第09章热力学基础(1)精选文档.ppt

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1、第09章热力学基础(1)本讲稿第一页，共五十三页1.1.热力学过程热力学过程2.2.准静态过程准静态过程3.3.准静态过程的功准静态过程的功4.4.内能内能5.5.热量热量9-1热力学过程热力学过程内能、功和热量内能、功和热量本讲稿第二页，共五十三页1.1.热力学过程热力学过程系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程p12本讲稿第三页，共五十三页2.2.准静态过程准静态过程过程进行的每一步系统均处于平衡态过程进行的每一步系统均处于平衡态说明：说明：是一理想模型是一理想模型 当实际过程进行得非常缓慢，可当实际过程进行得非常缓慢，可近似近似认为是准认为是准静

2、态过程静态过程本讲稿第四页，共五十三页系统平衡态可用（系统平衡态可用（P-V）（或）（或P-T、V-T）描述）描述一个平衡态可用一个平衡态可用一个点一个点表示表示一个准静态过程：一个准静态过程：可用可用一条曲线一条曲线表示表示反之亦如此。反之亦如此。非准静态过程对应一条虚线非准静态过程对应一条虚线2(p2,V2,T2)OV p 1(p1,V1,T1)本讲稿第五页，共五十三页一般地，一般地，“无限缓慢无限缓慢”进行的过程可看成准静态进行的过程可看成准静态过程过程假定系统从某一平衡态开始变化，状态的变化必然会假定系统从某一平衡态开始变化，状态的变化必然会使原来的平衡受到破坏，需要经过一定的时间（称

3、为使原来的平衡受到破坏，需要经过一定的时间（称为弛豫时间弛豫时间）才能达到新的平衡态）才能达到新的平衡态例例.气缸气体的弛豫时间气缸气体的弛豫时间10-3 s常温下气体分子速率：常温下气体分子速率：容器线度容器线度为为1 m，1000 m/s则弛豫时间约为：则弛豫时间约为：本讲稿第六页，共五十三页压缩时间压缩时间 驰豫时间，相比是个缓慢的过程驰豫时间，相比是个缓慢的过程气缸一次压缩时间：气缸一次压缩时间：1010-2-2秒秒则该气缸压缩近似为准静态过程则该气缸压缩近似为准静态过程1010-2-2s s本讲稿第七页，共五十三页例：系统（初始温度例：系统（初始温度T1）从外界吸热）从外界吸热T1

4、T2若系统温度若系统温度T1 直接直接与热源与热源T2 接触：接触：非淮静态过程非淮静态过程T1T2T1T1+TT1+2TT1+3TT2本讲稿第八页，共五十三页3.3.准静态过程的功准静态过程的功系统对外做功系统对外做功说明说明 系统对外做功系统对外做功 系统所作的功在数值上等于系统所作的功在数值上等于P-VP-V图上图上 过程曲线以下的面积。过程曲线以下的面积。VV2V1Opm 12dlp12本讲稿第九页，共五十三页4.4.内能内能焦耳实验：焦耳实验：焦耳反复做了大量此类的实验，结果发现：用各种焦耳反复做了大量此类的实验，结果发现：用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，所需要的不同的绝热

5、过程使物体升高一定的温度，所需要的功是相等的。功是相等的。本讲稿第十页，共五十三页上述实验事实表明，系统一定存在一个态函数上述实验事实表明，系统一定存在一个态函数 E，称为内能，它在初态、末态之间的差值等于，称为内能，它在初态、末态之间的差值等于沿任意绝热过程外界对系统所作的功沿任意绝热过程外界对系统所作的功利用功来定义内能：利用功来定义内能：本讲稿第十一页，共五十三页理想气体：理想气体：内能是温度的单值函数：内能是温度的单值函数：-内能是状态的单值函数内能是状态的单值函数 E=E(V,T)微观上，热力学系统的内能是所有分子热运微观上，热力学系统的内能是所有分子热运 动的动能和分子间相互作用势

6、能之和。动的动能和分子间相互作用势能之和。一般气体：一般气体：本讲稿第十二页，共五十三页5.5.热量热量在功和内能的基础上可进一步引入热量的概念。在功和内能的基础上可进一步引入热量的概念。热传递：热传递：热力学系统之间的另一种相互作用，热力学系统之间的另一种相互作用，温度不同的两个系统接触时，冷的物温度不同的两个系统接触时，冷的物体温度会升高，热的物体温度会降低体温度会升高，热的物体温度会降低热功当量：热功当量：焦耳做了大量实验，发现传热和做功焦耳做了大量实验，发现传热和做功都可使物体温度升高，并精确地测出都可使物体温度升高，并精确地测出了传热和做功的数值关系了传热和做功的数值关系热功当量热功

