7热力学基础ppt课件.ppt

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1、7热力学基础第七章第七章 热力学基础热力学基础6.1 气体状态参量气体状态参量 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程6.2 准静态过程准静态过程 功功 热量热量6.3 内能内能 热力学第一定律热力学第一定律6.4 理想气体的等体过程和等压过程理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容摩尔热容6.5 理想气体的等温过程和绝热过程理想气体的等温过程和绝热过程6.6 循环过程循环过程(Cyclical process) 卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle)6.7 热力学第二定律热力学第二定律7.1 气体状态参量气体状态参量 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程一、气体的状态参

2、量一、气体的状态参量 P：压强：压强 Pa V：体积：体积 m3 T：温度：温度 K摄氏温度摄氏温度t t与热力学温度与热力学温度T T之间的关系：之间的关系：15.273 Tt二、平衡态二、平衡态 一定质量的气体放在容器中，如果容器中的气体与外界一定质量的气体放在容器中，如果容器中的气体与外界没有能量和物质的传递，气体的能量也没有转化为其它形式没有能量和物质的传递，气体的能量也没有转化为其它形式的能量，气体的组成及其质量均不随时间变化，则气体的状的能量，气体的组成及其质量均不随时间变化，则气体的状态参量将不随时间变化，这样的状态叫态参量将不随时间变化，这样的状态叫平衡态平衡态三、理想气体的状

3、态方程三、理想气体的状态方程 （条件：理想气体，平衡态）（条件：理想气体，平衡态）RTMmpV M：气体质量：气体质量 ：摩尔质量：摩尔质量 （千克）（千克） R：普适恒量：普适恒量( 8.31 )11KmolJ7.2 准静态过程准静态过程 功功 热量热量 准静态过程准静态过程 Quasi-static process 过程中的每一状态都是平衡态过程中的每一状态都是平衡态 (Equilibrium state ) 系统状态的变化就是过程。系统状态的变化就是过程。不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。举例举例1：外界对系统做功：外界对系统做功u过

4、程无限缓慢过程无限缓慢非平衡态到平衡态的过渡时间，非平衡态到平衡态的过渡时间，即迟疑时间，约即迟疑时间，约 10 -3 秒秒 ，如果，如果实际压缩一次所用时间为实际压缩一次所用时间为 1 秒，秒，就可以说就可以说 是准静态过程。是准静态过程。 外界压强总比系统压强大外界压强总比系统压强大 P ， 就可以就可以 缓慢压缩。缓慢压缩。系统系统T1T1+TT1+2TT1+3TT2从从 T1 T2 是准静态过程是准静态过程 系统系统 温度温度 T1 直接与直接与 热源热源 T2接触，最终达到热平衡，接触，最终达到热平衡，不是准静态过程。不是准静态过程。u因为状态图中任何一点都表示因为状态图中任何一点都

5、表示系统的一个平衡态，故准静态系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如过程可以用系统的状态图，如P-V图（或图（或P-T图，图，V-T图）中图）中一条曲线表示，反之亦如此一条曲线表示，反之亦如此。 VPo等温过程等温过程等容过程等容过程等压过程等压过程循环过程循环过程举例举例2：系统（初始温度：系统（初始温度 T1）从）从 外界吸热外界吸热 例例 右图活塞与汽缸无摩擦，当气体作准静态右图活塞与汽缸无摩擦，当气体作准静态压缩或膨胀时，外界的压强压缩或膨胀时，外界的压强P Pe e必等于此时气体的压必等于此时气体的压强强P P，否则系统在有限压差作用否则系统在有限压差作用下，将失去平衡

6、，称为非下，将失去平衡，称为非静态过程。若有摩擦力存静态过程。若有摩擦力存在，虽然也可使过程进行在，虽然也可使过程进行的的“无限缓慢无限缓慢”，但，但P Pe e= = P.P.l 无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外界在准静态过程中对系统的作用力，可以用系统本界在准静态过程中对系统的作用力，可以用系统本身的状态参量来表示。身的状态参量来表示。PeP功功 为简化问题，只考虑无摩擦准静态过为简化问题，只考虑无摩擦准静态过 程的功程的功 。当活塞移动微小位移。当活塞移动微小位移dl 时，外力所作时，外力所作 的元功为：的元功为： 是系统体积是系统体积在无

7、摩擦准静态过程中：在无摩擦准静态过程中：系统体积由系统体积由变为变为，外界对系统作总功为：外界对系统作总功为： 由积分意义可知，用由积分意义可知，用求出功的大小等于求出功的大小等于PV 图图上过程曲线上过程曲线P=P(V)下的面积。下的面积。 比较比较 a , b下的面积可知，下的面积可知，功的数值不仅与初态和末态有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关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。间状态，功与过程的路径有关。 若系统由初态若系统由初态1经一非绝热过程达到终态经一非绝热过程达到终态2 ，在此过程中外界对系统所作的功不再等于过程前后在此过程中外界对系统所作的

