第18章 热力学第一定律PPT讲稿.ppt

第18章 热力学第一定律第1页，共61页，编辑于2022年，星期日2 18.1 功功 热量热量 热力学第一定律热力学第一定律1.功功做功的基本特征：做功的基本特征：有规则动能有规则动能无规则动能无规则动能 功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化状态的变化.第2页，共61页，编辑于2022年，星期日3 2.热量热量传热也可改变系统的状态传热也可改变系统的状态传热条件：系统和外界温传热条件：系统和外界温度不同，且不绝热。度不同，且不绝热。通过传热方式传递能量的量度，系统和外通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递界之间存在温差而发生的能量传递.第3页，共61页，编辑于2022年，星期日4（1）都是过程量：与过程有关；）都是过程量：与过程有关；（2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；）等效性：改变系统热运动状态作用相同；宏观运动宏观运动分子热运动分子热运动功功分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动热量热量（3）功与热量的物理本质不同）功与热量的物理本质不同.1 cal=4.18 J ，1 J=0.24 cal功与热量的异同功与热量的异同第4页，共61页，编辑于2022年，星期日53.系统的内能系统的内能理想气体内能只与温度有关理想气体内能只与温度有关4.热力学第一定律热力学第一定律 对于任何宏观系统的任何过程，系统从对于任何宏观系统的任何过程，系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和对外做的功之和第5页，共61页，编辑于2022年，星期日6涉及热现象的能量守恒定律涉及热现象的能量守恒定律对初、末态为平衡态的无限小过程对初、末态为平衡态的无限小过程+系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第一定律的符号规定第一定律的符号规定第6页，共61页，编辑于2022年，星期日7（1）能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律.第一类永动机是不第一类永动机是不可能制成的可能制成的.（2）实验经验总结，自然界的普遍规律实验经验总结，自然界的普遍规律.物理意义物理意义第7页，共61页，编辑于2022年，星期日8 18.2 准静态过程准静态过程1.准静态过程（理想化的过程）准静态过程（理想化的过程）从一个平衡态到另一平衡态所经过的每从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程一中间状态均可近似当作平衡态的过程.气体气体活塞活塞砂子砂子12第8页，共61页，编辑于2022年，星期日92 2、准静态过程的功、准静态过程的功:注意：注意：作功与过程有关作功与过程有关.第9页，共61页，编辑于2022年，星期日103 3、系统吸收的热量、系统吸收的热量热容热容比热容比热容设系统温度升高设系统温度升高 dT，所吸收的热量为，所吸收的热量为dQ对于固体和液体，对于固体和液体，对于理想气体，且在准静态过程中对于理想气体，且在准静态过程中,第10页，共61页，编辑于2022年，星期日11 例例18-1 气气体体等等温温过过程程(mol)的理想气体在保持温度T不变的情况下,体积从V1经过准静态过程变化到V2。求在该等温过程中气体对外做的功和它从外界吸收的热。解：解：理想气体在准静态过程中，满足等温过程等温过程中气体对外做功说明等温膨胀过程(V2V1)时,气体对外界做正功;等温压缩(V20,气体从外界吸热;气体等温压缩时,Q 0等温膨胀过程：等温膨胀过程：dQ 0,dT=0若有限过程中若有限过程中 C=const.，则有，则有 C=0 C 第16页，共61页，编辑于2022年，星期日17摩尔定压热容摩尔定压热容所以，有所以，有1.