大学物理热力学基础.ppt
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1、第十五章第十五章热力学基础热力学基础115.1热力学第一定律热力学第一定律(First law of thermodynamics)热力学热力学是用能量的观点是用能量的观点,从宏观上研究物质状态从宏观上研究物质状态变化时变化时,热量(热量(Q),功(功(A)及内能()及内能(E)变化)变化规律的学科规律的学科.一、一、准静态过程准静态过程(quasi-staticprocessquasi-staticprocess)系统与外界有能量交换时,其状态会发生变系统与外界有能量交换时,其状态会发生变化。系统从一个状态到另一个状态的变化过化。系统从一个状态到另一个状态的变化过程,称为热力学过程。程,称为
2、热力学过程。2气体气体活塞活塞砂子砂子12 过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。3初平衡态初平衡态 一系列非一系列非平衡态平衡态末平衡态末平衡态 热力学中,为能利用平衡态的性质,引入热力学中,为能利用平衡态的性质,引入准静态过程的概念。准静态过程的概念。准静态过程:准静态过程:系统的每一状态都系统的每一状态都无限接近无限接近于于平衡态平衡态的过的过程。即程。即准静态过程是由一系列平衡态组成准静态过程是由一系列平衡态组成的过程。的过程。4快快非平衡态非平衡态缓慢缓慢接近平衡态接近平衡态准静态过程准静态过程是一个是一个理想化理想化的过程,是实际过的过程,
3、是实际过程的近似只有过程进行得无限缓慢,每个中程的近似只有过程进行得无限缓慢,每个中间态才可看作是平衡态。间态才可看作是平衡态。非准静态过程非准静态过程准静态过程准静态过程52(p2,V2)1(p1,V1)(p,V)过程曲线过程曲线准静态过程可以用准静态过程可以用过程曲线过程曲线来表示:来表示:VO p改变系统状态的方法:改变系统状态的方法:1.作功作功 2.传热传热一个点代表一个平衡态一个点代表一个平衡态6二、二、功功热量热量内能内能功是过程量功是过程量摩擦升温(机械功)、摩擦升温(机械功)、电加热(电功)电加热(电功)加热加热加热加热搅拌作功搅拌作功搅拌作功搅拌作功做功可以改变系统的状态:
4、做功可以改变系统的状态:功功是能量传递和转换是能量传递和转换的量度。它引起系统热的量度。它引起系统热运动状态的变化运动状态的变化 。7热热量量(过程量过程量)通过传热方式传递能量的量度,系统和外界之间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存在温差而发生的能量传递.1)过程量:与过程有关;)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卡卡=4.18 J ,1 J=0.24卡卡
5、功与热量的异同功与热量的异同8u系统系统的内能是状态量的内能是状态量(如同如同 P、V、T等量)等量)这种取决于系统状态的能量称为热力学系统的这种取决于系统状态的能量称为热力学系统的内能。内能。内能内能(状态量)(状态量)u对于一定质量的气体对于一定质量的气体:内能一般有内能一般有 E=E(T,V)或或E=E(T,P)u 对于一定质量的对于一定质量的理想气体:理想气体:E=E(T)对于对于刚性理想气体公式:刚性理想气体公式:(只是温度的单值函数)(只是温度的单值函数)(:摩尔数摩尔数 i :自由度自由度3 3、5 5、6)6)三、热力学第一定律三、热力学第一定律(Thefirstlawofth
6、ermodynamics)系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加,另一部分使系统对外界作功。增加,另一部分使系统对外界作功。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设某一过程,系统从外界吸热设某一过程,系统从外界吸热 Q,对外界做功,对外界做功 A A,系统内能从初始态,系统内能从初始态 E E1 1变为变为 E E2 2,则数学表达,则数学表达式:式:对于任一元过程对于任一元过程热力学第一定律是反映热现象中热力学第一定律是反映热现象中:能量转化与守能量转化与守恒的定律。恒的定律。+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
