第15章--热力学基础..ppt

（一）准静态过程（一）准静态过程 热量热量 功功 一）、准静态过程一）、准静态过程定义：热力学系统在状态发生变化的过程中，每一时刻定义：热力学系统在状态发生变化的过程中，每一时刻 系统的状态都无限地接近平衡态，此过程称准静系统的状态都无限地接近平衡态，此过程称准静 态过程（或称平衡过程）。态过程（或称平衡过程）。热力学基础（热力学基础（Basic Thermodynamics）十五、十五、热力学第一定律热力学第一定律PV0ABCabc二）、热量二）、热量传热：通过分子间的相互作用传递分子的无规则运动传热：通过分子间的相互作用传递分子的无规则运动 能量而改变物体内能的过程。能量而改变物体内能的过程。条件：系统与外界的温度不同。条件：系统与外界的温度不同。驰豫时间：一个系统如果最初处于非平衡态，经过一段驰豫时间：一个系统如果最初处于非平衡态，经过一段 时间过渡到了一平衡态，该过渡时间称驰豫时间。时间过渡到了一平衡态，该过渡时间称驰豫时间。P-V图图点点:平衡态平衡态线线:过程过程三）、功（体积功）三）、功（体积功）实验一实验一作功增加物体内能作功增加物体内能AAAQ实验二实验二传递热量也可传递热量也可增加物体内能增加物体内能单位：单位：J 1cal=4.1855J热量（热量（Q）：）：传热过程中所传递的能量。传热过程中所传递的能量。PV0ABCabc元功：元功：PSdl（二）热力学第一定律（二）热力学第一定律 QA无限小过程：无限小过程：有限过程：有限过程：其中：其中：热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律符号规律符号规律:符号符号 +-A 系统对外界作功系统对外界作功 外界对系统作功外界对系统作功Q 系统从外界吸热系统从外界吸热 系统向外界放热系统向外界放热 系统内能增加系统内能增加 系统内能减少系统内能减少第一类永动机第一类永动机:对外界作功却又不需要外界供给能量，对外界作功却又不需要外界供给能量，而且系统内能也不发生变化的机器。而且系统内能也不发生变化的机器。热力学第一定律热力学第一定律“第一类永动机是不可能造成的第一类永动机是不可能造成的”（三）气体的摩尔热容量（三）气体的摩尔热容量 摩尔热容量：摩尔热容量：1mol物质，当温度升高物质，当温度升高1K时所时所吸取的热量吸取的热量c是同一物质的比热是同一物质的比热一）、气体的定容摩尔热容量一）、气体的定容摩尔热容量与温度无关与温度无关二）、气体的定压摩尔热容量二）、气体的定压摩尔热容量与与温度无关温度无关可见可见迈耶公式迈耶公式比热比：比热比：刚性单原子刚性单原子刚性双原子刚性双原子刚性多原子刚性多原子总结：总结：无论等容过程、等压过程还是任意其他过程无论等容过程、等压过程还是任意其他过程：例例1：20mol氧气由状态氧气由状态1变化到状态变化到状态2所经历的过程所经历的过程如图，（如图，（1）沿）沿1m2路径；（路径；（2）沿）沿12直线。试分直线。试分别求出这两过程中的别求出这两过程中的A与与Q及氧气内能的变化及氧气内能的变化氧气分子当成刚性分子理想气体看待。氧气分子当成刚性分子理想气体看待。