理学热力学基础.pptx

准静态过程：系统的每一状态都无限接近于平衡态的过程。即准静态过程是由一系列平衡态组成的过程。快非平衡态缓慢接近平衡态 准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。非准静态过程准静态过程第1页/共104页 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.气体活塞砂子12恒温热源 T第2页/共104页只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。如何判断“无限缓慢”？引入弛豫时间（relaxation time）：t过程 ：过程就可视为准静态过程所以无限缓慢只是个相对的概念。系统从非平衡态过渡到平衡态所用的时间。第3页/共104页(p2,V2)(p1,V1)(p,V)过程曲线准静态过程可以用过程曲线来表示：VO p改变系统状态的方法：1.作功 2.传热一个点代表一个平衡态第4页/共104页 准静态过程的功当活塞移动微小位移dl时，系统对外界所作的元功为：系统体积由V1变为V2，系统对外界作总功为：1、体积功的计算等温过程：第5页/共104页 作功与过程有关第6页/共104页2、体积功的图示 比较 a,b过程可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。功是过程量由积分意义可知，功的大小等于pV 图上过程曲线p(V)下的面积。第7页/共104页 热量和热容量热量的计算1、热量：是系统内能变化的量度，是过程量。c是比热：1kg物质升高1 C吸收的热量；Mc是热容：M kg物质升高1 C吸收的热量；定义 c 为摩尔热容：1 mol 气体升高 1 C 所吸收的热量。第8页/共104页摩尔热容还可定成1mol物质升高单位温度所吸收的热量。热量符号表示“元”，因为Q不是状态函数，不能写成微分。第9页/共104页 对于固体吸热体积变化很小，用一个比热即可。而气体吸热后，对不同的过程吸热也不一样。因此对不同过程引入不同的摩尔热容。等容过程：引入等容摩尔热容CV，表示在等容过程中，1 mol 气体升高单位温度所吸收的热量。第10页/共104页等压过程：引入等压摩尔热容CP，表示在等压过程中，1 mol 气体升高单位温度所吸收的热量。热量热量第11页/共104页（1）都是过程量：与过程有关；（3）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（2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；第12页/共104页作功是系统热能与外界其它形式能量转换的量度。1、做功可以改变系统的状态 摩擦升温（机械功）、电加热（电功）功是过程量2、热量传递可以改变系统的内能 热量是过程量热量是系统与外界热能转换的量度。使系统的状态改变，传热和作功是等效的。改变内能的两种方式第13页/共104页作机械功改变系统 状态的焦耳实验AV作电功改变系统 状态的实验第14页/共104页1、规定内能增量、功、热量的正负a.内能增量系统温度升高系统温度降低b.功体积膨胀系统对外界做正功。体积收缩系统对外界做负功，（二）热力学第一定律第15页/共104页或外界对系统作功。c.热量系统吸热系统放热2、热力学第一定律 设一热力学系统，初始时内能为E1，如果系统吸热，使系统内能增加到E2，系统对外作功W。第16页/共104页系统由能量守恒与转换定律 系统吸收的热量，转变成系统的内能和系统对外做的功。热力学第一定律对微小过程的应用第17页/共104页符号表示“元”，因为Q、W不是状态函数，不能写成微分。明确几点.注意内能增量、功、热量的正负规定。由，+系统吸热系统放热内能增加内能减少系统对外界做功外界对系统做功第18页/共104页.热功转换不是直接进行的，而是间接的，内能是传递工具。系统吸热后，先使内能增加，再通过降低内能对外作功。外界对系统作功，使内能增加，再通过内能降低，系统放热。.热力学第一定律是从实验中总结出来的，第一类永动机不能制成。第19页/共104页 有些人曾经设想制造出两种永动机。第一种永动机:就是把机器完全与外界隔绝，依靠机器自身的能量周而复始的运行下去。第二种永动机:是指机器并不与外界完全隔绝，只是单方面的从一个外界热源中吸取热量，使其能周而复始的永动下去。