等压过程等压过程PV=RT可得：可得：第17页，共61页，编辑于2022年，星期日18 W W第18页，共61页，编辑于2022年，星期日19摩尔定容热容摩尔定容热容得得迈耶迈耶(Mayer)(Mayer)公式公式2.等体过程等体过程第19页，共61页，编辑于2022年，星期日第20页，共61页，编辑于2022年，星期日213.比热容比（绝热指数）比热容比（绝热指数）从物理上解释一下为什么从物理上解释一下为什么 C p,m C V,m?第21页，共61页，编辑于2022年，星期日22室温下气体的室温下气体的 值值 He 1.67 1.67 Ar 1.67 1.67 H2 1.40 1.41 气体气体 理论值理论值 实验值实验值 N2 1.40 1.40 O2 1.40 1.40 CO 1.40 1.29 H2O 1.33 1.33 CH4 1.33 1.35 第22页，共61页，编辑于2022年，星期日23T/K505005000100250100025001012345氢气的氢气的 与温度的关系与温度的关系 常温（常温（300K）下振动能级难跃迁，振动自由度）下振动能级难跃迁，振动自由度“冻结冻结”，分子可视为刚性。，分子可视为刚性。平动平动平转平转平转振平转振第23页，共61页，编辑于2022年，星期日24 例例18-3 20mol氧氧气气由由状状态态1变变化化到到状状态态2所所经经历历的的过过程程如如图图所所示示。试试求求这这一一过过程程的的A与与Q以以及及氧氧气气内内能能的的变变化化E2-E1。氧氧气气当当成成刚刚性性分分子子理想气体看待。理想气体看待。解：解：图示过程分为两步:1a和a2。对于1a的等体过程等体过程第24页，共61页，编辑于2022年，星期日25结果为正,表示气体从外界吸了热。得气体内能增加了1.90105J。对于a2的等压过程结果为负,表示气体的内能减少了0.81105J。负号表明气体向外界放出了2.84105J的热量。第25页，共61页，编辑于2022年，星期日26负号表明气体的内能减少了2.03105J。对于整个1a2过程气体对外界做了负功或外界对气体做了0.81105J的功。气体向外界放出了0.94105J的热量。气体内能减小了0.13105J。第26页，共61页，编辑于2022年，星期日27 例例18-4 20mol氧气由状态1变化到状态2所经历的过程如图所示,其过程图线为一斜直线。求这一过程的A与Q及氮气内能的变化E2-E1。氮气当成刚性分子理想气体看待。解：解：任一过程的功等于p-V图中该过程曲线下到V轴之间的面积，负号:外界对气体做功 0.51105J。第27页，共61页，编辑于2022年，星期日28图示过程既非等体，亦非等压，故不能直接用CV,m和Cp,m求热量，但可以先求出内能变化E,然后用热量学第一定律求出热量。从状态1到状态2气体内能的变化为是气体向外界放了热。负号表示气体内能减少了0.13105J.第28页，共61页，编辑于2022年，星期日29 18.4 绝热过程绝热过程 如如果果系系统统在在整整个个过过程程中中始始终终不不和和外外界界交交换换热热量量，则这种过程称为绝热过程。则这种过程称为绝热过程。1.准静态绝热过程准静态绝热过程特征：特征：dQ=0，Q=0过程方程过程方程：由由 pV=RT全微分全微分 pdV+Vdp=RdT （1）由热一律由热一律 dQ=CVdT+pdV=0 （2）消去消去dT （1）（）（2）联立）联立 得得泊松泊松(Poisson)公式公式第29页，共61页，编辑于2022年，星期日30 W W第30页，共61页，编辑于2022年，星期日31绝绝 热热 方方 程程常量常量常量常量常量常量 为什么绝热线比等温线为什么绝热线比等温线陡？物理意义？陡？物理意义？讨论：讨论：由由 PV=RT 得得第31页，共61页，编辑于2022年，星期日32等温线斜率等温线斜率绝热线斜率绝热线斜率由由 pV=paVa由由 pV=paVa 第32页，共61页，编辑于2022年，星期日33 例例18-5一一定定质质量量的的理理想想气气体体，从从初初态态(p1,V1)开开始始,经经过过准准静静态态绝绝热热过过程程,体体积积膨膨胀胀到到V2,求求在在这这一一过过程程中气体对外做的功。