第三章热力学基础优秀课件.ppt

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1、第三章 热力学基础1第1页，本讲稿共81页一、系统与环境 热力学通常把研究对象叫做热力学系统，简称系统或工质。系统以外且与系统有相互作用的一切物质统称为环境或外界。根据系统与外界的关系，可把系统分为：1、孤立系统（与外界既无能量交换也无物质交换）2、封闭系统（与外界有能量交换，但无物质交换）3、开发系统（与外界既有能量交换也有物质交换）2第2页，本讲稿共81页二、准静态过程 热力学过程非准静态过程准静态过程 一个过程，如果任意时刻的中间态都无限接近于一个平衡态，则此过程为准静态过程。显然，这种过程只有在进行得“无限缓慢”的条件下才可能实现。(2)准静态过程3第3页，本讲稿共81页准静态过程按特

2、点分类：等容过程 等压过程 等温过程 绝热过程4第4页，本讲稿共81页例 下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Pe必等于此时气体的压强P，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，可以用系统本身的状态参量来表示。三、准静态过程的功、热量和内能PS1.准静态过程中的功5第5页，本讲稿共81页 为简化问题，只考虑无摩擦准静态过程的功。当活塞移动微小位移dx时，外力所作的元功为：在该过程中系统对外界作功:系统体积由V1变为V2，系统对外界作的总功为：讨论讨论系统对外作正功；系统对外作负功；系统不作功。PS6第6页，本讲稿共81页功的图示：比较 a

3、,b下的面积可知，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，即功是过程量。等于PV 图上过程曲线下的面积。由积分意义可知，7第7页，本讲稿共81页2.内能热力学系统的内能：所有分子热运动的动能和分子间势能的总和。热力学系统的内能是温度的单值函数。理想气体：内能的改变只决定于初、末状态而与所经历的过程无关。内能是状态量。8第8页，本讲稿共81页改变系统内能的两种不同方法：钻木取火 通过做功的方式将机械能转换为物体的内能。烤火 通过热量传递提高物体内能。9第9页，本讲稿共81页 热量是过程量,是系统与外界能量转换的量度。在这一点上热量传递和作功是等效的。都是能

4、量传递的形式,都是过程量,而不是状态量。做功可以改变系统的状态,使系统内能改变.摩擦升温（机械功）、电加热（电功）作功是系统内能与外界其它形式能量转换的量度。当系统和外界温度不同时，就会发生热量传递，热量传递可以改变系统的状态,使系统内能改变.3.热量 10第10页，本讲稿共81页 某一过程，系统从外界吸热Q，对外界做功A，系统内能从E1 变为E2，则由能量守恒：系统从外界吸收的热量，一部分使系统内能增加，另一部分用于对外作功。热力学第一定律:四、热力学第一定律对无限小过程：11第11页，本讲稿共81页热力学第一定律表明:一切热力学过程都必须服从能量守恒定律。它适用于包括生命现象在内的一切热力

5、学的体系和过程。第一类永动机是不可能造成的。如果系统对外作功是通过体积的变化来实现的，则规定系统内能增加,E 0；系统内能减少，E 0;系统放出热量,Q 0；外界对系统作功,A 0；12第12页，本讲稿共81页l l第一定律适用范围：第一定律适用范围：与过程是否是准静态无关。即准静态过程和非静态过程均适用。但为便于实际计算，要求初终态为平衡态。例1.某一定量气体，吸热800J，对外作功500J，由状态A 经变到状态B，气体内能改变了多少？若气体沿过程由状态B 回到状态A，外界作功300J，求热量的改变量？解：13第13页，本讲稿共81页五、理想气体的摩尔热容量1.热容量 质量M物质，温度升高或

6、降低dT 时,吸收或放出的热量为dQ，则 称该物质的热容量.单位:J/K。对于理想气体，dQ 为过程量，则有14第14页，本讲稿共81页2.摩尔热容量 1mol 物质，温度升高或降低dT 时,吸收或放出的热量为dQ，则 称该物质的摩尔热容量.单位:J/mol K。对于M 质量理想气体，dQ 为过程量，则有:3.比热 1kg 物质，温度升高或降低dT 时,吸收或放出的热量为dQ，则 称该物质的比热.单位:J/kg K。15第15页，本讲稿共81页第2节 热力学第一定律及其应用一、等容过程dV=0，dA=PdV=0，或 A=0。1.过程方程PV 02.特点3.应用16第16页，本讲稿共81页比较（

