熱學學-第四章-熱力學第一定律

第四章熱力學第一定律目的：宏觀描述的角度研究熱力學第一定律§4.1可逆過程與不可逆過程準靜態(tài)過程定義：指發(fā)生得無限緩慢的過程，以至于每一個中間過程都可以被近似地看成一個平衡態(tài)。例子：熱傳導(不等溫傳熱)。例子：黏性。1例子：擴散。例子：迅速壓縮氣體例子：緩慢壓縮氣體。例子：等溫傳熱。問題：如何判斷系統(tǒng)的一個態(tài)是平衡態(tài)？回答：T，P，在各處相等。---平衡態(tài)，無過程問題：如何判斷系統(tǒng)的一個態(tài)是近似平衡態(tài)？回答：---近平衡態(tài)，準靜態(tài)過程2注意：準靜態(tài)過程是一個理想過程(理想模型)。現(xiàn)實生活中無嚴格的準靜態(tài)過程，但是有很多近似的準靜態(tài)過程。類比：質點、點電荷、剛體、理想氣體、理想流體、自由空間(完全真空)，等等，都是理想模型。關于緩慢的感性的例子：汽車的內(nèi)燃機中氣體的周期運動可以看成是緩慢的。那么氣體經(jīng)歷的過程可以看成是準靜態(tài)過程。非靜態(tài)過程：不言而喻。靜態(tài)和非靜態(tài)過程的弛豫時間解釋弛豫時間：系統(tǒng)從非平衡態(tài)演化到平衡態(tài)所花的時間。壓強弛豫時間：準靜態(tài)過程：過程經(jīng)歷的時間遠大于弛豫時間32可逆與不可逆過程例子：a與生命有關的過程。

b由新到舊的過程。4

c真空中的單擺(無空氣阻力)發(fā)生的過程。d空氣中的單擺(有空氣阻力)發(fā)生的過程。

e氣體的自發(fā)(自由)膨脹?？赡孢^程：系統(tǒng)經(jīng)歷某個過程(A過程)由初態(tài)變化為末態(tài)，如果找得到另外一個過程，使得系統(tǒng)和外界都復原。那么該過程(過程A)就是可逆過程。如果找不到另外一個過程，使得系統(tǒng)和外界都復原。那么該過程(過程A)就是不可逆過程。例子：前面的三個例子。例子：功轉化為熱的過程是不可逆的。此結論是不可以證明。它是一個定律(熱力學第二定律)5分析：6例子：熱量由高溫物體傳到低溫物體的過程是不可逆的。此結論不可以證明，它也是一個定律(熱力學第二定律)例子：自由膨脹過程是不可逆的。此結論不可以證明，它是熱力學第二定律。分析：壓縮使系統(tǒng)復原。其他影響：功轉化為熱。例子：擴散過程是不可逆的。此結論不可以證明，它是熱力學第二定律。結論：和熱現(xiàn)象有關的所有的、實際的、宏觀的過程都是不可逆的。和熱現(xiàn)象有關的可逆過程(理想的過程)：無耗散的準靜態(tài)過程是可逆過程。等溫傳熱是可逆過程，不等溫傳熱是不可逆過程。7§4.2功和熱量1功的定義定義：在力學相互作用過程中系統(tǒng)和外界交換的能量。要點：1）力學相互作用，指系統(tǒng)和外界的相互作用或者是電磁的或者是機械的。---不是傳熱的。功的顯著特點：給系統(tǒng)做功，系統(tǒng)一般會有宏觀位移或者變形發(fā)生(廣義位移)。或者給系統(tǒng)做功，系統(tǒng)一般有廣義位移。例子：壓縮氣體做功，氣體體積變化---廣義位移。例子：重力給物體做功，物體位置變化---廣義位移。例子：拉彈簧做功，彈簧發(fā)生形變---廣義位移。82)功是一個過程量。不能說系統(tǒng)的一個平衡態(tài)具有多少功。

3)功的符號定義：外界給系統(tǒng)做功為正功；系統(tǒng)給外界做功為負功。4）系統(tǒng)經(jīng)歷的準靜態(tài)過程時，功才可以計算。非靜態(tài)過程的功，我們一般計算不出來，只能是實驗測量。92體積變化功隱含：準靜態(tài)過程!