7、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11热力学第一定律热力学第一定律另一另一叙述:叙述: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。热力学第一定律适用于热力学第一定律适用于 任何系统任何系统(气液固气液固)的任何过程的任何过程(非准静态过程也适用非准静态过程也适用)。功、热量是过程量:功、热量是过程量:只表示微量,不是数学上的全微分;只表示微量,不是数学上的全微分;E是状态函数,是状态函数,dE是微分。是微分。12第一类第一类第一类第一类永动机:永动机:永动机:永动机:E E22-E E1 1=0=0 (循环)循
8、环)循环)循环)Q Q=0=0 (外界不供给能量)外界不供给能量)外界不供给能量)外界不供给能量)W W 00 (对外界作功对外界作功对外界作功对外界作功)13直接由定义计算法直接由定义计算法(忽略磨擦)气体对外界作功:(忽略磨擦)气体对外界作功:四、准静态过程中功的计算四、准静态过程中功的计算dls14 若若A0 系统对外界作功系统对外界作功若若 A0 外界对系统作功外界对系统作功注意:注意:作功与过程有关作功与过程有关.15例例.摩尔理想气体从状态摩尔理想气体从状态1 1状态状态2 2,设温,设温度不变过程。求气体对外所作的功是多少?度不变过程。求气体对外所作的功是多少?【解解】123体积
9、功的几何意义是什么?体积功的几何意义是什么?132的的功是不是此值?功是不是此值?1615.2热力学第一定律对定值过程的应用热力学第一定律对定值过程的应用一、等体(容)过程一、等体(容)过程由热一律:由热一律:得:得:说明:吸热说明:吸热内能增加;放热内能增加;放热内能减少。内能减少。17二、等压过程二、等压过程由热力学第一律:由热力学第一律:对有限等压过程:对有限等压过程:或:或:18三、等温过程三、等温过程由热力学第一律:由热力学第一律:对有限等温过程:对有限等温过程:19四、热容四、热容设设质量为质量为M 的的物质,温度由物质,温度由T变化到变化到T+T 所吸收所吸收的热量为:的热量为:
10、式中式中c是物质的比热,表示单位是物质的比热,表示单位质量的质量的物体在温度升物体在温度升高(或降低)高(或降低)1K时所吸收(或放出)的热量。时所吸收(或放出)的热量。Mc是物质的热容,用大写的是物质的热容,用大写的C来表示,其定义式为:来表示,其定义式为:物体的热容一般与温度有关,也与过程有关。物体的热容一般与温度有关,也与过程有关。201 1mol mol 物质的热容称物质的热容称 c 为为摩尔热容:摩尔热容:一摩尔物质一摩尔物质(温温度度T T 时时)温度升高(或降低)温度升高(或降低)1K1K所吸收(或放出)的所吸收(或放出)的热量。热量。同种物质在不同的热力学过程中有不同的量值,最
11、常用同种物质在不同的热力学过程中有不同的量值,最常用的是的是等体过程等体过程和和等压过程等压过程中的中的热容热容 .l定体摩尔热容定体摩尔热容设设1 摩尔物质摩尔物质(温度温度T 时时)温度升高温度升高dT 所吸收的热量所吸收的热量为为dQ,则,则21理想气体理想气体的定体摩尔热容:的定体摩尔热容:对一元对一元过程过程所以:所以:有:有:22l定压摩尔热容定压摩尔热容 对于理想气体对于理想气体定压过程定压过程再由理想气体状态方程有再由理想气体状态方程有 PdV=RdT(迈耶公式)(迈耶公式)对一元对一元过程过程23注意:注意:对于理想气体对于理想气体,公式公式 dE=CV dT不仅适用于定体过
12、程,而且适用于其他过程。不仅适用于定体过程,而且适用于其他过程。【证明证明】如图,红线为一任意过程曲线,如图,红线为一任意过程曲线,总能作一个总能作一个“定体定体+等温等温”辅助过辅助过程程来连接始末两点,来连接始末两点,就有就有任意任意定体定体等温等温24l泊松比泊松比(比热比比热比)(poissonsratio):(也称为也称为比热比比热比)或或 对单原子分子对单原子分子,=3,=1.67 对刚性双原子分子对刚性双原子分子,=5,=1.40 对刚性多原子分子对刚性多原子分子,=6,=1.33 的的理论值理论值:热容量是可以实验测量的。热容量是可以实验测量的。例题例题15.1P259页页25
13、在解决实际问题时,注意应用下列四个公式:在解决实际问题时,注意应用下列四个公式:(1)热力学第一定律;)热力学第一定律;(2)内能公式(对理想气体);)内能公式(对理想气体);(3)状态方程(对理想气体);)状态方程(对理想气体);(4)过程方程。)过程方程。一一个个实实际际过过程程可可能能是是几几个个分分过过程程的的组组合合,求求解解时时将整个过程分解为几个分过程。将整个过程分解为几个分过程。26例例:一一定定量量的的理理想想气气体体从从初初态态a(P1,V1)经经等等温温过过程程到到达达体体积积为为4V1的的b态态,再再经经过过等等压压过过程程到到达达c,最最后后经经等等容容过过程程回回到
