《热力学改编》PPT课件.ppt

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1、首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出1 第第7 7章章 热力学基础热力学基础7.1 7.1 内能内能 功和热量功和热量 准静态过程准静态过程7.2 7.2 热力学第一定律热力学第一定律7.3 7.3 气体的摩尔热容量气体的摩尔热容量 7.4 7.4 绝热过程绝热过程7.5 7.5 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环7.6 7.6 热力学第二定律热力学第二定律首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出27.1内能内能功和热量功和热量准静态过程准静态过程一、内能一、内能 功和热量功和热量内能内能（1 1）理想气体内能）理想气体内能（2 2）内能增量）内能增量理想气体内能仅是温度理想气体内

2、能仅是温度T 的函数。一个的函数。一个状态状态（T）对应一个内能。对应一个内能。PVo1(P1,V1,T1)2(P2,V2,T2)系统由状态系统由状态1（T1）2（T2），内能的改变只与系统初、），内能的改变只与系统初、末状态（末状态（T）有关，与）有关，与P、V无关，与具体过程无关。无关，与具体过程无关。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出3改改变变系系统统内能的两种方式：（内能的两种方式：（1）外界外界对对系系统统作功；作功；（2）向系）向系统传递热统传递热量。量。作功作功A外界通外界通过过宏宏观观的有的有规则规则运运动动来完成的来完成的把外界有把外界有规则规则的机械运的机械运动动

3、能量能量系系统统内分子无内分子无规则规则运运动动能量能量传递热传递热量量Q 通通过过分子无分子无规则规则运运动动来完成的（焦耳来完成的（焦耳“J”）把系把系统统外物体的分子无外物体的分子无规则规则运运动动能量能量系系统统内分子无内分子无规则规则运运动动能量能量热热功当量：功当量：1cal=4.18J(卡卡“cal”)首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出非静态过程：过程变化的许多中间状态都不是平衡态。非静态过程：过程变化的许多中间状态都不是平衡态。实际过程进行得非常缓慢，可近似认为是准静态过程。实际过程进行得非常缓慢，可近似认为是准静态过程。1.准静态过程：过程变化的每一瞬间，系统都近似

4、平衡态。准静态过程：过程变化的每一瞬间，系统都近似平衡态。准静态过程是一个理想模型准静态过程是一个理想模型二、准静态过程二、准静态过程P T ba例：密闭容器例：密闭容器气体气体快速膨胀快速膨胀例：密闭容器例：密闭容器气体气体无限缓慢绝热自由膨胀无限缓慢绝热自由膨胀首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出(P2 V2 T2)VPoP-V 图图(P1 V1 T1)一个点一个点平衡态平衡态一条连续曲线一条连续曲线准静态过程准静态过程曲线方程曲线方程过程方程过程方程曲线上箭头方向曲线上箭头方向过程进行方向过程进行方向P-V 图上等压线、等体线、等温线。图上等压线、等体线、等温线。2.准静态过程系

5、统状态图准静态过程系统状态图等体线等体线等压线等压线等温线等温线V1V2P首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出功的正负规定功的正负规定三、三、准静态过程的功准静态过程的功1.体积功的计算体积功的计算系统体积膨胀系统体积膨胀系统对外界做功为正系统对外界做功为正A 0，A 或或dA系统体积被压缩系统体积被压缩系统对外界做功为负系统对外界做功为负A 0就等于循环曲线所围的面积。就等于循环曲线所围的面积。一、热机一、热机热机效率热机效率abc，（1）内能增量：）内能增量：1正循环过程中的热力学第一定律正循环过程中的热力学第一定律（2）功：）功：cda，abcda 整个循环过程，系统对外作的净功

6、整个循环过程，系统对外作的净功A净A净=A1A2正循环：正循环：A净 0 系统膨胀对外作功系统膨胀对外作功A1系统被压缩对外作功系统被压缩对外作功(A2)首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出Q1VP正循环正循环整个循环过程，系统从外界吸收的净热量整个循环过程，系统从外界吸收的净热量Q净系统从高温热源吸收热量系统从高温热源吸收热量Q1，Q2意义：系统从高温热源吸收的热量意义：系统从高温热源吸收的热量Q1，一部分对外作功一部分对外作功A净，另一部分，另一部分Q2以传热以传热方式放回外界，正循环是一种通过工质不方式放回外界，正循环是一种通过工质不断将热量转换为功的循环。断将热量转换为功的循环