包含外部量準靜態(tài)過程：外界給系統(tǒng)做的元功：評論：1)中的量都是系統(tǒng)的狀態(tài)量。是很方便的。2）任意形狀系統(tǒng)的元功也可以表示為這樣的形式。103）有限過程的體積變化功，4）功的在PV圖中的意義。PV圖上的一點代表：平衡態(tài)PV圖上的任意一條曲線代表：準靜態(tài)過程。非靜態(tài)過程、非平衡態(tài)能否在PV圖上表示？循環(huán)過程的功在PV圖上的意義？113理想氣體在幾個特殊過程中功的計算（1）等溫過程。隱含(準靜態(tài)過程)

溫度為T的摩爾理想氣體，體積由的等溫過程。計算外界給系統(tǒng)的功。（2）等壓過程。（3）等容過程。124其他形式的功A彈性棒系統(tǒng)的元功B表面系統(tǒng)的元功表面張力系數(shù):對一個表面而言單位長度上一部分給另外一部分的力.C功的一般表達形式廣延量:和系統(tǒng)的質量或者摩爾數(shù)成正比的量。強度量：和系統(tǒng)的質量或者摩爾數(shù)無關的量。

13例子：壓強、溫度、體積、摩爾數(shù)、內(nèi)能、表面張力系數(shù)、彈簧的倔強系數(shù)。各是什么量5功的意義功是反應系統(tǒng)物性的量。可以說功和物態(tài)方程在某種程度上是等價的。6熱量系統(tǒng)和外界在非功過程交換的能量，稱為熱量注意：1）熱量過程量。2）系統(tǒng)和外界必須有溫度差，才能交換熱量。3）系統(tǒng)和外界交換能量的方式只有兩種：功，熱量。§4.3

熱力學第一定律本質：能量轉化和守恒定律在熱學系統(tǒng)的表現(xiàn)。1歷史14

焦耳(1818-1889),英國。熱功當量15邁爾,德國(1814-1878).醫(yī)生，物理學家

邁爾曾是一位隨船醫(yī)生，在一次駛往印度尼西亞的航行中，給生病的船員做手術時，發(fā)現(xiàn)熱帶地區(qū)血的顏色比溫帶地區(qū)的新鮮紅亮。食物中含有的化學能，可轉化為熱能，在熱帶情況下，機體中燃燒過程減慢，因而留下了較多的氧。氧合血紅蛋白為紅色，脫氧血紅蛋白為紫紅色《論有機體的運動與物質代謝關系》1845