0105052012m解解(1)1m2过程：过程：对于对于1m过程，由于体积不变（等容过程），所以过程，由于体积不变（等容过程），所以对于对于m2过程：过程：对于整个对于整个1m2过程：过程：(2)12过程：过程：功功可由直线下面积求出：可由直线下面积求出：由由热力学第一定律得：热力学第一定律得：（四）热力学第一定律对（四）热力学第一定律对理想气体等值过程的应用理想气体等值过程的应用 一）、等温过程一）、等温过程恒恒温温体体A1、等温过程的实现：、等温过程的实现：则则内能不变内能不变代入上式代入上式2、等温过程的热量：、等温过程的热量：3、理想气体等温过程作功图示：理想气体等温过程作功图示：VPP1V1V2P2TAIII等温线是等轴双曲线的一支等温线是等轴双曲线的一支曲线下的面积表示理想气体从曲线下的面积表示理想气体从初始状态初始状态I等温膨胀到末态等温膨胀到末态II所所作的功：作的功：二）、等容过程二）、等容过程1、等容过程的实现：、等容过程的实现：2、求、求对等容过程：对等容过程：VPIIIP1P2V3、等容过程的、等容过程的P-V图：图：特征特征:三）、等压过程三）、等压过程1、等压过程的实现：、等压过程的实现：A内能的改变量：内能的改变量：对外作功：对外作功：2、求、求特征特征:3、等压过程的、等压过程的P-V图：图：VPV1V2PIIIA（五）绝热过程（五）绝热过程 一）、绝热过程一）、绝热过程1、定义：当系统的状态发生变化时，系统和外界不发生、定义：当系统的状态发生变化时，系统和外界不发生 热传递的过程。热传递的过程。2、特征：、特征：二）、求绝热过程中的功二）、求绝热过程中的功A由由热力学第一定律可知：热力学第一定律可知：对于有限变化：对于有限变化：A绝热壁绝热壁三）、绝热方程三）、绝热方程（1）（2）（3）其中：其中：均为均为常数常数由（由（2）式可得：）式可得：所以：所以：I绝热膨胀：绝热膨胀：II绝热压缩：绝热压缩：四）、绝热过程的四）、绝热过程的P-V图图1、P-V图：图：VPIIIA0将绝热方程代入将绝热方程代入可得：可得：2、绝热过程与等温过程的比较：、绝热过程与等温过程的比较：（1）绝热过程方程：）绝热过程方程：等温过程方程：等温过程方程：（2）P-V图的比较：图的比较：气体压缩或膨胀时气体压缩或膨胀时气体压强变化不同气体压强变化不同VPABCA点相交点相交比较在比较在A点斜率：点斜率：可见绝热线比等温线陡可见绝热线比等温线陡例例2：设有某种单原子理想气体，经历如图所示的一系：设有某种单原子理想气体，经历如图所示的一系列状态变化过程，其中列状态变化过程，其中ab为等压过程，为等压过程，bc为等容过程，为等容过程，cd为等温过程，已知为等温过程，已知 求各分过程的求各分过程的 各为多少？各为多少？210124abcdV(L)解：解：ab等压过程：等压过程：bc等容过程：等容过程：210124abcdV(L)cd等温过程等温过程:210124abcdV(L)例例3：气缸中有一定质量的氦气（视为理想气体），：气缸中有一定质量的氦气（视为理想气体），若使其绝热碰胀后气体的压强减少一半，求变化前后：若使其绝热碰胀后气体的压强减少一半，求变化前后：（1）气体分子平均速率之比）气体分子平均速率之比？（2）气体内能之比）气体内能之比？解：根据绝热方程：解：根据绝热方程：(1）平均速率：）平均速率：氦是氦是单原子分子，单原子分子，(2)气体内能：气体内能：例例4：有：有3mol温度为温度为 的理想气体，先使的理想气体，先使其体积等温膨胀到原来的其体积等温膨胀到原来的5倍，然后等容加热，末态时它倍，然后等容加热，末态时它的压强刚好等于初始压强，整个过程传给气体的热量为的压强刚好等于初始压强，整个过程传给气体的热量为 。试画出此过程的。试画出此过程的P-V图，并求这种气体的图，并求这种气体的比热比比热比 的值。的值。0Vp解：设初态参量为解：设初态参量为 末态参量为末态参量为由由得得等温过程：等温过程：等容过程：等容过程：0Vp即即0Vp（六）（六）循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 一）、循环过程一）、循环过程循环过程：物质系统经历一系列变化过程又回到初始循环过程：物质系统经历一系列变化过程又回到初始 状态的过程。