循環(huán)AB等溫膨脹（DE=0）BC絕熱膨脹（Q=0）CD等溫壓縮（DE=0）DA絕熱壓縮（Q=0）吸熱絕熱放熱絕熱(p2,V2,T1)(p1,V1,T1)(p4,V4,T2)(p3,V3,T2)DCVpAB2.卡諾熱機(jī)的效率由絕熱方程(p2,V2,T1)(p1,V1,T1)(p4,V4,T2)(p3,V3,T2)DCVpABBC:DA:3.說明：完成一次卡諾循環(huán)必須有高溫和低溫?zé)嵩纯ㄖZ循環(huán)的效率只與兩個(gè)熱源溫度有關(guān)卡諾循環(huán)效率總是

8、小于1，即不能完全轉(zhuǎn)化 1目前條件下，最優(yōu)熱機(jī)的效率僅能達(dá)到60%。在石油危機(jī)中，如何提高效率是一個(gè)重大課題卡諾熱機(jī)效率對(duì)食物的吸收僅適用于卡諾循環(huán)用,而【例4-B 】: 設(shè)1mol理想氣體經(jīng)歷a(p1 , V1) b(2p1 , V1) c(2p1 , 2V1) d(p1 , 2V1) a(p1 , V1) 的循環(huán)，定容摩爾熱容為 CV , 求熱機(jī)效率。故ab、bc升溫吸熱，cd、da降溫放熱VV1Opab2V1p12p1cd解：A=p1V1由狀態(tài)方程：Tb=2Ta，Tc=4Ta，Td=2Ta=RTa對(duì)于氦氣：i=3吸吸放放一. 熱力學(xué)第二定律高溫低溫冰箱致冷，熱量由低溫傳到高溫，但消耗了外

9、界的能量?；夭坏皆瓚B(tài)。氣體等溫膨脹，熱完全轉(zhuǎn)為功（DE=0、Q=A），但改變了系統(tǒng)的體積?；夭坏皆瓚B(tài)。不可能不產(chǎn)生其它影響功熱(單一)不可能不產(chǎn)生其它影響1.開爾文表述：2.克勞修斯表述：第二定律反映了能量轉(zhuǎn)化的方向性第五節(jié) 熱力學(xué)第二定律第一定律反映了過程中能量轉(zhuǎn)化的大小第二定律反映了過程中能量轉(zhuǎn)化的方向功熱100%高溫低溫自動(dòng)摩擦生熱 數(shù)量守恒品質(zhì)降低不能做功的能量是無用的，低品質(zhì)的可以證明：開爾文表述與克勞修斯表述等價(jià)低品質(zhì)的能量即熱能越來越多熱能機(jī)械能t1熱能機(jī)械能t2熱能機(jī)械能t3（有序無序）二.可逆過程與不可逆過程末態(tài)初態(tài)系統(tǒng)和外界恢復(fù) 1.可逆過程:如：理想的無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程是可

10、逆過程熱功轉(zhuǎn)換是不可逆的熱傳遞是不可逆的末態(tài)初態(tài)系統(tǒng)和外界不能恢復(fù) 2.不可逆過程:根據(jù)熱力學(xué)第二定律：自然界所有的實(shí)際過程都是不可逆過程 所有與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆過程 生命在于熱運(yùn)動(dòng) 物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子總在做熱運(yùn)動(dòng) 與可逆反應(yīng)不同 在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩撮g工作的一切可逆機(jī)效率相等，與工作循環(huán)和工作物質(zhì)無關(guān)。在相同高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩撮g工作的一切不可逆機(jī)，其效率不大于可逆機(jī)。由熱力學(xué)第二定律可以證明以下結(jié)論：可逆循環(huán)取等號(hào);不可逆循環(huán)取小于號(hào)三. 卡諾定理1.可逆卡諾循環(huán) 熱溫比： 即系統(tǒng)從每個(gè)熱源吸收的熱量與相應(yīng)熱源的溫度的比值2.任意可逆循環(huán) （熵的微分等于可逆微過程的熱溫比

11、）類比閉合路徑積分A = 0存在勢(shì)能Ep閉合循環(huán)積分 = 0存在狀態(tài)量S第六節(jié) 熵 熵增加原理熱力學(xué)第一定律：DE=QA（吸熱正，外功正）二.基本定律熱力學(xué)第二定律小 結(jié)一.基本概念準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程熱機(jī)效率卡諾循環(huán)絕熱方程三.應(yīng)用特征名稱等溫過程等容過程等壓過程絕熱過程T=恒量V=恒量p=恒量Q=0DEAQ摩爾熱容0005.5 熵1.可逆卡諾循環(huán) 一、熵的定義熱溫比： 熱溫比：系統(tǒng)從每個(gè)熱源吸收的熱量與相應(yīng)熱源的溫度的比值。上式說明，對(duì)于可逆卡諾循環(huán)，熱溫比的代數(shù)和等于零。熵這節(jié)只要求理解概念，不要求掌握計(jì)算 2.任意可逆循環(huán)任意可逆循環(huán)可等效為一系列微小可逆卡諾循環(huán)的組合。（相鄰的絕熱線方向相反可抵銷）對(duì)第 i 個(gè)微小可逆卡諾循環(huán)有 對(duì)整個(gè)循環(huán)有 可逆過程的熱溫比的積分只取決于初態(tài)、末態(tài)，與具體過程無關(guān)，是狀態(tài)量（狀態(tài)函數(shù)）!類似于勢(shì)能類似于內(nèi)能（Q-A） 熵：熱溫比沿可逆過程的積分，是狀態(tài)函數(shù)3.熵12（可逆過程）4.一般過程 （包括可逆和