7、当量热量：热量：热力学系统从外界吸收的热量定义为在不热力学系统从外界吸收的热量定义为在不做功过程中系统内能的增量做功过程中系统内能的增量本讲稿第十三页，共五十三页说明说明 从能量角度看，传热相当于内从能量角度看，传热相当于内能在不同系统之间的流动能在不同系统之间的流动 改变系统内能的两种途径：改变系统内能的两种途径：做功和热传递做功和热传递钻木取火钻木取火 热容量热容量摩尔热容量摩尔热容量Cm：比热容比热容 c：单位：单位：J/molK单位：单位：J/kgKC 与过程有关与过程有关dQ 为过程量为过程量本讲稿第十四页，共五十三页9-2热力学第一定律热力学第一定律本讲稿第十五页，共五十三页某一过

8、程，系统从外界吸收热量某一过程，系统从外界吸收热量Q，对外界做功，对外界做功W，系，系统内能从初始态统内能从初始态E1 变为变为E2，则由能量守恒：，则由能量守恒：QAp1E1p2E2热力学第一定律热力学第一定律本讲稿第十六页，共五十三页注意注意（4）Q，W，E的正负号：的正负号：（1）对一切热力学系统适用：对一切热力学系统适用：（固、液、气）（固、液、气）（2）对微元过程：）对微元过程：（3）对准静态过程：）对准静态过程：（5）热力学第一定律另一种表述：热力学第一定律另一种表述：第一类永动机制不成。第一类永动机制不成。W：系统对外做功为正，系统对外做功为正，外界对系统做功为负外界对系统做功为

9、负Q：吸热为正，放热为负：吸热为正，放热为负E：增大为正，减小为负：增大为正，减小为负本讲稿第十七页，共五十三页不工作机器博物馆不工作机器博物馆本讲稿第十八页，共五十三页据说，据说，13世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的边缘上等间隔地安装了子的边缘上等间隔地安装了12根可活动的锤杆根可活动的锤杆(如图如图1)。他设。他设想一旦轮子被启动想一旦轮子被启动,由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些，由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些，就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。本讲稿第十九页，共五十三页本讲稿第二十

10、页，共五十三页OverbalancedWheel本讲稿第二十一页，共五十三页SimonStevinsChain斯蒂文于斯蒂文于1568年写了一本年写了一本静力学基础静力学基础，明确地提出了永，明确地提出了永动机不可能实现的观点动机不可能实现的观点“神奇其实并不神奇神奇其实并不神奇”“运动没有尽头是荒谬的运动没有尽头是荒谬的”本讲稿第二十二页，共五十三页1570年，意大利的泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。年，意大利的泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球是一个磁石，铁球C受磁石吸引可沿斜面滚到上端的受磁石吸引可沿斜面滚到上端的E处，处，从小洞落下，经曲面返回，

11、复又被磁石吸引，铁球就可以沿从小洞落下，经曲面返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。螺旋途径连续运动下去。本讲稿第二十三页，共五十三页1681年，英国有一位著名的医生弗拉德提出一个建议，利用阿基米年，英国有一位著名的医生弗拉德提出一个建议，利用阿基米得螺旋（如图）把水池的水提到高处，再让升高的水推动水轮机，得螺旋（如图）把水池的水提到高处，再让升高的水推动水轮机，水轮机除了带动水磨做功以外，还可使阿基米得螺旋转不断提水，水轮机除了带动水磨做功以外，还可使阿基米得螺旋转不断提水，如此周而复始。如此周而复始。本讲稿第二十四页，共五十三页浸润永动机浸润永动机本讲稿第二十五页，共五十

12、三页BuoyancyMotorAwheelintheformofaperfectsphereorcylinderrotatesaboutafrictionlesshorizontalshaft.Theleftsideisinachamberfilledwithwater,perfect(frictionlessandleakproof)sealsaroundtherotatingwheelpreventtheliquidfromescaping.Theleftsideofthewheelthereforeexperiencesanupwardbuoyantforceduetotheliquid

13、itdisplaces.Sothatsidewillrise,andthewheelrotatesclockwise.本讲稿第二十六页，共五十三页CapillaryMotorcapillaryaction.Supposewehavesuchatubecapableofliftingtheliquidtoaheighth.Nowlowerthetubetoaheightlessthanh.Ormakeaholeinitssidebelowthetopoftheliquidcolumn.Theliquid,tryingtorisetoheighthwillthenspilloutthetopoft

14、hetube,whereaverytinywaterwheelcancaptureitsenergyasitfalls.本讲稿第二十七页，共五十三页Theshieldaperturespermiteacharmaturepoletoseeonlyacoupleofthemagnetsoftheouterring.Eacharmaturepoleisaffectedprimarilybythenorthpolesofthering,thosebeingnearest.Therefore,inthepositionshowninthepicture,theNpoleofthearmatureisr

15、epelled,experiencingaforcetotheleft.TheSpoleofthearmatureisattracted,experiencingaforcetotheright.Thesetwoforcesmakeacouple,whichrotatesthearmatureclockwise.MagneticShieldEngine本讲稿第二十八页，共五十三页Itmaybeperpetualmotion,butitwilltakeforevertotestit.Cartoon by Donald Simanek.本讲稿第二十九页，共五十三页1）将一理想气体封闭起来（）将一理