7、。（3）热量）热量系统向低温热源放出热量系统向低温热源放出热量Q2。A1高温热源高温热源T2低温热源低温热源热机热机Q1Q2热力学第一定律：热力学第一定律：首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出2.热机热机热机的效率热机的效率（1）热机：能完成正循环的装置）热机：能完成正循环的装置热机工作目的：把从外界吸收的热量不断转换为对外作功。热机工作目的：把从外界吸收的热量不断转换为对外作功。A1高温热源高温热源T2低温热源低温热源热机热机Q1Q2首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出（2）热机效率热机效率（效能的重要标志）（效能的重要标志）定义：在一次循环过程中，热机对外所做的功定义：在一

8、次循环过程中，热机对外所做的功A 与从高温热源吸收热量与从高温热源吸收热量Q1之比之比意义：热机从高温热源中吸收的热量意义：热机从高温热源中吸收的热量Q1中中有多少转化为对外做的功有多少转化为对外做的功A净。或或A1高温热源高温热源T2低温热源低温热源热机热机Q1Q2能量守恒能量守恒首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出47热机热机效率效率液流涡轮机液流涡轮机48%蒸汽涡轮机蒸汽涡轮机46%内燃机内燃机37%蒸汽机蒸汽机8%表表7.3几种热机的效率几种热机的效率首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出adbcPV1V2Vo48奥托四冲程热机：四冲程图奥托四冲程热机：四冲程图压缩比：压

9、缩比：（3）奥托循环）奥托循环V V1 1V V2 2进气阀进气阀进气阀进气阀排气阀排气阀排气阀排气阀进气阀吸气：进气阀吸气：fa 等压膨胀，等压膨胀，1.ab 绝热压缩，工质处于高温高压状态。绝热压缩，工质处于高温高压状态。2.bc 等容爆炸燃烧，工质吸收热量等容爆炸燃烧，工质吸收热量Q1。3.cd 绝热膨胀绝热膨胀,气体对外作功。气体对外作功。4.da 等体放热，排出废气带走热量等体放热，排出废气带走热量Q2，回到初态回到初态a。奥托循环：由两条绝热线和两条等奥托循环：由两条绝热线和两条等容容线构成。线构成。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出49P243例例7.3内燃机循环之一：

10、奥托循环，如图所示，计算热机效率内燃机循环之一：奥托循环，如图所示，计算热机效率PVabcdV1V2Q2Q1解：解：bc等体升压，吸热等体升压，吸热Q1da等体降压，放热等体降压，放热Q2(绝对值）绝对值）循环效率：循环效率：ab绝热压缩绝热压缩cd绝热膨胀绝热膨胀结论：奥托循环效率结论：奥托循环效率，只取决于体积压缩比只取决于体积压缩比。随随 增大而增大。增大而增大。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出50结论：奥托循环效率结论：奥托循环效率，只取决于体积只取决于体积压缩比压缩比。随随增大而增大增大而增大讨论：讨论：1.汽油内燃机汽油内燃机 7，2.柴油机柴油机 1220，实际值实际

11、值：=40%若若=7，实际值实际值：=25%PVabcdV1V2Q2Q1ab绝热压缩绝热压缩首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出51cdA净 01.逆循环过程中的热力学第一定律逆循环过程中的热力学第一定律（2）功）功（1）内能增量）内能增量二、致冷系数二、致冷系数外界对系统做功外界对系统做功VP逆循环逆循环（3）热量）热量首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出52意义：外界对系统作功（意义：外界对系统作功（A净），系统），系统从低温热源吸收热量从低温热源吸收热量Q2，系统把这些能，系统把这些能量以传热方式向外界高温热源放出热量量以传热方式向外界高温热源放出热量Q1。热力学第一定律

12、：热力学第一定律：即即（3）热量）热量系统从外界低温热源吸热系统从外界低温热源吸热Q2系统从外界吸收的净热量系统从外界吸收的净热量Q1Q21高温热源高温热源T2低温热源低温热源A致冷机致冷机VP逆循环逆循环向外界高温热源放热向外界高温热源放热Q1首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出532.致冷系数致冷系数（1）致冷机：能完成逆循环的装置致冷机：能完成逆循环的装置（2）致冷系数）致冷系数e1高温热源高温热源T2低温热源低温热源A致冷机致冷机e 定义：一次循环过程中，致冷机从低定义：一次循环过程中，致冷机从低温热源吸取热量温热源吸取热量Q2，与外界对致冷机所，与外界对致冷机所做功做功 之比