14、到a点点。求求整整个个过过程程系系统统对对外外所所作作的的功功和和吸收的热量。吸收的热量。解:(解:(1)画出)画出P-V图图a(P1,V1)b(Pb,4V1)c(Pc,V1)V14V1VP(2)整个过程由三个过程组成:整个过程由三个过程组成:等温、等压和等容,因此等温、等压和等容,因此显然:显然:27(3)计算每个过程的热量和功:计算每个过程的热量和功:等温:等温:等压:等压:等容:等容:(4)整个吸收的热量和功:)整个吸收的热量和功:28例题:例题:设质量一定的单原子理想气体开始时压强设质量一定的单原子理想气体开始时压强为为3.039105Pa,体积为体积为1L,先作等压膨胀至体积为先作等
15、压膨胀至体积为2L,再作等温膨胀至体积为再作等温膨胀至体积为3L,最后被等体冷却到压强最后被等体冷却到压强为为1.013105Pa。求气体在全过程中内能的变化、所作求气体在全过程中内能的变化、所作的功和吸收的热量。的功和吸收的热量。解解 (1)(1)如图,如图,abab、bcbc、及、及cdcd分别分别表示等压膨胀、等表示等压膨胀、等温膨胀及等体冷却温膨胀及等体冷却过程。过程。1 12 23 33 31 10 0V/LV/LP P/(1.013101.013105 5PaPa)a ab bc cd d29在状态在状态d,压强为压强为pd=1.013105Pa,体积为体积为Vd=3L由图可求出由
16、图可求出1 12 23 33 31 10 0V/LV/LP P/(1.013101.013105 5PaPa)a ab bc cd d30(2 2)在在全全过过程程中中内内能能的的变变化化E E 为为末末状状态态内内能能减减去去初初状状态态内内能能,有有理理想想气气体体内内能能公公式式及及理想气体状态方程得:理想气体状态方程得:1 12 23 33 31 10 0V/LV/LP P/(1.013101.013105 5PaPa)a ab bc cd d31(3 3)在全过程中所)在全过程中所作的功等于在各分过程中作的功等于在各分过程中所作的功之和,即:所作的功之和,即:A=Ap+AT +AVA
17、p=pa(Vb-Va)=31.01310510-3J =304J1 12 23 33 31 10 0V/LV/LP P/(1.013101.013105 5PaPa)a ab bc cd d32在等体过程中气体不作功,即在等体过程中气体不作功,即 AV=0所以所以A=Ap+AT+AV=304J+246J+0J=550J(4)吸收的热量?吸收的热量?3315.3绝热过程绝热过程(adiabaticprocess)绝热过程:绝热过程:的过程。的过程。特征:特征:下列条件下的过程可视为绝热过程:下列条件下的过程可视为绝热过程:系统和外界没有热量交换的过程。系统和外界没有热量交换的过程。良好绝热材料包
18、围的系统发生的过程良好绝热材料包围的系统发生的过程;进行得较快而来不及和外界发生热交换进行得较快而来不及和外界发生热交换(过程时间过程时间 1)1)数学方法数学方法【证明证明】设一等温线和一绝热线在点相交设一等温线和一绝热线在点相交二、绝热线与等温线的比较二、绝热线与等温线的比较绝热线绝热线等温线等温线38(1 1)从)从A点沿等温膨胀过程点沿等温膨胀过程 V -n -P (2 2)从)从A点沿绝热膨胀过程点沿绝热膨胀过程 V -n -P 且因绝热对外做功且因绝热对外做功 E -T -P P3 P.(注意绝热线上各点温度不同)(注意绝热线上各点温度不同)物理方法物理方法绝热线绝热线等温线等温线
19、 p 39三、理想气体的多方过程:三、理想气体的多方过程:理想气体的热容理想气体的热容 C 为常数的过程为常数的过程 统统称为多方过程称为多方过程。n称为多方指数称为多方指数可以证明可以证明多方过程多方过程的过程方程为:的过程方程为:多方过程是理想气体范围更大的一类过程,多方过程是理想气体范围更大的一类过程,它包括等温、等体、等压、绝热以及其他它包括等温、等体、等压、绝热以及其他许多过程。许多过程。40如,如,n=0等压;等压;n=1等温;等温;n=绝热;绝热;n=等容;等容;也也包括了包括了n 为其它正值的各种过程,例如介于等为其它正值的各种过程,例如介于等温与绝热之间的更实际的过程。温与绝