16、想气体封闭起来（m 不变）不变）2）特殊的等值过程：过程中某一状态）特殊的等值过程：过程中某一状态参量不变参量不变3）在）在p-V 图中给出过程曲线图中给出过程曲线4）计算）计算W、Q、E 和和C9-3热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用本讲稿第三十页，共五十三页1.1.等体过程等体过程热力学过程中体积保持不变热力学过程中体积保持不变过程方程：过程方程：dV=0功：功：dW=0W=0热量：热量：(dQ)V=dEQV=E2-E1内能（理想气体）：内能（理想气体）：过程方程、状态方程过程方程、状态方程本讲稿第三十一页，共五十三页定体摩尔热容：定体摩尔热容：证明：证明：热力学

17、第一定律热力学第一定律理想气体：理想气体：本讲稿第三十二页，共五十三页2.2.等温过程等温过程热力学过程中温度保持不变热力学过程中温度保持不变过程方程：过程方程：dT=0 或或 pV=const.功和热量：功和热量：对理想气体：对理想气体：内能内能:dW=dQ=pdVp1p2TVO pV1 V2本讲稿第三十三页，共五十三页思考：等温过程的摩尔热容量思考：等温过程的摩尔热容量=？本讲稿第三十四页，共五十三页3.3.等压过程等压过程热力学过程中压强保持不变热力学过程中压强保持不变过程方程：过程方程：p=const.热量：热量：内能内能:pVO pV1 V2功：功：本讲稿第三十五页，共五十三页定压摩

18、尔热容：定压摩尔热容：证明：证明：p=const.迈耶公式迈耶公式状态方程：状态方程：过程方程：过程方程：本讲稿第三十六页，共五十三页定压摩尔热容：定压摩尔热容：定体摩尔热容：定体摩尔热容：热容比：热容比：单原子气体：单原子气体：双原子气体：双原子气体：多原子气体：多原子气体：同一状态下同一状态下1 mol 的理想气体温度升高的理想气体温度升高1K，等压过等压过程需要吸收的热量比等体过程中吸收的热量多程需要吸收的热量比等体过程中吸收的热量多8.31 J：这是因为在这两个过程中内能的增量相同，这是因为在这两个过程中内能的增量相同，但是等压过程需要吸收更多的热量用于对外做功。但是等压过程需要吸收更

19、多的热量用于对外做功。本讲稿第三十七页，共五十三页用用值和实验比较：值和实验比较：351.67571.40681.33（常温下（常温下)符合得很好符合得很好本讲稿第三十八页，共五十三页4.4.绝热过程（绝热过程（*重点重点*）热力学过程中没有任何热传递热力学过程中没有任何热传递过程方程：过程方程：转化成对转化成对(p，V，T)的的约束方程约束方程绝热过程方程绝热过程方程Q0W本讲稿第三十九页，共五十三页证明：证明：从热力学第一定律出发从热力学第一定律出发微分得：微分得：本讲稿第四十页，共五十三页讨论讨论 过程曲线过程曲线 p O V 过程方程的其它形式过程方程的其它形式本讲稿第四十一页，共五十

20、三页 绝热过程曲线比等温线陡绝热过程曲线比等温线陡绝热线绝热线 等温线等温线 O V p本讲稿第四十二页，共五十三页 绝热过程的功绝热过程的功 p O V1 V2 V绝热线绝热线 本讲稿第四十三页，共五十三页 绝热过程内能的改变绝热过程内能的改变 绝热过程的热容量呢？绝热过程的热容量呢？本讲稿第四十四页，共五十三页解：解：先求原体积先求原体积V1(1)等压过程：等压过程：本讲稿第四十五页，共五十三页(2)等温过程：等温过程：本讲稿第四十六页，共五十三页(3)绝热过程：绝热过程：本讲稿第四十七页，共五十三页V(103m3)2 a b1p(105Pa)26O 本讲稿第四十八页，共五十三页V(103

21、m3)2 a b1p(105Pa)26O (1)内能改变（双原子理想气体）：内能改变（双原子理想气体）：(2)功：功：(3)热量：热量：本讲稿第四十九页，共五十三页V(103m3)2 a b1p(105Pa)26O 本讲稿第五十页，共五十三页V(103m3)2 a b1p(105Pa)26O 用斜率求：用斜率求：等温线斜率：等温线斜率：等温线斜率：等温线斜率：最高温度时：最高温度时：V=1.2510-3m3V=(35/24)10-3m3之前吸热之前吸热本讲稿第五十一页，共五十三页热力学第一定律小结热力学第一定律小结：热力学第一定律：热力学第一定律：内能增量：内能增量：功（准静态过程）：功（准静态过程）：热容：热容：比热容：比热容：摩尔热容：摩尔热容：定体摩尔热容：定体摩尔热容：定压摩尔热容：定压摩尔热容：迈耶公式：迈耶公式：比热容比比热容比：等体过程；等体过程；等压过程；等压过程；等温过程；等温过程；绝热过程：绝热过程：（以上过程中（以上过程中的计算；教材的计算；教材P18）本讲稿第五十二页，共五十三页作业：作业：9-4、9-5、9-8本讲稿第五十三页，共五十三页