植物吸收了太陽能，把它轉化為化學能。動物攝取植物，通過氧化把化學能轉化為熱和機械能。16亥姆霍茲德國物理學家（1821～1894）《力之守恒》化學、力學、電磁學、熱學172內(nèi)能內(nèi)能：在熱學參考系下，所有分子的無規(guī)則運動的能量之和。熱學參考系：使系統(tǒng)宏觀靜止的參考系關于能量，有兩點值得強調(diào)：（1）能量的絕對值沒有意義，能量的相對值才是有用的物理量。例如：系統(tǒng)的動能總是相對于一個特定的參考系（或者坐標系）而言。例如：某點的勢能是沒有意義的，兩點的勢能差才有意義。（2）對于一個系統(tǒng)，一般只考慮它可以被運用的能量。對于熱學系統(tǒng)，只研究在熱學過程可以被運用的能量。而不能被運用的能量，在過程中保持為常數(shù)，因此可以省略。內(nèi)能具體包含哪些能量---普遍分子的動能(包括平動、轉動、振動)+分子內(nèi)部的振動勢能+分子間的勢能18---原子核內(nèi)的能量，不能被運用，省略。---系統(tǒng)整體運動的能量，不是內(nèi)能，排除。(系統(tǒng)的整體平動、轉動的動能)---對于理想氣體，分子間勢能在任何過程中始終保持為常數(shù)，可以省略。例子：單原子分子理想氣體的內(nèi)能。每個分子的動能之和。---熱學坐標系。例子：剛性雙(多)原子分子理想氣體的內(nèi)能。每個分子的平動動能之和，每個分子的轉動動能之和。例子：非剛性雙(多)原子分子理想氣體的內(nèi)能。每個分子的平動動能之和，每個分子的轉動動能之和。每個分子的振動動能之和，每個分子的振動勢能之和。例子：前面的例子都為非理想氣體時。都要包含分子間的勢能之和。19總結：系統(tǒng)的內(nèi)能=系統(tǒng)的總能量-系統(tǒng)整體運動的能量(-過程中不能用到的能量(在過程中保持為常數(shù)的能量))。內(nèi)能不是一種新的能量形式。普通物理中涉及的能量只有兩種：動能和勢能。內(nèi)能只是熱學系統(tǒng)分子的動能和勢能之和而已。20內(nèi)能的另外一種引入方式絕熱過程外界給系統(tǒng)作的功與具體的絕熱過程無關。而只與系統(tǒng)的初末態(tài)有關。必然可以引入一個狀態(tài)函數(shù)類比：重力做功和路徑(過程)無關。只與物體的初末位置有關。21必然可以引入態(tài)函數(shù)(重力勢能)內(nèi)能概念要點：1）態(tài)函數(shù)，或者狀態(tài)量。問題：從絕熱過程引入了內(nèi)能的概念，那么內(nèi)能的存在和絕熱過程有關嗎？2）只定義了內(nèi)能的相對值。3）我們從數(shù)量上去定義能量，而不是從本質上去定義。根源于我們對能量概念的一些困惑、爭議。何為能量？22試答：能量是物質的一種性質、屬性。分析：1電子煙滅之后，光子產(chǎn)生之前，是否有能量？是否有物質？什么物質？2宇宙起源于一次大爆炸。爆炸之前，如沒有物質，那么有能量否？爆炸之前，如有物質，那么是什么物質？爆炸之前，如有尋常物質，那么還爆炸做什么？233熱力學第一定律1）外界和系統(tǒng)交換能量有兩種方式2）那么系統(tǒng)由狀態(tài)1經(jīng)過任何過程變化到狀態(tài)23）熱一的意義、要點。A能量轉化和守恒定律在熱學系統(tǒng)的運用。B外界給系統(tǒng)作工為正，外界給系統(tǒng)傳熱為正。C，，是過程量。U是狀態(tài)量。D第一類永動機不可能實現(xiàn)。不給機器輸入能量，而機器可以源源不斷地給外界作工。問題：一般而言作工的機器的特點？24

循環(huán)過程E熱一定律適用于任何過程。§4.4

熱容量與焓1等容熱容量25意義：1）。是把V看成常數(shù)，U對T求導數(shù)。2）。對于等容過程：物體在等容過程吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。2定壓熱容量1）定義焓：要點：a）H是狀態(tài)量，或者態(tài)函數(shù)。b)H的量綱是能量。c）H是廣延量。d)態(tài)函數(shù)的任意函數(shù)是態(tài)函數(shù)2）定壓熱容量26由熱一定律得：意義：1）。是把P看成常數(shù)，H對T求導數(shù)。2）。對于等壓過程：27等壓過程吸收的熱量＝系統(tǒng)焓的增加。例子：1個大氣壓下，100度的水和水蒸汽的單位質量的焓分別為419.06和2676.3。計算此時水的汽化熱。§4.5

第一定律對氣體的運用1一般氣體的內(nèi)能。內(nèi)能＝熱運動動能(T)+分子內(nèi)部的振動勢能(T)