20、热之间的更实际的过程。V n=0=0=1=1n=n=nP气体作功为气体作功为:(P264 例例15.2 例例15.3)41例例:有有1mol刚刚性性多多原原子子分分子子理理想想气气体体,原原来来的的压压强强为为1.0atm,温温度度为为27 C。若若经经过过一一绝绝热热过过程程,使使其其压压强强增增加加到到16atm.试试求求(1)气气体体内内能能的的增增量量;(2)该该过过程程中中气气体体所作的功;(所作的功;(3)终态时气体的分子数密度。)终态时气体的分子数密度。解:(解:(1)从绝热方程可求得终态的温度:)从绝热方程可求得终态的温度:V V V VP P P PO O2 21 1绝热绝热
21、曲线曲线42(2)功等于:)功等于:(3)由)由,可得,可得V V V VP P P PO O2 21 1绝热绝热曲线曲线所以:所以:43热机发展简介热机发展简介1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可年纽可门先后发明了门先后发明了蒸汽机蒸汽机,当时蒸汽机的效率极低,当时蒸汽机的效率极低.1765年瓦特进行了重大改进年瓦特进行了重大改进,大大提高了效率,大大提高了效率.人们一直在为提高热机的效率而努力,人们一直在为提高热机的效率而努力,从理论从理论上研究热机效率问题,上研究热机效率问题,一方面指明了提高效率一方面指明了提高效率的方向,的方向,另一方面也推动了热学理论的发展另一方面也推动了热学
22、理论的发展.各种热机的效率各种热机的效率:液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机15.4循环过程循环过程卡诺循环卡诺循环44实例:火力发电厂的热力循环实例:火力发电厂的热力循环 又回到初态的整个过程叫循环过程又回到初态的整个过程叫循环过程。系统系统(如热机中的工质)经一系列变化后如热机中的工质)经一系列变化后水泵水泵A1 A2 Q1锅炉锅炉汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器电力输出电力输出 Q2 绝热绝热VO|Q2|p饱饱 pQ1A一、循环过程:一、循环过程:45 循环过程特征:循环过程特征:所以:曲线所包围的面积等于做功的大小。所以:曲线所包围的面积等于做功的大小。u 正循环正循
23、环(热机循环热机循环)(顺时针)系统对外作功(顺时针)系统对外作功,按按这种方式工作的机器叫热机。这种方式工作的机器叫热机。u 逆逆循环循环(致冷循环致冷循环)()(逆时针逆时针)外界对系统作功外界对系统作功,按这按这种方式工作的机器叫制冷机。种方式工作的机器叫制冷机。如果循环的各阶段均为准静态过程,则循环过程如果循环的各阶段均为准静态过程,则循环过程可用状态图(如可用状态图(如 p p V V 图)上的闭合曲线表示。图)上的闭合曲线表示。46工作物质工作物质(工质):热机中被利用来吸收热量并对外(工质):热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质做功的物质.热机热机循环示意图循环示意图47冷机冷
24、机循环示意图循环示意图48 热机必须进行循环过程。热机必须进行循环过程。只是等温膨胀的过程是能否作热机?只是等温膨胀的过程是能否作热机?PVT系统在一正循环中系统在一正循环中,从高温热源吸热从高温热源吸热 对外作的净功为:对外作的净功为:系统内能增量:系统内能增量:向低温热源放热向低温热源放热二二.循环效率循环效率 答答:不能不能.49定义定义热循环效率热循环效率:逆循环过程中,设外界对工质作功为逆循环过程中,设外界对工质作功为A A,工质,工质从低温热源(冷库)吸收的热量为从低温热源(冷库)吸收的热量为Q Q2 2,向高温热源,向高温热源放出的热量放出的热量 Q Q1 1=Q=Q2 2+A+
25、A,其效率用制冷系数表示:,其效率用制冷系数表示:A A相同时,相同时,Q Q2 2越大,致冷系数越高,即致冷效果越好。越大,致冷系数越高,即致冷效果越好。50 三、三、卡诺循环及其效率卡诺循环及其效率卡诺循环卡诺循环卡诺循环能流图卡诺循环能流图卡诺循环:卡诺循环:两个两个等温过程等温过程和两个和两个绝热过程绝热过程构成的构成的理想理想化循环。化循环。1824年法国的年青工程师卡诺提出一个工作年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在在两两热源之间的热源之间的理想理想循环循环卡诺卡诺循环循环.给出了热机给出了热机效率的理论极限值效率的理论极限值;他还提出了著名的卡诺定理他还提出了著名的卡诺定理.12
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