第20页/共104页 等体过程由热力学第一定律特性 常量吸的热全部转换为系统内能的增量。（三）热力学第一定律的应用第21页/共104页 等体升压 12 等体降压 12第22页/共104页等容摩尔热容CV在等容过程中，1 mol 气体升高单位温度所吸收的热量。等容摩尔热容意义：等容过程系统吸热全部转变成内能。第23页/共104页单原子分子气体双原子分子气体内能增量又可写成 此公式不仅适用于等容过程，对任何过程都适用。第24页/共104页 等压过程p=恒量12p21OVVV 等压过程中系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，一部分用来对外做功。第25页/共104页12W等 压 膨 胀 W W12W等 压 压 缩第26页/共104页等压摩尔热容Cp表示在等压过程中，1 mol 气体升高单位温度所吸收的热量。等压摩尔热容Mayer公式第27页/共104页CP CV 的物理意义:1 mol 理想气体温度升高 1 C，对于等容过程,体积不变吸热只增加系统内能，而对于等压过程除了增加系统内能外，还要对外作功，所吸收的热量要更多一些。单原子分子气体双原子分子气体比热比：第28页/共104页 等温过程由热力学第一定律恒温热源T12特征 常量过程方程常量第29页/共104页pVp1p2I II.OV2V1 等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外做功，系统内能保持不变。第30页/共104页12等温膨胀W12W等温压缩 W W第31页/共104页【例1】已知一定量的单原子理想气体经历如图所示的过程，试求：全部过程中，(1)W=?；(2)Q=?；(3)E=?解:(1)(2)第32页/共104页(3)（利用热力学第一定律）（利用内能公式计算）注意：W、Q为过程量，E为状态量。第33页/共104页【例2】1mol 刚性双原子理想气体，从状态 A(P1,V1)沿直线出发到 B(P2,V2)，试求：(1)E=?；(2)W=?；(3)Q=?解:此题目为非等值过程(3)(2)(1)第34页/共104页各种等值过程特点状态方程系统吸热对外做功 内能改变等温dT=0pV=C0等容dV=00等压dP=0第35页/共104页【例3】泊松比=1.40 的理想气体进行如图所示的循环。已知状态 A 的温度为300 K，求 （1）状态 B，C 的温度；（2）各过程中气体所吸收的热量。V(m3)P(Pa)10040026ABC解:(1)由初态A:由第36页/共104页 CA 吸热 BC 吸热 AB 吸热循环过程则：(2)第37页/共104页各种等值过程特点状态方程系统吸热对外做功 内能改变等温dT=0pV=C0等容dV=00等压dP=0第38页/共104页1、准静态绝热过程:系统不与外界交换热量的过程。绝热过程2、绝热方程的推导联立消去dT绝热的汽缸壁和活塞第39页/共104页由由第40页/共104页12W绝热膨胀12W绝热压缩 W W第41页/共104页3、绝热线和等温线绝热过程曲线的斜率常量第42页/共104页 绝热线的斜率大于等温线的斜率.等温过程曲线的斜率常量ABC常量第43页/共104页 物质系统经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程，简称循环。循环工作的物质称为工作物质，简称工质。循环过程的特点：E=0若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用p-V 图上的一条闭合曲线表示。pVabcd正循环:沿顺时针方向进行的循环称为正循环。逆循环:沿反时针方向进行的循环称为逆循环。（四）循环过程及卡诺循环 循环过程第44页/共104页正循环工质在整个循环过程中对外作的净功等于曲线所包围的面积。整个循环过程工质从外界吸收热量的总和为Q1放给外界的热量总和为Q2正循环过程是将吸收的热量中的一部分A净转化为有用功，另一部分Q2 放回给外界第45页/共104页正循环的特征：一定质量的工质在一次循环过程中要从高温热源吸热Q1，对外作净功|A|，又向低温热源放出热量Q2。而工质回到初态，内能不变。如热电厂中水的循环过程（示意如图）。T1 Q1T2 Q2泵|A|气缸热电厂内水的循环过程示意图第46页/共104页 热机和制冷机1、什么是热机 把热能转换成机械能的装置称为热机，如蒸汽机、汽车发动机等。2、热机工作特点需要一定工作物质。需要两个热源。热机是正循环工作的。