＋分子間的勢能(V)。2理想氣體的內(nèi)能a）一般理解理想氣體忽略分子間的作用力，無分子間勢能28b）焦耳定律理想氣體的自由膨脹過程：實驗測量結果：實驗分析：實驗結論：理想氣體的內(nèi)能和V無關，只是T的函數(shù)。定義理想氣體：滿足。滿足道爾頓分壓定律。滿足阿伏加德羅定律。滿足焦耳定律的氣體。293熱一定律對理想氣體的運用A等容熱容量與內(nèi)能理氣理氣B等壓熱容量與焓理氣30同理：理氣C理想氣體的邁耶公式：

314理想氣體的幾個特殊過程的特點(1)等體過程

等體特點理氣

定義：（2）等壓過程：

等壓特點：

定義

理氣：

32（3）等溫過程等溫理氣：等溫理氣（4）理想氣體的準靜態(tài)絕熱過程A物態(tài)方程B理想氣體準靜態(tài)絕熱過程的特點

普適

理氣絕熱準靜態(tài)過程33理氣：

不定積分得

34設

那么理氣在絕熱過程滿足的方程。因為C理想氣體等溫過程和絕熱過程在PV圖上的表示。等溫過程準靜態(tài)絕熱過程35問題：假設圖中1條曲線是等溫，另一條是絕熱過程，問哪條是等溫，哪條是絕熱。解決：等溫線的斜率：絕熱線的斜率：

36D準靜態(tài)絕熱過程溫度的變化(1）理氣

結論：膨脹

壓縮（2）一般氣體不具有上邊的性質普適絕熱理氣：非理氣：

37（5）理想氣體的多方過程A定義：理想氣體滿足的過程稱為多方過程。討論m=1等溫；m=0等壓；m=無窮大等容；

絕熱。38問題：求理想氣體在多方過程的熱容量。

普適

理氣準靜態(tài)過程

39整理得討論：a），；b）c)m=1,;d)

，多方負熱容過程。？為何如此

吸熱降溫

放熱升溫

40141例子恒星演化幼年恒星，收縮勢能降低勢能放出熱量＋熱運動動能增加（）例子：見書4.7。理想氣體經(jīng)歷的過程。(1)當系統(tǒng)體積擴大一倍時，系統(tǒng)對外作工多少？(2)該過程的熱容量？解：（1）（2）42理氣準靜態(tài)理氣特定過程434.6熱機1熱機的特點定義：源源不斷地把熱能轉化為功的機器，稱為熱機。蒸汽機44蒸汽機45內(nèi)燃機46蒸汽機1排氣口，2高溫高壓蒸汽入口，3滑動閥，4閥桿，5氣缸，6活塞，7活塞推桿，8十字頭導桿，9十字頭，10傳動桿，11輪子，12連桿。http://www.sungangedu.net:81/lsxjm2/show.aspx?id=155&cid=43

http://bbs..cn/archiver/tid-2507197.htmlhttp://www.baobaosuo.com/ViewFlash.Aspx?guid=dfb95172-30bd-4cac-9469-95b1666b7775a47轉子發(fā)動機481）構成熱機的要素和熱機熱學性質的表現(xiàn)

a作工裝置b工作物質

c熱源(2個以上的熱源)機器工作的特點：循環(huán)過程。研究方法1：機械如何構成(工程師的工作)研究方法2：機器的熱學性質(我們所關心的)問題：什么反應了熱機的熱學性質？回答：工作物質的循環(huán)過程反應熱機的熱學性質。那么工作物質的循環(huán)過程就代表了整個熱機。2)熱機的工作原理49一般熱機的做功的原理在高溫高壓時工作物質給外界做功，在低溫低壓時外界給工作物質做功(保證熱機進行的是循環(huán)過程)，因而可以向外界輸出凈功，把熱能轉化為機械能。因此我們可以用一個非常簡化的熱機模型來深入討論熱機的具體的工作原理，這個熱機模型就是卡諾熱。50工作物質：理想氣體循環(huán)過程：ABCDA。假設：AB等溫過程溫度T1；CD等溫過程溫度T2;BC和DA是絕熱過程。熱源：AB和CD過程，系統(tǒng)要和外界交換熱量。那么必然要和外界熱源接觸。每一個等溫線就表示系統(tǒng)要和一個熱源接觸。詳細討論此循環(huán)過程：(1)AB過程