设该气体的比热比为中气体对外做的功。设该气体的比热比为。解：解：由泊松公式得或者根据绝热条件由此得求出得结合第33页，共61页，编辑于2022年，星期日34 例例18-6 空气中的声速。空气中的声速。(不讲不讲)空空气气中中有有声声波波传传播播时时，各各空空气气质质元元不不断断地地反反复复经经历历着着压压缩缩和和膨膨胀胀的的过过程程，由由于于这这种种变变化化过过程程的的频频率率较较高高，压压缩缩和和膨膨胀胀进进行行得得都都较较快快，各各质质元元都都来来不不及及和和周周围围的的质质元元发发生生热热传传递递，因因而而过过程程可可视视为为绝绝热热的的。试试根根据是理想气体的绝热过程这一假定，求空气中的声速。据是理想气体的绝热过程这一假定，求空气中的声速。第34页，共61页，编辑于2022年，星期日35解：解：由绝热过程的过程方程式及理想气体状态方程式可得气体中的纵波波速公式 ,其中K为气体的体弹模量 ,为气体的密度.标准状态下的空气，=1.40,T=273K,M=29.010-3kg/mol,R=8.31J/(molK),代入有得到空气中的声速为此结果经实验证实，表明声波传播为绝热过程第35页，共61页，编辑于2022年，星期日362.绝热自由膨胀过程绝热自由膨胀过程P1,V1 T1P2,V2,T2该过程不是准静态过程该过程不是准静态过程,但仍服从热但仍服从热律律.绝热绝热 Q=0自由膨胀自由膨胀A=0E2 E1=0T2=T1PV12O等温等温第36页，共61页，编辑于2022年，星期日37 18.5 循环过程循环过程1.定义：定义：2.特征特征:系统系统(工质工质)经经一系列一系列变化后回到初态的整个过程。变化后回到初态的整个过程。泵泵 气气缸缸T1 Q1T2 Q2A1锅炉（高温热库）锅炉（高温热库）冷凝器（低温热库）冷凝器（低温热库）A2第37页，共61页，编辑于2022年，星期日38冰箱循环示意图冰箱循环示意图第38页，共61页，编辑于2022年，星期日39热机热机:持续地将热量转变为功的机器持续地将热量转变为功的机器.第39页，共61页，编辑于2022年，星期日40顺时针顺时针：正循环正循环 A0A0逆时针：逆时针：逆循环逆循环 A0A03.准静态循环过程准静态循环过程净功净功总吸热总吸热净吸热净吸热总放热总放热（取绝对值）取绝对值）2Q第40页，共61页，编辑于2022年，星期日41热机热机热机效率热机效率高温热源高温热源低温热源低温热源AB第41页，共61页，编辑于2022年，星期日42热机热机:持续地将热量转变为功的机器持续地将热量转变为功的机器.第42页，共61页，编辑于2022年，星期日43致冷机致冷系数致冷机致冷系数致冷致冷机机高温热源高温热源AB低温热源低温热源第43页，共61页，编辑于2022年，星期日44冰箱循环示意图冰箱循环示意图第44页，共61页，编辑于2022年，星期日45热机效率热机效率例如例如 汽油机可近似看成如图循环过程汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环循环)，其中其中AB和和CD为绝热过程，求此循环效率为绝热过程，求此循环效率.解解第45页，共61页，编辑于2022年，星期日46 例例18-8 空气标准奥托循环空气标准奥托循环 燃烧汽油的四冲程内燃机中进行的循环过程叫做奥托循环,它实际上进行的过程如下:先先是是将将空空气气和和汽汽油油的的混混合合气气吸吸入入汽汽缸缸,然然后后进进行行急急速速压压缩缩,压压缩缩至至混混合合气气的的体体积积最最小小时时用用电电火火花花引引起起爆爆燃燃.汽汽缸缸内内气气体体得得到到燃燃烧烧放放出出的的热热量量,温温度度与与压压强强迅迅速速增增大大,从从而而能能推推动动活活塞塞对对外外做做功功.这一过程并非同一工质反复进行的循环过程,而且经过燃烧,汽缸内的气体还发生了化学变化.在理论上研究上述实际过程中的能量转化关系时,总是用一定质量的空气(理想气体)进行的下述准静态循环过程来代替实际的过程.此过程称之为空气标准奥托循环空气标准奥托循环。