13、。之比。Q2一次循环从外界低温热源吸收总热量绝对值一次循环从外界低温热源吸收总热量绝对值Q1一次循环向高温热源放出总热量绝对值一次循环向高温热源放出总热量绝对值意义：意义：致冷机致冷机从低温热源吸收热量从低温热源吸收热量Q2，外界必须对工质做功，外界必须对工质做功外界做的功越少，从低温热源吸收热量越多，致冷机性能越好。外界做的功越少，从低温热源吸收热量越多，致冷机性能越好。制冷系数制冷系数e 可以大于可以大于1，等于，等于1，或小于，或小于1。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出54 电冰箱工作原理电冰箱工作原理压缩机压缩机冷凝器冷凝器节流阀节流阀冰室冰室高温高压气态制冷剂高温高压气态

14、制冷剂液化降温（放热液化降温（放热Q1）（等压压缩）（等压压缩）低温低压气态低温低压气态制冷剂制冷剂高高温高压（绝热温高压（绝热压缩）压缩）膨胀膨胀进一步进一步降温降温（绝热膨胀）（绝热膨胀）进入冷冻室进入冷冻室液态制冷剂汽化（吸热液态制冷剂汽化（吸热Q2）(等压膨胀等压膨胀)首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出低温低压气态制冷剂高温高压（绝热压缩）放热液化（进入储液器）（等压压缩）（节流阀）进入冷凝器汽化（吸热）绝热膨胀降温(等压膨胀)被汽化的制冷剂再度被吸入压缩机首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出19世纪上半叶，人们认识到要使热世纪上半叶，人们认识到要使热机有效工作，热机

15、必须最少在两个温度机有效工作，热机必须最少在两个温度不同的热源之间工作。不同的热源之间工作。问题：这样的热机能达到的最大效率是多少？问题：这样的热机能达到的最大效率是多少？1824年法国青年科学家卡诺，发表了他关于热机效率年法国青年科学家卡诺，发表了他关于热机效率的理论。他提出：在两个温度不同的热源之间工作的热机，的理论。他提出：在两个温度不同的热源之间工作的热机，如按他所设计的循环工作，热机效率最大，并给出了最大如按他所设计的循环工作，热机效率最大，并给出了最大效率。为提高热机效率指明方向。效率。为提高热机效率指明方向。二二.卡诺循环卡诺循环首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出POV

16、（2）工质从高温热源）工质从高温热源T1吸热吸热Q1，（1）由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环；）由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环；只有两个恒温热源。只有两个恒温热源。向低温热源向低温热源T2放热放热Q2，卡诺循环特征：卡诺循环特征：1高温热源高温热源T2低温热源低温热源热机热机A2314卡诺热机：完成卡诺正循环的热机卡诺热机：完成卡诺正循环的热机首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出POV123423绝热膨胀绝热膨胀:12等温膨胀等温膨胀:34等温压缩等温压缩:41绝热压缩绝热压缩:吸热吸热Q1，体积：，体积：温度降低温度降低1.卡诺热机效率卡诺热机效率得得T=0Q =0放热

17、放热Q2，体积：，体积：T=0，Q =0，温度升高温度升高:首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出说明：说明：卡诺循环对外作的净功卡诺循环对外作的净功卡诺循环效率卡诺循环效率（1）要完成一次卡诺循环必须要有两个温度不同）要完成一次卡诺循环必须要有两个温度不同的恒温源（冷源和热源）多也不行，少也不行。的恒温源（冷源和热源）多也不行，少也不行。（3）由于不能实现）由于不能实现或或，所以，所以（4）可以证明，在相同高温热源）可以证明，在相同高温热源T1和低温热源和低温热源T2之间工作的之间工作的一切热机中，卡诺热机的效率最高。一切热机中，卡诺热机的效率最高。（2）只与两个热源温度只与两个热源温