8、功不再等于过程前后状态函数内能的变化状态函数内能的变化U2U1 ，我们把二者之差，我们把二者之差定义为系统在过程中以热量定义为系统在过程中以热量Q形式从外界吸取的能形式从外界吸取的能量，即：量，即： 在给出热量定义之后我们可以这样定义绝热过在给出热量定义之后我们可以这样定义绝热过程：若系统平衡态的改变只靠机械功或电功来完成，程：若系统平衡态的改变只靠机械功或电功来完成，在系统状态改变的过程中不从外界吸热，也不放热，在系统状态改变的过程中不从外界吸热，也不放热，我们称这种系统为绝热系统，这种过程为绝热过程。我们称这种系统为绝热系统，这种过程为绝热过程。内能（内能（ Internal energy

9、)定义内能定义内能U：任何一个热力：任何一个热力学系统都存在一个称为内能的状态参数，当这个系学系统都存在一个称为内能的状态参数，当这个系统由平衡态统由平衡态1经过任意绝热过程达到另一平衡态经过任意绝热过程达到另一平衡态2时，时，内能内能 增加等于过程中外界对系统所作的绝热功增加等于过程中外界对系统所作的绝热功Wa, 即即 ： 7.3 内能内能 热力学第一定律热力学第一定律u系统系统的内能是的内能是状态量状态量v如同如同 P、V、T等量等量系统的状态经一系列变化又回到起始状态时，系统系统的状态经一系列变化又回到起始状态时，系统的内能不改变，系统内能的增量只与初、末态有关的内能不改变，系统内能的增

10、量只与初、末态有关，与过程无关。，与过程无关。U2 - U1 = Wa 某一过程，系统从外界吸热某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功，对外界做功 W，系统内能从初始态系统内能从初始态 E1变为变为 E2，则由能量守恒：，则由能量守恒：QWEE21u对无限小过程：对无限小过程：dWdEdQ 气体气体真空真空阀门阀门例：例：水水打开打开 阀门，水温一直不变阀门，水温一直不变问：问： 1）气体吸热？）气体吸热？ 2）气体温度？）气体温度？ 3）气体内能？）气体内能？ 4）气体做功？）气体做功？热力学第一定律热力学第一定律 (The first law of thermodynamics)答案：不

11、；不变；不变；不作功答案：不；不变；不变；不作功RTMPV dWdEdQ 21VVPdVW一一 、 等体过程等体过程 定容摩尔热容定容摩尔热容0d pdVW则则12EEQV 有有对有限的等体过程，则对有限的等体过程，则体积不变，体积不变，VPo等容过程等容过程7.4 理想气体的等体过程和等压过程理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容摩尔热容dEdQV 设有设有1mol理想气体在等体过程中所吸收地热量为理想气体在等体过程中所吸收地热量为dQV，气，气体的温度由体的温度由T升高到升高到TdT，则气体的定体摩尔热容为，则气体的定体摩尔热容为dTCdQdTdQCmVvvmV,或写出或写出 对质量为对质

12、量为m的理想气体，在等体过程中，其温度由的理想气体，在等体过程中，其温度由T1改变为改变为T2时，所吸收的热量为时，所吸收的热量为为为气气体体的的摩摩尔尔质质量量MTTCMmQmVv)(12, dEdQV 已知已知dTCdEmV , dTCMmdEmV , 上式积分形式上式积分形式)(E12,1221TTCMmdTCMmEmVTTmV 二、等压过程二、等压过程 定压摩尔热容定压摩尔热容pdVdEdQp PVoV1V2等压过程中气体吸收的热量，一部分用来等压过程中气体吸收的热量，一部分用来增加气体的内能，一部分用来对外作功。增加气体的内能，一部分用来对外作功。)(1212VVpEEQp 有有对对

13、有有限限的的等等压压过过程程，则则设有设有1mol理想气体，在等压过程中所吸收地热量为理想气体，在等压过程中所吸收地热量为dQp，气，气体的温度升高体的温度升高dT，则气体的定压摩尔热容为，则气体的定压摩尔热容为dTCdQdTdQCmpppmp,或或写写出出 对质量为对质量为m的理想气体，在等压过程中，其温度由的理想气体，在等压过程中，其温度由T1改变改变为为T2时，所吸收的热量为时，所吸收的热量为为气体的摩尔质量为气体的摩尔质量MTTCMmQmpp)(12, pdVdEdQp dTdQCpmp ,dTpdVdTdEdTpdVdECmp ,dTCdEmV , )1 ( molRTPV RCCm