第46页，共61页，编辑于2022年，星期日47它由下列四步组成它由下列四步组成(1)绝热压缩绝热压缩ab,从从(V1,T1)态变化到态变化到(V2,T2)态；态；(2)等等体体吸吸热热(相相当当于于点点火火爆爆燃燃过过程程)bc,气气体体由由(V1,T1)状状态变化到态变化到(V2,T3)状态；状态；(3)绝绝热热膨膨胀胀(气气体体膨膨胀胀对对外外做做功功 的的 过过 程程)cd，气气 体体 由由(V2,T3)态变化到态变化到(V1,T4)态；态；(4)等等 体体 放放 热热da，气气 体体 由由(V1,T4)态变回到态变回到(V1,T1)态。态。第47页，共61页，编辑于2022年，星期日48解：解：在bc的等体过程中气体吸收的热量为在da的等体过程中气体放出的热量为又由于cd是绝热过程，有得此循环效率为由于ab是绝热过程，有由以上两式可得第48页，共61页，编辑于2022年，星期日49由此可见,空气标准奥托循环的效率决定于压缩比。现代汽油内燃机的压缩比约为10,更大时当空气和汽油的混合气在尚未压缩到b状态时,温度就已升高到足以引起混合气燃烧了。设r=10,当空气的值取1.4,则上式给出将此关系代入上面的效率公式，有定义压缩比为 ，则上式可写成 实际的汽油机的效率比这小得多,一般只有30%左右.第49页，共61页，编辑于2022年，星期日50 补充例题：补充例题：一定量的单原子分子理想气体，一定量的单原子分子理想气体，从初态从初态A出发，经历如图循环过程，求出发，经历如图循环过程，求:（1）各过程中系统对外作的功、内能的变化和各过程中系统对外作的功、内能的变化和吸收的热量吸收的热量.（2）整个循环过程系整个循环过程系统对外作的总功及净统对外作的总功及净吸热吸热.（3）该循环的效率该循环的效率.第50页，共61页，编辑于2022年，星期日51A-B解解B-C等容等容第51页，共61页，编辑于2022年，星期日52C-A等压等压第52页，共61页，编辑于2022年，星期日53S.Carnot(17961832),French engineer1824年，提出年，提出Carnot cycle.18.6 卡诺循环卡诺循环 卡诺卡诺循环是由两个准静态循环是由两个准静态等温等温过程和两个过程和两个准静态准静态绝热绝热过程组成过程组成.卡诺热机卡诺热机低温热源低温热源T2高温热源高温热源T1第53页，共61页，编辑于2022年，星期日54卡诺热机效率的卡诺热机效率的推导推导又又于是于是第54页，共61页，编辑于2022年，星期日55 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗？讨讨 论论第55页，共61页，编辑于2022年，星期日56 18.7 致冷循环致冷循环致冷机致冷系数致冷机致冷系数致冷致冷机机高温热源高温热源低温热源低温热源1、致冷机、致冷机第56页，共61页，编辑于2022年，星期日57高温热源高温热源T1卡诺致冷机卡诺致冷机2、卡诺致冷机（卡诺逆循环）、卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机致冷系数卡诺致冷机致冷系数低温热源低温热源T2第57页，共61页，编辑于2022年，星期日58 在卡诺循环中，两条在卡诺循环中，两条等温线下的面积是否相等等温线下的面积是否相等？两条绝热线下的面积是？两条绝热线下的面积是否相等？否相等？解：解：思考思考第58页，共61页，编辑于2022年，星期日59补充例题补充例题 一电冰箱放在室温为一电冰箱放在室温为 的房的房 间里间里，冰箱储藏柜中的温度维持在，冰箱储藏柜中的温度维持在 .现每天现每天有有 的热量自房间传入冰箱的热量自房间传入冰箱 内内 ,若若要维持冰箱内温度不变要维持冰箱内温度不变,外界每天外界每天 需作多少需作多少功功,其功率为多少其功率为多少?设在设在 至至 之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的冷机致冷系数的 55%.解解第59页，共61页，编辑于2022年，星期日60房间传入冰箱的热量房间传入冰箱的热量 热平衡时热平衡时由由 得得第60页，共61页，编辑于2022年，星期日61保持冰箱在保持冰箱在 至至 之间运转，每天之间运转，每天需作功需作功 功率功率第61页，共61页，编辑于2022年，星期日