北京化工大學(xué)普通物理學(xué)8熱力學(xué)第一定律.ppt

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熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間變化的過(guò)程。,熱力學(xué)過(guò)程：, 3.1 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 quasi-static process,熱力學(xué)系統(tǒng)：工作物質(zhì),（氣、液、固）,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：,狀態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行得非常緩慢，以至于過(guò)程中的每一個(gè)中間狀態(tài)都近似于平衡態(tài)。,微小變化時(shí)間 馳豫時(shí)間,因內(nèi)燃機(jī)氣缸一次壓縮時(shí)間：102秒,則內(nèi)燃機(jī)氣缸壓縮近似為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,無(wú)限緩慢：,弛豫時(shí)間：系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)所需時(shí)間,例. 氣缸氣體的弛豫時(shí)間103s,10-2s,10-2s,對(duì) “無(wú)限緩慢” 的實(shí)際過(guò)程的近似描述。,功的單位：J,膨脹 dV 0，dA 0,壓縮 dV 0，dA 0,系統(tǒng)體積由V1增大到V2，系統(tǒng)對(duì)外作功為:, 系統(tǒng)對(duì)外作功(正功),外界對(duì)系統(tǒng)作功(負(fù)功),一、 功（體積變化所做的功 ） 1. 功的表示式, 3.2 功 熱量 內(nèi)能,熱力學(xué)系統(tǒng)與外界傳遞能量的兩種方式:,作功,傳熱,2. 功的圖示法：,(1) 曲線AB下的面積即表示系統(tǒng)在AB過(guò)程中作的功。,(2) 功是與過(guò)程有關(guān)的物理量。,曲線AB下的面積,例：,二、熱量 Heat,是傳熱過(guò)程中所傳遞能量的多少的量度；,系統(tǒng)吸熱 ：,系統(tǒng)放熱 ：,三、內(nèi)能 Internal energy,實(shí)驗(yàn)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(guò)什么過(guò)程，只要始末狀態(tài)確定，做功和傳熱之和保持不變 .,系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān) .,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) .,一般氣體：,1,外界僅對(duì)系統(tǒng)作功，無(wú)傳熱，則,絕熱壁,四、功與內(nèi)能的關(guān)系,2,絕熱過(guò)程,說(shuō)明,(1) 內(nèi)能的改變量可以用絕熱過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)所作的功來(lái)量度；,(2) 此式給出過(guò)程量與狀態(tài)量的關(guān)系,五、 熱量與內(nèi)能的關(guān)系,外界與系統(tǒng)之間不作功，僅傳遞熱量,系統(tǒng),說(shuō)明,(1) 在外界不對(duì)系統(tǒng)作功時(shí)，內(nèi)能的改變量也 可以用外界對(duì)系統(tǒng)所傳遞的熱量來(lái)度量；,(2) 作功和傳熱效果一樣，本質(zhì)不同,The first law of thermodynamics：系統(tǒng)在任一過(guò)程中吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能增量和系統(tǒng)對(duì)外作功之和。, 3.3. 熱力學(xué)第一定律,外界與系統(tǒng)之間不僅作功，而且傳遞熱量，則有,討論,微小過(guò)程,1、熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律 。