結論：此過程系統(tǒng)要從外界熱源吸收熱量51(2)CD過程結論：此過程系統(tǒng)要給外界傳熱。(3)ABCDA循環(huán)過程就是ABCDA循環(huán)曲線圍的面積結論：此循環(huán)過程，從高溫熱源T1吸收熱量，把此熱量一部分轉化為功，另外一部分在低溫熱源T2放出。所以ABCDA循環(huán)代表一個熱機。結論:PV圖上，任意的一個順時針循環(huán)過程都代表一個熱機。52例子：右圖注意：此循環(huán)過程有無窮多個熱源。2熱機的效率熱機把熱能轉化為功的能力。對于只有2個熱源的熱機定義：對于一個循環(huán)而言討論：a

越小，熱機效率越高。問題：熱機效率能否等于1？分析：如果效率等于1，那么。也就是熱源T2等效于沒有。那么此循環(huán)過程只有1個熱源T1。這永遠也不可能。b對于有多個熱源的循環(huán)。53定義：其中是指在所有高溫熱源吸收的熱量之和是指在所有低溫熱源放出的熱量之和3卡諾熱機卡諾（1796―1832年）法國軍事工程師、物理學家卡諾循環(huán)：由兩個絕熱過程和兩個等溫過程組成的循環(huán)。計算卡諾循環(huán)的效率：12過程

5434過程(3)效率(4)絕熱過程41過程：23過程：

55提高熱機效率的手段：a提高高溫熱源溫度；b降低低溫熱源溫度；c減少摩擦；d減少漏熱。例子：已知理想氣體經(jīng)歷如圖所示的循環(huán)過程，試計算該過程的效率。分析：知道和就可以計算效率。解：23過程，吸熱過程41過程，放熱過程效率：12過程，絕熱34過程，絕熱56那么：例子：已知理想氣體經(jīng)歷如圖所示的循環(huán)過程，試計算該過程的效率。絕熱容積壓縮比定壓容積壓縮比分析：知道和就可以計算效率。解：23過程，吸熱?41過程，放熱？

57效率：12過程，絕熱34過程，絕熱23過程，等壓584制冷機1）工作原理ADC等溫過程，吸熱BBA等溫過程，放熱CDCBAD循環(huán)過程結論：此循環(huán)過程從低溫熱源T2，吸收熱量，外界給系統(tǒng)作工，在把它們?nèi)哭D化為熱量在高溫熱源T1放出。推廣：PV圖上任意的逆時針循環(huán)都是制冷機2)制冷系數(shù)59定義：3)可逆卡諾制冷機的制冷系數(shù)：

aBA過程：bDC過程：60制冷系數(shù)：

AD絕熱CB絕熱可逆熱機：無耗散的準靜態(tài)的順時針可逆循環(huán)?？赡嬷评錂C：無耗散的準靜態(tài)的逆時針可逆循環(huán)。614.7焦耳---湯姆孫效應此效應是獲得低溫的一種重要手段。1回顧獲得低溫的一些手段：a和更低溫度的物體接觸，熱傳遞；b制冷機；c理想氣體準靜態(tài)絕熱膨脹；d汽化，液化，相變；e節(jié)流過程。2節(jié)流過程1)概念絕熱條件下，氣體通過多空塞由高壓端流向低壓端的過程。節(jié)流過程。2)節(jié)流過程的特點62初態(tài)P1,V1,