7、1）（2）结果得二、等压过程1.过程方程12P2 10V VV2.特点3.应用17第17页，本讲稿共81页18第18页，本讲稿共81页V1V2VP单原子分子气体：双原子刚性分子气体:多原子刚性分子气体:19第19页，本讲稿共81页三、等温过程1.过程方程2.特点3.应用PVP1P2.V2等温线V120第20页，本讲稿共81页例2 5g氢气,温度为300K，体积为4.0010-2 m3,先使其等温膨胀到体积为8.0010-2 m3,再等压压缩到4.0010-2 m3,最后使之等容升温到原来状态，求各过程的功、热量和内能变化。（补充）解：21第21页，本讲稿共81页(2)bc,等压压缩过程(1)a

8、b,等温膨胀过程22第22页，本讲稿共81页(3)ca,等容升温过程23第23页，本讲稿共81页四、绝热过程 1.绝热过程：系统与外界无热量交换的过程。绝热过程是理想过程。近似途径：绝热隔离；快速进行。2.绝热过程的过程方程 由热力学第一定律，在绝热过程中 dQ=0,dA=-dE,即:由理想气体状态方程微分得：两式联立，整理得：积分得：24第24页，本讲稿共81页根据泊松方程，在P-V图上可画出理想气体绝热过程所对应的曲线，称为绝热线。绝热线比等温线陡。泊松方程由等温过程方程PV=恒量，等温线在A点处的切线斜率为：所以，绝热线比等温线陡。绝热等温证明：设绝热线与等温线交于A点。由泊松方程，绝热

9、线在A点处的切线斜率为：25第25页，本讲稿共81页例3、设有5moL的H2，初态压强为 温度为20，求在下列过程中，将氢气压缩为原来体积的0.1需要做的功（1）等温过程（2）绝热过程。（1）对等温过程，氢气由1到2态时环境对系统所做的功为：26第26页，本讲稿共81页27第27页，本讲稿共81页五、多方过程介于等温和绝热之间的过程称为多方过程。常量T P常量T V常量PV11=n-n-nn28第28页，本讲稿共81页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。若工质为理想气体，其循环是准静态过程，则此循环可用

10、P-V图上的一条闭合曲线表示。箭头表示过程进行的方向。理想气体在整个循环过程中对外做的净功等于曲线所包围的面积。PVabcd0一、循环过程1.循环过程第3节 循环过程、卡诺循环29第29页，本讲稿共81页沿顺时针方向进行的循环称为正循环。沿逆时针方向进行的循环称为负循环。按正循环过程工作的机器称热机，按负循环过程 工作的机器称致冷机。2.正循环 热机效率 内能不变,吸收热量,对外做功(净功大于零)。热机的工作是利用工质不断地将热量转变为功。热量转变为功最理想的过程是理想气体等温膨胀：E=0,Q=A,但不能持续工作。PVabcd0(1)正循环特点：(2)热机30第30页，本讲稿共81页高温热源低

11、温热源热机Q吸Q放A热机的工作原理 蒸汽机的循环过程Heating 锅炉冷凝器水泵蒸汽水水池31第31页，本讲稿共81页(3)热机效率(4)规定 高温热源是温度为T1的热库，低温热源是温度为T2 的冷库;与高温热源交换的热量为 Q1，与低温热源交换的热量为Q2;Q1 Q2 都为绝对值。高温热源低温热源热机Q吸Q放A32第32页，本讲稿共81页3.负循环 致冷机的致冷系数 内能不变,外界对系统做功(净功小于零),系统放热。(2)致冷机PVabcd0 致冷机的工作是通过对工质做功，把低温物体的热量传递给高温物体。致冷机的目的：将热量由低温物体传到高温物体，使高温物体降温。例如空调、冰箱等。(1)负