它指出 第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。,物理意義,第一類永動(dòng)機(jī)：不需消耗內(nèi)能，也不需對(duì)系統(tǒng)傳熱，卻能不斷對(duì)外作功的機(jī)器。,2、此定律只要求系統(tǒng)的初、末狀態(tài)是平衡態(tài)，至于過(guò)程中經(jīng)歷的各狀態(tài)則不一定是平衡態(tài)。,結(jié)論：“要科學(xué)，不要永動(dòng)機(jī)！”焦耳,例題 一系統(tǒng)由圖所示狀態(tài)a沿acb到達(dá)狀態(tài)b，系統(tǒng)對(duì)外作功為126J，吸熱為336J。 (1) 若在adb過(guò)程中系統(tǒng)作功為42J，問(wèn)此過(guò)程中系統(tǒng)是吸熱還是放熱？熱量是多少？ (2) 若系統(tǒng)從b態(tài)出發(fā)，沿ba曲線返回a態(tài)時(shí)，外界對(duì)系統(tǒng)作功為84J。問(wèn)此過(guò)程中系統(tǒng)是吸熱還是放熱？熱量是多少？,3.4 熱容（Heat capacity）,一、熱容,單位：J/K,熱容是一個(gè)過(guò)程量。,三、理想氣體的摩爾熱容,二、摩爾熱容,單位：J/(molK),1、定體摩爾熱容,1mol物質(zhì)的熱容,2、理想氣體內(nèi)能公式（宏觀）,若過(guò)程中 CV,m = 常數(shù)，有,因定體摩爾熱容為,則對(duì)任意過(guò)程，理想氣體內(nèi)能為,理想氣體內(nèi)能與體積無(wú)關(guān)！,3、邁耶公式（理想氣體定壓和定容摩爾熱容的關(guān)系）,證明：,物理解釋？,4、比熱比：,5、經(jīng)典熱容：由經(jīng)典能量均分定理,得,在絕熱過(guò)程中，內(nèi)能的增量仍為,3.5 絕熱過(guò)程 adiabatic process,特征：,根據(jù)熱力學(xué)第一定律：,系統(tǒng)在絕熱過(guò)程中始終不與外界交換熱量。,良好絕熱材料包圍的系統(tǒng)發(fā)生的過(guò)程,進(jìn)行得較快，系統(tǒng)來(lái)不及和外界交換熱量的過(guò)程,過(guò)程方程,對(duì)無(wú)限小的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程 有,討論：,絕熱膨脹,對(duì)外作功,內(nèi)能減少,溫度降低,絕熱壓縮,外界作功,內(nèi)能增加,溫度升高,絕熱過(guò)程的過(guò)程方程,(1) 從數(shù)學(xué)角度：,等溫線在A點(diǎn)的斜率為：,絕熱線在A點(diǎn)的斜率為：,(2) 從物理方面：,體積增加時(shí)，壓強(qiáng)降低,等溫：體積增加。,絕熱：體積增加,溫度降低。,從圖中看出：絕熱線比等溫線陡些。,微分,過(guò)程曲線,絕熱過(guò)程中 ，理想氣體不吸收熱量，系統(tǒng)減少的內(nèi)能，等于其對(duì)外作功 。,絕熱過(guò)程中功的計(jì)算,絕熱自由膨脹,非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，則PV g C 不適用,服從熱力學(xué)第一定律，因 得,氣體經(jīng)絕熱自由膨脹，內(nèi)能不變！,【思考】溫度變嗎？,思考：,初態(tài)和末態(tài)溫度相同,真實(shí)氣體？,內(nèi)能還與體積有關(guān) 焦、湯實(shí)驗(yàn),例題 1.210-2kg的氦氣（視為理想氣體）原來(lái)的溫度為300K，作絕熱膨脹至體積為原來(lái)的2倍，求氦氣在此過(guò)程中所作的功。如果氦氣從同一初態(tài)開(kāi)始作等溫膨脹到相同的體積，問(wèn)氣體又作了多少功？ 解：氦氣的摩爾質(zhì)量 Mm=410-3kg/mol, m = 1.210-2kg , T1= 300K , V2=2V1 , CV,m=3/2R , =1.67.,說(shuō)明從同一初態(tài)開(kāi)始膨脹相同體積，等溫比絕熱過(guò)程作的功多。,一 、 循環(huán)過(guò)程,循環(huán)過(guò)程的特征：內(nèi)能不發(fā)生變化。,如果系統(tǒng)從某一平衡態(tài)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一系列的變化過(guò)程，又回到初始狀態(tài)，這樣的周而復(fù)始的變化過(guò)程稱為循環(huán)過(guò)程，簡(jiǎn)稱循環(huán)。