状态的过程。基本特征：基本特征：1、定义、定义2、P-V图图PV0abcd正正循环：沿顺时针方向进行的循环循环：沿顺时针方向进行的循环 过程（如：过程（如：abcda过程）。过程）。逆逆循环：沿逆时针方向进行的循环循环：沿逆时针方向进行的循环 过程（如：过程（如：adcba过程）。过程）。3、热机及其效率、热机及其效率热机：利用工作物质连续不断地把热量转化为功的装置热机：利用工作物质连续不断地把热量转化为功的装置 （如：蒸汽机）。（如：蒸汽机）。PV0abcd正循环：系统对外作净功。正循环：系统对外作净功。如系统经历的循环过程的如系统经历的循环过程的各个阶段都是准静态过程各个阶段都是准静态过程;则则过热蒸汽温度可达过热蒸汽温度可达540度度,压强可达压强可达20MPa(电厂机组容量电厂机组容量300Mwh)4、致冷机及其致冷系数、致冷机及其致冷系数PV0abcd逆循环：外界对系统作净功。逆循环：外界对系统作净功。致冷系数：致冷系数：如系统经历的循环过程的如系统经历的循环过程的各个阶段都是准静态过程各个阶段都是准静态过程;则则二）、卡诺循环二）、卡诺循环VPA（P1V1T1）B（P2V2T1）C（P3V3T2）D（P4V4T2）Q1Q2卡诺循环：在两个恒温热源（一个高温热源，一个低卡诺循环：在两个恒温热源（一个高温热源，一个低 温热源）间工作的循环。温热源）间工作的循环。AB等温膨胀过程吸热：等温膨胀过程吸热：由两个由两个等温过程和等温过程和两个绝热过程两个绝热过程组成。组成。CD等温压缩过程放热：等温压缩过程放热：由绝热方程：由绝热方程：联立得：联立得：所以卡诺循环效率：所以卡诺循环效率：代入：代入：三）、卡诺致冷循环三）、卡诺致冷循环VPA（P1V1T1）B（P2V2T1）D（P4V4T2）Q2 Q1C（P3V3T2）卡诺循环作逆循环，外界对系统作功卡诺循环作逆循环，外界对系统作功.由由热力学第一定律知，此循环，热力学第一定律知，此循环，内能不变，有：内能不变，有：所以，致冷系数：所以，致冷系数：例例5：图为某理想气体系统的一个循环过程，其中：图为某理想气体系统的一个循环过程，其中CA为绝热过程。设点为绝热过程。设点A状态量状态量(),B点状态量（点状态量（）及系统绝热指数及系统绝热指数 均为已知。均为已知。（1）在）在P-V图上这循环如何表示？图上这循环如何表示？（2）试求点）试求点C状态的温度状态的温度 。（3）AB、BC两过程是吸热还是放热？两过程是吸热还是放热？（4）计算循环过程的效率。）计算循环过程的效率。ABCTV00PVABC解（解（1）如图：）如图：（2）CA为绝热过程：为绝热过程：根据根据得得（3）AB过程为等温膨胀过程，吸热过程为等温膨胀过程，吸热BC过程为等容降温过程，放热过程为等容降温过程，放热(4)效率：效率：例例6：一卡诺机在：一卡诺机在400K和和300K之间工作，求：之间工作，求：（1）若在正循环中，该机从高温热源吸热）若在正循环中，该机从高温热源吸热5000J热量，热量，则将向低温热源放出多少热量？对外作功多少？则将向低温热源放出多少热量？对外作功多少？（2）若使该机反向运转，当从低温热源吸收）若使该机反向运转，当从低温热源吸收5000J热量热量则将向高温热源放出多少热量？作功多少？则将向高温热源放出多少热量？作功多少？解（解（1）对卡诺热机）对卡诺热机热源温度差越大则作功越多。提高效率途径是提高高热热源温度差越大则作功越多。提高效率途径是提高高热源温度。源温度。(2)对卡诺致冷机对卡诺致冷机低温热源温度越低，则提取相同热量所需作功也越大。低温热源温度越低，则提取相同热量所需作功也越大。