12、循环特点：33第33页，本讲稿共81页(3)致冷机的致冷系数致冷机的工作原理高温热源致冷机Q吸A=Q放-Q吸Q放低温热源34第34页，本讲稿共81页例4、1moL氦气经如图所示的循环其中P2=2P1，V4=2V1，求在1-2、2-3、3-4、4-1等过程中气体与环境的热量交换以及循环的效率（氦气视为理想气体）。解：由各过程特点和理想气体状态方程可得所以各过程气体与外界交换的热量：35第35页，本讲稿共81页气体吸收的总热量为：（2）经历一个循环，系统放出的总热量为：所以热机的效率为：思考:也可利用图示法计算循环过程所做的净功。36第36页，本讲稿共81页 例3.3（课本P76）如图所示，设有1

13、mol 的双原子分子理想气体，做12 3 1循环过程（2 3为绝热过程），已知P0，V0。求：（1）气体在各个过程中所传递的热量；（2）循环中气体所作的功；（3）循环效率。37第37页，本讲稿共81页二、卡诺循环 卡诺(Sadi Carnot)1796-1832法国物理学家，热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来的人。他出色地、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)。38第38页，本讲稿共81页1824年卡诺提出了一个理想循环-卡诺循环。它以理想气体为工质，整个过程只与一个高温热源和一个低温热源交换能量,由两个

14、等温过程和两个绝热过程组成。Q1Q2A高温热源T1低温热源T2工质abcdVV VPV V203 1 4T12T绝热线Q2Q139第39页，本讲稿共81页1)ab 等温膨胀吸热,对外做功2)bc 绝热膨胀 内能减小，对外做功 3)cd 等温压缩放热,外界做功 4)da 绝热压缩 外界做功，内能增大1.卡诺正循环abcdVV VPV V203 1 4T12 T40第40页，本讲稿共81页 循环过程为卡诺循环，没有散热，漏气和摩擦等因素存在的热机叫卡诺热机,其效率为:2.卡诺热机的效率理想气体卡诺循环的效率只与两热源的温度有关上式仅适用于卡诺热机。卡诺循环必须有高温和低温两个热源。卡诺热机的效率与

15、工作物质无关，只与两个热源的温度有关。卡诺循环为理想循环，是理想气体忽略摩擦、漏气等损耗的循环。41第41页，本讲稿共81页Q1Q2A高温热源T1低温热源T23.卡诺负循环 工质把从低温热源吸收的热量Q2 和外界对它所做的功 A 以热量Q1的形式传给高温热源.abcdVV VPV V203 1 4T12T Q2Q142第42页，本讲稿共81页4.卡诺致冷机的致冷系数以理想气体为工质的卡诺致冷机的致冷系数为 这是在T1和T2两热源间工作的各种致冷机 的致冷系数的最大值.由于T20,则卡0.43第43页，本讲稿共81页例5 0.32Kg氧气作如图所示abcda的循环，设V2=2V1,求循环效率。解

16、：注意，此循环不是卡诺循环。由效率定义：bcadPV44第44页，本讲稿共81页例6 有一卡诺致冷机，从一温度为-10的冷藏室中吸热而向温度为20的外界放热。设该机所消耗功率为15KW，那么每分钟从冷藏室吸收多少热量？向外界放出多少热量？解：Q1Q2A高温热源T1低温热源T245第45页，本讲稿共81页 热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。观察与实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，或者说是有方向性的。例如，热量可以从高温物体自动地传给低温物体，但是却不能自动地从低温物体传到高温物体。对这类问题的解释需要一个独立于热力

17、学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律。为此，首先介绍可逆过程和不可逆过程的概念。前 言第4节 热力学第二定律46第46页，本讲稿共81页一、可逆过程和不可逆过程可逆过程:在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态,而不引起其它变化.不可逆过程:在不引起其它变化的条件下,不能使逆过程重复正过程的每一状态,或者虽然能重复,但必然会引起其它变化.47第47页，本讲稿共81页卡诺循环是可逆循环。l 可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不 能真正达到。因为，实际过程都是以有限的速 度进行，且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗 散因素，所以必然是不可逆的。l 经验和事实表明，自然界中真实存

18、在的过程都自然界中真实存在的过程都 是按一定方向进行的，都是不可逆的。是按一定方向进行的，都是不可逆的。例如：在热现象中，这只有无摩擦、无机械能损失的、无限缓慢的平衡过程才是可逆过程。48第48页，本讲稿共81页 理想气体自由膨胀是不可逆的。在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个容器。最后达到平衡态。其逆过程由平衡态回到非平衡态是不可能自动发生的。理想气体的自由膨胀.理想气体的自由膨胀 49第49页，本讲稿共81页热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达到热平衡。其反过程不能自动进行，使两物体温差增大。自然