,熱力學(xué)第一定律,3.6 循環(huán)過(guò)程 cyclical process,正循環(huán)(循環(huán)沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行),（系統(tǒng)對(duì)外作功）,Q1,Q2,a,b,根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有,正循環(huán)也稱為熱機(jī)循環(huán),二、正循環(huán)、逆循環(huán),熱機(jī)的效率：,逆循環(huán)(循環(huán)沿逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行),（系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功）,逆循環(huán)也稱為致冷循環(huán),Q1,Q2,a,b,致冷機(jī)的致冷系數(shù)定義為：,致冷系數(shù)的意義：外界每消耗一個(gè)單位的功能從低溫?zé)嵩次《嗌贌崃俊?重要說(shuō)明： 在熱機(jī)、制冷機(jī)部分 由于實(shí)際中的需要或 說(shuō)是習(xí)慣 無(wú)論是吸熱還是放熱一律取正值 則熱機(jī)效率和制冷系數(shù)寫(xiě)成：,例題、1mol單原子氣體氖經(jīng)歷圖示循環(huán)求其效率,解:,吸熱,放熱,3.7 卡諾（Carnot）循環(huán)（1824）,卡諾循環(huán)：工質(zhì)只和兩個(gè)恒溫?zé)釒?kù)交換熱量的準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)。,按卡諾循環(huán)工作的熱機(jī)卡諾熱機(jī),以理想氣體工質(zhì)為例，計(jì)算卡諾循環(huán)的效率,從高溫?zé)釒?kù)吸熱,向低溫?zé)釒?kù)放熱,因此,卡諾循環(huán)的效率只由熱庫(kù)溫度決定：,以后將證明：在同樣兩個(gè)溫度T1和T2之間工作的各種工質(zhì)的卡諾循環(huán)的效率都由上式給定，而且是實(shí)際熱機(jī)的可能效率的最大值，即,令吸(放)熱為正(負(fù))，上式為,其中 “”:卡諾循環(huán)；“”:不可逆循環(huán)。,“熱溫比”之和滿足:,討論,（1）這是完成一個(gè)循環(huán)所需的最少熱源（高溫?zé)嵩?和低溫?zé)嵩?）,（2）提高熱機(jī)效率的途徑 或降低,（提高 ）,即熱機(jī)效率不能達(dá)到100%,（3）卡諾熱機(jī)的效率,實(shí)際上約30%！,例如：鄭州發(fā)電廠某臺(tái)機(jī)組,則其效率為,卡諾定理,1、在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的任何工作物質(zhì)的可逆機(jī)，都具有相同的效率。,2、工作在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g的一切不可逆熱機(jī)的效率都不可能大于可逆熱機(jī)的效率。,這一定理指出要想提高熱機(jī)的效率，必須提高高溫?zé)嵩吹臏囟群徒档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟龋徊⑹篃釞C(jī)盡量接近于可逆熱機(jī)。,實(shí)際最高效率：,例.熱電廠,按卡諾循環(huán)計(jì)算：,非卡諾循環(huán)、耗散（摩擦等）,原因：,3.8 致冷循環(huán),將待冷卻物體作為低溫?zé)嵩?，反向進(jìn)行熱機(jī)循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)致冷循環(huán)。,致冷機(jī),Q2追求的效果,A付出的“成本”,致冷系數(shù)：對(duì)工質(zhì)做一份功可從低溫?zé)嵩刺崛《嗌俜轃?所以，吸熱越多，做功越少，制冷機(jī)性能越好。,卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù),思考題 試討論理想氣體經(jīng)下列兩圖中各個(gè)過(guò)程后，E、T、A 和Q 的正負(fù)：,熱力學(xué)第二定律,下次上課內(nèi)容：,謝謝大家,