18、度T1、T2有关。有关。T1越高，越高，T2越低，越低，越大。越大。h h h h 1高温热源高温热源T2低温热源低温热源热机热机A首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出说明：说明：e只与两个热源温度只与两个热源温度T1、T2有关，有关，T1越高，越高，T2越低，越低，e越小越小意味着从温度越低的冷源中吸意味着从温度越低的冷源中吸取相同的热量取相同的热量Q2，外界需要消耗更多的功，外界需要消耗更多的功A。一般条件下使用的制冷机，一般条件下使用的制冷机，e大致在大致在27之间。之间。1高温热源高温热源T2低温热源低温热源A致冷机致冷机2.2.卡诺逆循环的致冷系数（卡诺致冷机）卡诺逆循环的致

19、冷系数（卡诺致冷机）卡诺致冷机：卡诺循环逆向进行卡诺致冷机：卡诺循环逆向进行首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出61P P246246例例7.47.4一卡诺致冷机从温度为一卡诺致冷机从温度为10 10 的冷库中吸取热量，的冷库中吸取热量，释放到温度释放到温度27 27 的室外空气中，若致冷机耗费的功率是的室外空气中，若致冷机耗费的功率是1.5 kW1.5 kW，求，求(1)(1)每分钟从冷库中吸收的热量；每分钟从冷库中吸收的热量；(2)(2)每分钟向室外空气中释放的热量每分钟向室外空气中释放的热量.(1)(1)根据卡诺致冷系数有根据卡诺致冷系数有所以，从冷库中吸收的热量为所以，从冷库中

20、吸收的热量为 (2)(2)释放到室外的热量为释放到室外的热量为1=300K（高）（高）T2=263K（低）（低）致冷机致冷机解解:A=1.5kw首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出62补充例题：一补充例题：一卡诺热机（可逆的），低温热源的温度为卡诺热机（可逆的），低温热源的温度为27oC，热机效率为热机效率为40%，求：，求：（1）高温热源温度（）高温热源温度（K）；）；（2）若将热机效率提高到）若将热机效率提高到50%，保持低温热源温度不变，高温，保持低温热源温度不变，高温热源温度增加多少热源温度增加多少K？解解（1）T2=273+27=300K（2）首首 页页 上上 页页 下下 页

21、页退退 出出问题：满足能量守恒的过程一定都能实现吗？问题：满足能量守恒的过程一定都能实现吗？功热转换过程具有方向性。功热转换过程具有方向性。例：在无其它影响时，功可自动的转换为热。例：在无其它影响时，功可自动的转换为热。m热能自动转化为功吗？热能自动转化为功吗？热一定律：一切热力学过程都必须满足能量守恒定律热一定律：一切热力学过程都必须满足能量守恒定律一切实际的热力学过程只能按一定方向进行，反方向热力学一切实际的热力学过程只能按一定方向进行，反方向热力学过程是不可能实现的，尽管反方向过程不违犯能量守恒定律。过程是不可能实现的，尽管反方向过程不违犯能量守恒定律。7.6热力学第二定律热力学第二定律

22、首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出1.开尔文表述开尔文表述问题：制造一个问题：制造一个热机可能吗？热机可能吗？第二类永动机第二类永动机:失败！失败！强调强调:1.:1.从从单一热源吸热而不引起其它变化，单一热源吸热而不引起其它变化，2.循环过程。循环过程。QP P（热机）不可能从单一热源吸收热量，通过循环过程使它（热机）不可能从单一热源吸收热量，通过循环过程使它完全转变为功，而不引起其它变化。或第二类永动机不可能完全转变为功，而不引起其它变化。或第二类永动机不可能造出（造出（）等温膨胀热全部转化为功等温膨胀热全部转化为功一一.热力学第二定律热力学第二定律AT0Q1(两种两种表述表述)

23、首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出不可能把热量从低温物体传向高温物体，不可能把热量从低温物体传向高温物体，而不引起其它变化而不引起其它变化强调：强调：不引起其它变化。不引起其它变化。若有外界帮助，热量可若有外界帮助，热量可以从低温物体传向高温物体。以从低温物体传向高温物体。或：热量不可能自动地从或：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体低温物体传向高温物体2.克劳修斯克劳修斯表述表述 T1（高温）（高温）T2（低温）（低温）Q （自动的）（自动的）Q 首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出AB可逆过程可逆过程设在某一过程设在某一过程P中，系统从状态中，系统从状态A变化到状态变化