正循环第47页/共104页热机发展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸气机，当时蒸气机的效率极低.1765年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率.人们一直在为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展.第48页/共104页例如：汽车发动机气缸活塞，从喷油嘴中喷出油雾，火花塞点火汽油燃烧，体积迅速膨胀，从燃烧的汽油中吸取热量，一部分对外作功，带动发动机转动，另一部分热量排放到大气（低温源）中。第49页/共104页热机:持续地将热量转变为功的机器.第50页/共104页锅炉烟筒现代火力发电厂结构示意图碾磨机空气喷射给水器发电机水管冷凝塔除尘器涡轮水泵传送带第51页/共104页火力发电厂的热力循环四大件:1 锅炉.2 汽轮机.3 冷凝器.4 给水泵.第52页/共104页3、工作示意图高温热源T1低温热源T2热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源。第53页/共104页热机热机效率高温热源低温热源AB4、热机的效率第54页/共104页各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸气机第55页/共104页致冷机 致冷机是逆循环工作的，是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中。使低温源温度降低。逆循环例如：电冰箱、空调都属于致冷机。第56页/共104页高温热源T1低温热源T21.工作示意图致冷机是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中，使低温源温度降低。2.致冷系数如果外界做一定的功，从低温源吸取的热量越多，致冷效率越大。室外室内第57页/共104页由能量守恒电冰箱的工作物质为氟里昂 12(CCL2F2)，氟里昂对大气的臭氧层有破坏的作用，2005 年我国停止使用氟里昂作致冷剂。以保护臭氧层。溴化锂致冷和半导体致冷已进入市场。第58页/共104页冰箱循环示意图第59页/共104页卡诺,法国工程师、热力学的创始人之一。他创造性地用“理想实验”的思维方法，提出了最简单、但有重要理论意义的热机循环卡诺循环，创造了一部理想的热机卡诺热机。1824年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出了提高热机效率的有效途径，揭示了热力学的不可逆性，被后人认为是热力学第二定律的先驱。概念：卡诺循环过程由四个准静态过程组成，其中两个是等温过程和两个是绝热过程组成。卡诺循环是一种理想化的模型。分类正循环卡诺热机逆循环卡诺制冷机 卡诺循环 卡诺循环第60页/共104页 卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成.卡诺热机WABCD低温热源T2高温热源T121TT 第61页/共104页 理想气体卡诺循环热机效率的计算 A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩卡诺循环WABCD第62页/共104页A B 等温膨胀吸热C D 等温压缩放热WABCD第63页/共104页 D A 绝热过程B C 绝热过程 所以WABCD第64页/共104页 卡诺热机效率 卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高.第65页/共104页说明：（1）完成一次卡诺循环必须有温度一定的高温 和低温热源。（2）卡诺循环的效率只与两个热源温度有关。（3）卡诺循环效率总小于1，即不可能把从高温 热源所吸收的热量全部用来对外界作功。（4）在相同高温热源和低温热源之间的工作的 一切热机中，卡诺循环的效率最高。第66页/共104页 图中两卡诺循环 吗？讨 论第67页/共104页WABCD高温热源T1卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺逆循环）低温热源T2第68页/共104页致冷机高温热源AB低温热源致冷系数卡诺致冷机致冷系数第69页/共104页【例4】某理想气体进行如图所示的两个卡诺循环：I(a b c d a)和 II ，且两条循环曲线所围面积相等。