14、Vmp ,在实际应用中，常用到在实际应用中，常用到Cv，m和和Cp，m的比值，这个值为：的比值，这个值为：称称为为摩摩尔尔热热容容比比mVmpCC, 热容热容 C ， 单位：单位：J/ K 比热容比热容 c ， 单位：单位：J/kg K三、比热容（简称比热）三、比热容（简称比热）dTdQC 比热容为单位质量的热容，数学表达式为：比热容为单位质量的热容，数学表达式为：为为系系统统的的质质量量mmcC 对于液体、固体、电介质、磁介质等（或经历非等值过程对于液体、固体、电介质、磁介质等（或经历非等值过程的气体）来说，当其在某一微小过程中吸收热量的气体）来说，当其在某一微小过程中吸收热量dQ，温，温度

15、升高度升高dT，定义，定义C为系统在该过程中的热容。为系统在该过程中的热容。一、等温过程一、等温过程constRTMmPV 温度不变，有：温度不变，有：VPoIIIP1P2PdVV1V212ln 2121VVRTMmVdVRTMmPdVWQVVVV ：由由热热力力学学第第一一定定律律可可得得0 E内内能能：1.等温膨胀过程理想气体从外等温膨胀过程理想气体从外界吸收的热量全部转换为对界吸收的热量全部转换为对外作功；外作功；2.等温压缩过程外界对理想气等温压缩过程外界对理想气体所作的功全部转换为传给体所作的功全部转换为传给恒温热源的热量。恒温热源的热量。7.5 理想气体的等温过程和绝热过程理想气体

16、的等温过程和绝热过程2211VPVP 21lnPPRTW 系统在整个过程中始终不和外界交换热量的过程，叫绝热过程。系统在整个过程中始终不和外界交换热量的过程，叫绝热过程。绝热过程是一个理想过程，实际中是不存在的。数学表示为：绝热过程是一个理想过程，实际中是不存在的。数学表示为：0, 0 dQQ对于理想气体：对于理想气体：RTMmPV 取微分：取微分：RdTMmVdPPdV VPCCR RCCVP 二、绝热过程二、绝热过程dTCMmdTCCMmVdPPdVVVp)1()( 由热力学第一定律：由热力学第一定律：0 dWdEdQdTCMmdEPdVdWV 可得到：可得到：0 VdVPdP 积分积分c

17、onstVP lnln 以上三式称为以上三式称为理想气体的绝热过程方程理想气体的绝热过程方程)(21TTCMmEWV 理想气体绝热作功：理想气体绝热作功：RTMmPV )(2211RVPRVPCWV ) 1( VVPCCCR12211 VPVPconstVP lnln constPV )ln( constPV constRMmTPV /由理想气体状态方程由理想气体状态方程constTV 1 constTP 1绝热线与等温线的比较绝热线与等温线的比较PV绝热过程等温过程OA绝热过程：绝热过程：constPV 01 dPVdVPV VPdVdPQ )(等温过程：等温过程：constPV 0 VdP

18、PdVVPdVdPT )(TQdVdPdVdP)()( 所以绝热线与等温线更陡所以绝热线与等温线更陡1 用文字描述：用文字描述：PV=nRT等温过程：体积增大，气体密度减小，所以等温过程：体积增大，气体密度减小，所以p减小，但减小，但T不变。不变。绝热过程：体积增大，气体密度减小，且绝热过程：体积增大，气体密度减小，且T减小（也会引起压减小（也会引起压强降低），所以绝热减少的多强降低），所以绝热减少的多 热机是用热来做功的机器；热机是用热来做功的机器； 热机中被利用来吸热机中被利用来吸收热量并用来做功的物质叫工作物质收热量并用来做功的物质叫工作物质. 一系统，或工作物质，简称工质，经历一系列一

19、系统，或工作物质，简称工质，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，简变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程，简称循环。称循环。 以热电厂内水的变化为例，说明循环的意义。以热电厂内水的变化为例，说明循环的意义。 在理论上和实践上（热机的改进）有重要意义在理论上和实践上（热机的改进）有重要意义pV7.6 循环过程循环过程(Cyclical process) 卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle)ABCD1Q1A2A锅炉锅炉汽缸汽缸冷凝器冷凝器泵泵一定的水先从一定的水先从A中吸收热量中吸收热量Q1变成高温高压的蒸汽，然后变成高温高压的蒸汽，然后进入汽缸进入汽缸B在汽缸在汽缸B中