19、界自发进行的过程都是不可逆的。热传导 功热转换通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的，即热不能自动转化为功；唯一效果是热全部变成功的过程是不可能的。功热转换过程具有方向性。50第50页，本讲稿共81页 热力学第二定律是一条经验定律，因此有许多叙述方法。最早提出并作为标准表述的是1850年克劳修斯提出的克劳修斯表述和1851年开尔文提出的开尔文表述。1.热力学第二定律的表述二、热力学第二定律51第51页，本讲稿共81页*(1)克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。与之相应的事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，热量将由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低温物体传到

20、高温物体。如果借助致冷机，当然可以把热量由低温物体传递到高温物体，但要以外界做功为代价，也就是引起了其它变化。克氏表述说明热传导过程是不可逆的。52第52页，本讲稿共81页*(2)开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功,而不产生其它影响。与之相应的事实是，功可以完全转变为热，但要把热完全变为功而不产生其它影响是不可能的。如实际中热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。热全部变为功的过程也是有的，如理想气体等温膨胀,但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。开氏表述说明功变热

21、的过程是不可逆的。53第53页，本讲稿共81页3.热力学第二定律的宏观实质：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的；一切实际过程都是不可逆的；可逆过程只是一种理想模型；热力学第二定律是反映过程进行条件和方向的定律。2.两种表述的等效性两种表述的等效性可用反证法证明。54第54页，本讲稿共81页以气体自由膨胀为例：两个分子时，分子分布的所有可能状态如右图：AB 两个分子又全部返回A边的可能性（几率）为：A B三、热力学第二定律的统计意义55第55页，本讲稿共81页三个分子时，分子分布的所有可能状态为：三个分子全部返回A边的几率占 若有N个分子，全部返回A边的几率为一摩尔气体有 个分子,则全部

22、返回A边的几率为,实际上是不可能出现的.56第56页，本讲稿共81页 热力学系统内部发生的过程总是由几率小的宏观状态向几率大的宏观状态进行，亦即由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行，而与之相反的过程，没有外界的影响是不可能自动实现的。不可逆过程的实质：57第57页，本讲稿共81页热力学第二定律适用范围：适用于有限范围内的孤立系统。将热二律推广至整个宇宙 有序无序（混乱度增加），宇宙的熵将趋于极大，宇宙的能量都将成为不可用能量，一切宏观变化都将停止，宇宙将进入一个死寂的永恒状态。其错误在于：宇宙一直在膨胀，是开放系统。热寂说：58第58页，本讲稿共81页定理一：在相同

23、高温热源与低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机，都具有相同的效率。定理二：工作在相同高温热源与低温热源之间的所有不可逆机的效率总是小于可逆机的效率。四、卡诺定理59第59页，本讲稿共81页提出问题：热力学第二定律表明，一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的，具有过程进行的自发性。我们能否找到一个状态函数，并用这个状态函数在初、终两态的差异或单向变化的性质来判断实际过程进行的方向呢？第5节 熵与熵增加原理60第60页，本讲稿共81页 结论：可逆卡诺循环中,热温比总和为零.热温比 等温过程中吸收或放出的热量与热源温度之比.1.可逆卡诺热机一、熵函数的引入重新启用热力学第一定律的正负号的规定，有6

24、1第61页，本讲稿共81页任一微小可逆卡诺循环对所有微小循环求和当时，则2.任意的可逆循环 结论:对任一可逆循环过程,热温比之和为零.62第62页，本讲稿共81页 表明：对于一个可逆过程，该积分只决定于系统的初、末状态，而与过程无关。于是可以引入一个只决定于系统状态的函数熵 熵S S。假设任意可逆循环过程沿 1a2b1 进行，则12ab63第63页，本讲稿共81页 热力学系统从初态 A 变化到末态 B，系统熵的增量等于初态 A 和末态 B 之间任意一可逆过程热温比（）的积分.3.熵的定义 熵的单位*AB CDE 可逆过程 64第64页，本讲稿共81页二 熵变的计算（1）熵是态函数，当始末两平衡