设循环 I 的效率为 ，每次循环在高温热源处吸收的热量为 Q，循环 II 的效率为 ，每次循环在高温热源处吸收的热量为Q，则（A）（B）（C）（D）解:效率效率第70页/共104页【例5】一热机以 1mol 双原子分子气体为工作物质，循环曲线如图所示，其中 AB 为等温过程，TA=1300K，TC=300K。求:(1)各过程的内能增量、功、和热量；(2)热机效率。解：(1)A-B为等温膨胀过程（吸热）B-C为等压压缩过程第71页/共104页（放热）或由热力学第一定律C-A为等容升压过程（放热）（吸热）第72页/共104页一个循环中的内能增量为：经过一个循环内能不变。(2)热机效率第73页/共104页 热力学第一定律阐明了热力学过程应满足能量守恒定律，热力学第二定律不违反热力学第一定律，阐明热力学过程进行的方向和限度。热力学第二定律有两种表述：开尔文表述和克劳修斯表述。1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。（五）热力学第二定律 开尔文表述第74页/共104页 不能制造出一种只从单一热源吸取热量，使其全部转变成功而不引起其它变化的循环工作的热机。第二类永动机不能制成。高温热源T1=0由于=1是不可能的，第二类永动机（单热机）不能制成。第75页/共104页热 功开尔文表述阐明了热力学过程进行的限度。20世纪40年代，有人估计将海水降低 0.1C，所获得的能量可使全世界的工厂开动1700年。阐明了热力学过程进行的方向。克劳修斯表述第76页/共104页 热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。高温热源T1低温热源T2 热力学过程是有方向性的。1.自发过程：不需要外界干预而自动进行的过程。特点：具有方向性，为不可逆过程。第77页/共104页热传导高温源低温源Q气体自由膨胀大小V气体混合分离混合可逆过程和不可逆过程第78页/共104页热机 1.违反了开尔文表述也就违反了克劳修斯表述高温热源（T1）低温热源（T2）Q1Q1+Q2热机高温热源（T2）低温热源（T1）Q2Q2Q2A 两种表述的等效性第79页/共104页Q1Q1热机 2.违反了克劳修斯表述也就违反了开尔文表述高温热源（T1）低温热源（T2）AQ1-Q2热机低温热源（T2）Q1Q2A=Q1-Q2第80页/共104页1.宏观过程对微观过程不适用。2.孤立系统有限范围对整个宇宙不适用。如布朗运动。“热寂现象”“世界末日论”“上帝创世说”热力学第二定律的适用范围第81页/共104页问题：一条等温线与一条绝热线是否可有两个交点。答：不可能。因为两条曲线构成了闭合曲线，循环过程只有吸热，且对外做正功，热机效率为 100%，违背了热力学第二定律。第82页/共104页（六）热力学第二定律的统计意义以绝热自由膨胀为例以绝热自由膨胀为例.宏观状态.微观状态任一宏观状态所对应的微观状态数4个分子全都回到左侧的概率为：N个分子全都回到左侧的概率为：第83页/共104页1104512021025021012045101微观状态数分子数左右012345678910234567891001总数210=1024均匀分布或接近均匀分布的概率却占了670/1024。而10个分子同时回到一边的概率只有1/1024，10个分子的可能分布左右左右第84页/共104页若一摩尔气体作自由膨胀，所有分子都回到一边去的几率只有1/实际的气体分子数很大。如一摩尔的理气就有N0=6.0221023个分子个微观状态均拍成照片，然后像放电影一样放出来，每秒放一亿张（108），还要放：/108秒，这个时间比宇宙年龄1018秒还要大得多。可见所有分子都回到一边去是不可能的。即自由膨胀是不可逆的左右第85页/共104页注意：这一事实反映着一个孤立系统内进行的过程总是由微观状态数小的宏观状态向微观状态数大的宏观状态进行这就是热力学第二定律的统计意义第86页/共104页（七）熵及熵增加原理什么是熵？没有什么问题在科学史的进程中曾被更为频繁地讨论过。普利高津熵理论对于整个科学来说是第一法则。爱因斯坦第87页/共104页熵(entropy):德国物理学家克劳修斯于1865年所提出。熵（entropy）指的是体系的混乱的程度，它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义，是各领域十分重要的参量。