20、，蒸汽膨胀推动中，蒸汽膨胀推动活塞对外做功活塞对外做功A1，做功后变，做功后变为废气为废气废气进入冷凝器废气进入冷凝器C后，凝结后，凝结为水，放出热量为水，放出热量Q2最后由泵最后由泵D对冷凝水做功对冷凝水做功A2，将它压回锅炉，将它压回锅炉A，完，完成整个过程成整个过程u正循环过程对应热机，正循环过程对应热机， 逆循环过程逆循环过程 对应致冷机。对应致冷机。u循环为准静态过程，在状态图中对应闭合曲线。循环为准静态过程，在状态图中对应闭合曲线。VP正循环正循环一般从高温热库吸热一般从高温热库吸热Q1，对外做净功，对外做净功W，向低温热库放热，向低温热库放热Q2（只是表示数值），（只是表示数值）

21、，W=Q1 - Q20则为正循环；则为正循环； 反之为逆循环。反之为逆循环。回路所围面积表示一个循环中，系统对外所做净功回路所围面积表示一个循环中，系统对外所做净功 内能不变内能不变V例，在例，在P-V图图P正循环正循环逆循环逆循环以下内容不以下内容不做要求做要求热机效率热机效率在热机循环中对外所作的功在热机循环中对外所作的功A与它从高温热源吸收的与它从高温热源吸收的热量热量Q1的比值的比值热机效率：热机效率：(efficiency)1211QQQA 2122QQQAQw 致冷系数：致冷系数：(Coefficient of performance)AQQ 21Q2为从低温热源吸热为从低温热源吸

22、热 卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle)Q1Q2W高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质准静态循环，准静态循环，工质工质为为理想气体，只和两个理想气体，只和两个恒温热库交换热量。恒温热库交换热量。ABCD1Q1A2A锅炉锅炉汽缸汽缸冷凝器冷凝器泵泵1211lnVVRTMQ 1 2 和高温热源接触，等温膨胀，和高温热源接触，等温膨胀，吸收热量吸收热量23 汽缸从高温热库移开，气体汽缸从高温热库移开，气体绝热膨胀绝热膨胀34 汽缸和低温热库接触，等温压汽缸和低温热库接触，等温压缩，放出热量缩，放出热量4323422lnlnVVRTMVVRTMQ 41 汽缸从低温热库移开，绝热压缩

23、气体，使气汽缸从低温热库移开，绝热压缩气体，使气体回到初始状态体回到初始状态PVT1T21234121QQ12143212lnlnVVTVVTQQ PVT1T212341211lnVVRTMQ 4323422lnlnVVRTMVVRTMQ 121QQ由绝热过程方程由绝热过程方程132121 VTVT142111 VTVT4312VVVV PVT1T21234PVT1T21234卡诺循环的热机效率：卡诺循环的热机效率：121TT 卡卡 12143212lnlnVVTVVTQQ 121211TTQQ 7.7 热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律是热力学第二定律是关于热力学过程进行的方向性的规

24、律关于热力学过程进行的方向性的规律，是，是独立于热力学第一定律的自然界的另一基本规律。独立于热力学第一定律的自然界的另一基本规律。 热力学第一定律给出了各种形式的能量在能量热力学第一定律给出了各种形式的能量在能量转化过程中必需满足的能量守恒定律，对转化过程中必需满足的能量守恒定律，对过程的进过程的进行的方向行的方向没有给出任何限制。没有给出任何限制。 热力学中，所谓过程的方向，总是指自发过程的热力学中，所谓过程的方向，总是指自发过程的方向，因为一旦加上外来的干预，任何过程的方向问题方向，因为一旦加上外来的干预，任何过程的方向问题就变得毫无意义。就变得毫无意义。 然而，在自然界中，任何宏观自发过

25、程都是具然而，在自然界中，任何宏观自发过程都是具有方向性的。有方向性的。自发过程指在不受外界干预的条件下自发过程指在不受外界干预的条件下所进行的过程。所进行的过程。 热力学第二定律的表述热力学第二定律的表述开尔文表述（热机）开尔文表述（热机）： （1851年）年）不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响。产生其它影响。121QQ 也就是说，热机效率不可能为也就是说，热机效率不可能为100，即只从一个热源吸热并将，即只从一个热源吸热并将全部的热量转化为功。全部的热量转化为功。（第二代永动机不可能实现）（第二代永动机不可能实现

26、）克劳修斯表述（致冷）克劳修斯表述（致冷）AQw2 热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。也就是说，在外界没有作功的情况下，不可能达到致冷的目的，也就是说，在外界没有作功的情况下，不可能达到致冷的目的，即不能从低温物体吸收热量传到高温物体。即不能从低温物体吸收热量传到高温物体。两种表述的等价性：两种表述的等价性： （用反证法可以证明）（用反证法可以证明）吸吸高温热源高温热源T1热机热机致冷机致冷机放放低温热源低温热源T2吸Q1-Q2AQ2Q1=Q2+A高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2吸吸Q2热机热机吸Q1A=Q1Q2Q2开尔文表述不成立，则开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立克劳修斯表述也不成立克劳修斯表述不成立，则克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立开尔文表述也不成立