25、态确定后，系统的熵变也是确定的,与过程无关。因此，不可逆过程的熵变计算，可在始末两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变。（3）当系统分为几个部分时，各部分的熵变之和等于系统的总熵变。(2)熵变是表征系统无序程度的物理量，熵变越大，系统的无序程度越高。65第65页，本讲稿共81页例1、求质量M理想气体（设摩尔质量为u）的几个等值过程的熵变。66第66页，本讲稿共81页可逆绝热过程熵变为零，又称等熵过程，绝热线又称等熵线。结论:67第67页，本讲稿共81页 例2 质量M的理想气体进行自由膨胀，由V1 到V2，求熵的变化。解：设计一可逆过程来计算a）1-2等温过程PVV1V2a12b3b）1-

26、3 等压过程,3-2 等容过程4cc)1-4 绝热过程,4-2 等压过程68第68页，本讲稿共81页绝热壁例3 求自发热传导中的熵变 设在微小时间 内,从 A 传到 B 的热量为.说明：孤立系统中不可逆过程熵是增加的。69第69页，本讲稿共81页三熵增加原理对孤立系统过程：如果过程是不可逆的，系统内的每一部分之间都存在热量的传递，；如果过程是可逆的，系统内的每一部分之间没有热量的传递，和外界也没有热量的交换，所以。熵增加原理：在 在孤立系统 孤立系统中发生的自发过程，系统中发生的自发过程，系统的的熵永不减少。或者说:在孤立系统中发生的自发过程，总 在孤立系统中发生的自发过程，总是沿着熵增加的方

27、向进行 是沿着熵增加的方向进行。70第70页，本讲稿共81页 熵增加原理指出了自然界中一切自发过程进行的方向和限度，其限度是熵函数达到极大值。所以它是热力学第二定律统一的数学表达式。在理解熵增加原理时要注意：1.熵增加原理只适用于孤立系统孤立系统。熵值表示孤立系统内能 熵值表示孤立系统内能量的耗散和退化的程度。量的耗散和退化的程度。2.对于非孤立系统，熵有可能增加，也有可能减少。71第71页，本讲稿共81页补充知识：耗散结构理论 人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命系统却越来越有序，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。比利时科学家普里高津提出了耗散结

28、构理论，解释了这个问题。72第72页，本讲稿共81页生命活动本身就是一个耗散过程，从食物的消化到人的工作，都要生热，其熵值是不断增加的。符合熵增加原理。然而对于生命来说，熵值达到最大值就是死亡。所以，要活着，生物有机体就必须使自身保持低熵的状态。如何做到呢？生命和熵增加原理73第73页，本讲稿共81页原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成。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。当系统无序度增大时系统不断消耗能源与物质，从外界获取负熵，从而使系统在较高层次保持有序。74第74页，本讲稿共81页 耗散结构理论在社会学方面应用：一个开放的社会，通过输入能源、信息、新技术输出自

29、已的产品、技术等，才能使社会在更高层次保持有序。耗散结构理论指出：系统要形成有序结构必须是开放系统。75第75页，本讲稿共81页例4 将0.30kg 90 的水与0.70kg 20 的水混合达到热平衡，求:(1)热水的熵变;(2)冷水的熵变;(3)若把两部分水视为一孤立系统，系统的熵变。(已知水的比热为4.18103J Kg-1 K-1)。解:由能量守恒求平衡时的温度：孤立系统中的不可逆过程熵变大于零。76第76页，本讲稿共81页本章小结一、热力学第一定律1.热力学第一定律:系统内能增加,E 0；系统内能减少，E 0;系统放出热量,Q 0；外界对系统作功,A 0；77第77页，本讲稿共81页2.第一定律的应用（1初态，2末态）78第78页，本讲稿共81页二、循环过程(E=0,Q=A)79第79页，本讲稿共81页三、热力学第二定律1.可逆过程和不可逆过程。2.热力学第二定律的两种表述。（要记住）四、卡诺定理五、熵（态函数）1.定义:2.理想气体等值过程的熵变80第80页，本讲稿共81页六、熵增加原理：孤立系统：对对可逆可逆过程过程,系统的系统的熵熵不变不变；对对不可逆不可逆过程，过程，系统的熵系统的熵增加 增加增加。81第81页，本讲稿共81页