所谓熵，是反映一个系统宏观态所具有的微观态数目或热力学几率有关的物理量，它与热力学几率的对数成正比，由于热力学几率愈大表示系统处于愈混乱的状态，所以熵是系统无序的量度。第88页/共104页截至1990年为止，熵经历了几代人约定125年的传播，熵的概念实际上已经泛化。“熵”被引入其它学科后，又产生了许多数不清，说不明的新的“熵”的概念，如地理熵，气象熵，黑洞熵，生命系统熵，农业系统熵，社会熵，经济熵，文化熵，人体熵，精神熵等。在统计物理和量子物理中就有：电子熵，克分子熵，移动熵，转动熵，振动熵，自旋熵，热量熵等。第89页/共104页熵是状态量，对应着某宏观状态波尔兹曼常数系统此时的微观状态数二.熵增加原理孤立系统中，宏观过程进行的方向：不平衡平衡熵较小熵较大一.玻尔兹曼熵公式（统计熵）第90页/共104页说明：熵增加原理只适用于孤立系统。对非孤立系统熵可增加也可减少。当一个小孩从哇哇坠地，什么也不会，混混沌沌，一天2/3时间在睡觉。但随着不断养育，最后长大成人因为它是一个开放系统！又如，一杯水，它不断被外界吸收热量，变成冰，它的熵就减少了。C第91页/共104页一、热温比1.等温过程热温比热温比只与状态有关与过程无关。热量三.克劳修斯熵公式（热力学熵）第92页/共104页取极小一段路径，整个过程的热温比与过程无关，只与始末两态有关。热温比2.理想气体可逆过程热温比(1)(2)第93页/共104页由定义 S 为熵，上式表示 I、II 两态熵变。单位：焦耳/开，J/K则四、熵的公式 第94页/共104页熵的主要性质1.熵是状态函数，只是可逆过程中的熵增。2.对于可逆绝热过程，熵 S 不变。3.如果系统分为几部分，系统的熵变为各部分熵变之和。第95页/共104页4.对于不可逆绝热过程、自发过程熵总是增加的。例如：绝热容器中 A、B 两物体相接触，这两个物体组成一个系统。A向B传热过程为不可逆绝热过程。设微小时间 t 内传热 Q第96页/共104页A的熵变B的熵变系统熵变第97页/共104页对任意微小时间内熵是增加的，对整个过程熵也是增加的。孤立系统、不可逆过程熵总是增加的。第98页/共104页人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进化。以致出现人类这样高度有序的生物。意大利科学家普利高津提出了耗散结构理论，解释了这个问题。*耗散结构杂谈原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成。在远离平衡态的非线性区，通过不断与外界交换物质和能量（能量耗散），而形成的稳定的有序结构称为耗散结构。第99页/共104页从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层次保持有序。正如薛定谔指出来的：生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不断地获得负熵。-薛定谔-系统自身产生的熵，总为正值。与外界交换的熵流，其值可正可负。当系统远离平衡态时系统不断消耗能源与物质第100页/共104页感冒：起因-运动或劳累过后，身体消耗大量能量，产生大量废热（体内熵大增）如能迅速排除，则无事。但如此时或吹风着凉，使皮肤感到过凉信息传到大脑的调温中心-丘脑，进行调温以暖皮肤，并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热，这样体内原有积熵排不出，还进一步产生积熵，以致积熵过剩。熵是无序度的量度。因此人体内二千多化学反应开始混乱-使人头痛、发烧、畏寒畏冷、全身无力。抵抗力减弱.人因此感冒了.第101页/共104页中医说:内有虚火,外感风寒西医说:感冒了,有炎症物理说:如何治疗呢?中医说:西医说:物理说:发汗清热.退热消炎积熵过剩消除积熵感冒了癌症:由于各种原因,致使体内某一部分的混乱度大幅度增长.以致破坏了细胞再生时的基因密码的有序遗传,细胞无控制地生长,产生毒素,进一步破坏人体的有序,直到熵趋近无穷大-死亡到来.第102页/共104页修养与健康:患得患失、气量狭小、爱生气的人易生病不易长寿。改革开放的正确性：热二律告诉我们，一个孤立的社会系统，由于自身的不可逆过程，熵将趋于极大，信息量极小，没有生机、相对贫穷落后。沿海地区与内地发展的不平衡即与此有关 耗散结构告诉我们，一个开放的社会，通过输入能源、信息、新技术，输出自已的产品、技术等，才能使社会在更高层次保持有序。第103页/共104页104感谢您的观看！第104页/共104页