24、到状态B。如果能使系统进行逆向变化，。如果能使系统进行逆向变化，从状态从状态B回复到初状态回复到初状态A，而且在回复到初态，而且在回复到初态A时，周围的一切也都各自恢复原状，过程时，周围的一切也都各自恢复原状，过程P就就称为可逆过程。称为可逆过程。不可逆过程不可逆过程如果系统不能回复到原状态如果系统不能回复到原状态A，或者虽能回，或者虽能回复到初态复到初态A，但周围一切不能恢复原状，那么过程，但周围一切不能恢复原状，那么过程P称为不称为不可逆过程。可逆过程。二、可逆和不可逆过程二、可逆和不可逆过程首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出（3）气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的）气体向

25、真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的adFcb（1）功热转换是不可逆的）功热转换是不可逆的-开尔文开尔文表述表述(自动的自动的)热力学第二定律指出如下几个过程为不可逆过程热力学第二定律指出如下几个过程为不可逆过程（2 2）热传导）热传导不可逆性不可逆性-克劳修斯克劳修斯表述表述(自动的自动的)首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出一切与热现象有关的实际宏观过程都是不一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，这是热力学第二定律的本质或核心可逆的，这是热力学第二定律的本质或核心三、热力学第二定律的核心意义三、热力学第二定律的核心意义首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出2、在相同的高温

26、热源与相同的低温热源之间工作的一切不可、在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切不可逆机的效率不可能高于可逆机的效率。逆机的效率不可能高于可逆机的效率。1、在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切可逆机，、在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切可逆机，不论用什么工作物质，效率相等。不论用什么工作物质，效率相等。可逆机可逆机可逆循环对应的热机。可逆循环对应的热机。不可逆机不可逆机不可逆循环对应的热机。不可逆循环对应的热机。等号对应可逆热机等号对应可逆热机不等号对应不可逆热机不等号对应不可逆热机A1高温热源高温热源T2低温热源低温热源热机四四.卡诺定理卡诺定理首首 页页 上上

27、页页 下下 页页退退 出出补充例题：如图所示补充例题：如图所示，AB、DC 是绝热过程，是绝热过程，CEA 是等温过程，是等温过程，BED 是任意过程，组成一个是任意过程，组成一个循环。若图中循环。若图中EDCE 所包围的面积为所包围的面积为70J，EABE 所包围的面积为所包围的面积为30J，CEA 过程中系统放过程中系统放热热100J，求，求BED 过程中系统吸热为多少过程中系统吸热为多少解：解：（1）EDCE循环循环E1=0，外界对系统做功，外界对系统做功(膨胀膨胀)A1=-70J系统吸收热量系统吸收热量Q1=-A1=70JEABE循环循环E2=0，外界对系统做功，外界对系统做功(压缩压

28、缩)A2=30J系统吸收热量系统吸收热量Q2=-A2=-30J整个循环系统吸收热量整个循环系统吸收热量Q=Q1+Q2=70+（-30）=40J（2）整个循环中，）整个循环中，AB、DC 是绝热过程，没有热量交换，是绝热过程，没有热量交换，CEA过程吸收热量过程吸收热量Q1=-100J，BED过程吸收热量过程吸收热量Q2整个循环系统吸收热量整个循环系统吸收热量Q=Q1+Q2=40JQ2=Q-Q1=40-（-100）=140J首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出71（2）等压过程）等压过程补充例题：补充例题：0.02kg的氦气（视为理想气体），温度由的氦气（视为理想气体），温度由17oC升

29、为升为27oC，若在升温过程中：若在升温过程中：（1）体积保持不变；）体积保持不变；（2）压强保持不变；）压强保持不变；（3）不与外界交换能量。）不与外界交换能量。分别求出气体内能改变、吸收热量、气体对外界做功。分别求出气体内能改变、吸收热量、气体对外界做功。解解：（：（1）等体过程）等体过程（3）绝热过程）绝热过程温度变化相同温度变化相同温度变化相同温度变化相同Q=0A=0首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出72补充例题：一定量的刚性双原子分子气体，开始时处于压强为补充例题：一定量的刚性双原子分子气体，开始时处于压强为P0=1.0105Pa，体积为，体积为V0=410-3m3，温度为，温度为T0=300K的初态，的初态，后经等压膨胀过程温度上升到后经等压膨胀过程温度上升到T1=450K，再经绝热过程温度回到，再经绝热过程温度回到T2=300K，求整个过程中对外做的功。，求整个过程中对外做的功。解：解：等压过程气体对外做功等压过程气体对外做功绝热过程绝热过程Q=0气体对外做功气体对外做功所以所以整个过程气体对外做功整个过程气体对外做功