大学物理第三章2热力学第一定律.ppt

关于全国物理竞赛的通知 1.本周五（12月7号）9:00-18:00带学生证到 理学院B座302房间领取准考证； 2.本周日（12月9号）中午12点在学校东门统一乘车 去考试； 所带证件：身份证，学生证，准考证 考试时间： 14:00-16:30 地点：北航大学沙河校区 注意：17:00考完试后统一乘车回校； 1 上节课内容回顾 3.1 准静态过程 3.2 功、热、内能 3.3 热力学第一定律及应用 一热力学第一定律 二理想气体的等值过程 3.4 热容 3.5 绝热过程 2 3.6 循环过程 3.7 卡诺循环 3.8 致冷循环 作业： 3.20，3.23，3.24 3 内燃机的工作循环(奥托循环) 4 内燃机的工作循环(奥托循环) 奥托循环的一个周期是由吸气过程、压缩过程、 膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成。 1.首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一 个或者多个气门进入气缸，关闭进气门； 2.活塞向上运动压缩混合气体； 3.然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气 体，燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运 动，完成做功冲程； 4.最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。 5 内燃机的工作循环(奥托循环) 1. 绝热压缩12, 气体从 (V1，T1)态变态变 到(V2，T2)态 2. 等体吸热23, 气体从 (V2，T2)态变到(V2，T3)态 3. 绝热膨胀34, 气体从 (V2，T3)态变到(V1，T4)态 4. 等体放热41, 气体从 (V1，T4)态变到(V1，T1)态 6 3.63.6 循环过程 循环过程（Cyclic Process): p过程按顺时针进行叫正循环，反之，叫逆循环。 1、循环过程特征 d E=0 E=0 2、任何循环过程可由若干个分过程过程组成。 3、热量和功计算：按各不同的分过程进行， 总合起来求得整个循环过程的净热量、净功。 若系统（工作物质）经过一系列变化后 又回复到初始状态，这一过程叫循环过程。 7 一,正循环 如图系统状态沿顺时针方向变化。 为了计算循环过程做的功，把过程分为 AaB、BbA 两个分过程。 8 AaB ：系统做的功等于曲线AaB 下的面积， 由于过程中系统的体积连续膨胀，系统对外做正功。 BbA ：系统做的功等于曲线 BbA下的面积， 系统的体积连续被压缩，系统对外做负功。 9 整个循环过程系统做的净功 等于两块面积之和， 由于正负关系，重叠部分的 面积被抵消，只剩下闭合曲线 所围面积。 10 整个循环过程系统做的净功 等于闭合曲线所围面积。 对正循环 正循环的结果是系统从热源净吸热并对外界做净功。 把使系统进行正循环的设备称作热机， 如:内燃机、蒸汽机等就是实际的热机， 热机一般需要高低两个热源， 其发生的能量转换关系可用下图表示: u热机工作原理: 二,热机 11 p热机工作必须进行一个个循 环。在循环过程中，系统所吸 收的热量Q1 不能全部用来对外 做功（A=Q1-|Q2|），必须有一 部分热量（Q2 ）放到低温热源 ，才能循环。 p结论：p热机至少要在两个热源中进行循环，从高 温热源吸收热量，然后放一部分到低温热源 去，两个热源的温度差就是是热动力源。 热机 动画 低温热源T2 高温热源T1 u热机工作原理 12 低温热源T2 热机 高温热源T1 p热机一般需要高低两个热源，其 发生的能量转换关系可用下图表示 p热机工作一个循环净吸热等 于热机做的净功 u热机效率 (efficiency) 意义：吸收的单位热量有多少转变为对外做的功。 u显然： 热机效率： 12 等温压缩 34 p V 1 V1 2 V2 4 V4 T1 T2 Q1 Q2 V3 3 绝热 膨胀 绝热 压缩 等温膨胀 系统从高温热源 T1 吸热，吸收热量 向低温热源 T2 放热，放出热量 （大小） p卡诺热机效率计算 由热机效率公式，得：又由： 得： 16 从单一热源吸取热量的热机是不可能的。 卡诺热机的效率只与 T1、T2有关，与工作物无关。 讨论 u卡诺正循环效率 两热源的温度差越大，效率越高。 意味着提高热机的效率有两中途径： l一种提高高温热源的温度； l另一种是降低低温热源的温度。 实际上后一种办法是不经济的，通常都是采用前一种方法， 这就是为什么火力发电场要尽可能提高水蒸汽的温度。 17 例题 现代热电厂水蒸汽的温度可达850K，冷凝水的 温度300K，如按卡诺循环计算，效率=？ T1=850K， T2 =300K p但实际上36% p卡诺循环只是一种理想模型 =1-T2/T1=1-300/850=0.65 （或65%） u卡诺正循环效率 18 一,负循环 如图,系统状态沿逆时针方向变化。 把过程分为 AbB、BaA 两个分过程。 3.8 3.8 致冷循环 19 BaA：系统做的功等于曲线 BaA 下的面积， 过程中系统的体积连续被压缩，系统对外做负功。 AbB ：系统做的功等于曲线 AbB 下的面积， 系统的体积连续膨胀，系统对外做正功。 20 整个循环过程系统做的净功 等于两块面积之和， 由于正负关系，重叠部分的 面积被抵消，只剩下闭合曲线 所围面积。 21 整个循环过程系统做的净功 等于闭合曲线所围面积。 对负循环 负循环的结果是系统对外界做净功(值为负的.)，系统向 外界放热。 把使系统进行负循环的设备称作致冷机， 如冰箱、空调机等就是实际的致冷机， 22 致冷机也需要高低两个 热源，其发生的能量转 换关系可用如图表示。 意义：当外界输入单位功时，能从低温热源吸收的热量多少。 低温热源T2 高温热源T1 致冷机 u致冷循环的特点 p内能变化： E=0 p外界作功：A净 p净放热： p致冷机工作 一个循环,外 界做的净功等 于系统净放热 致冷系数：（coefficient of performance） 或 致冷系数：制冷机性能的重要标志。 = A净 u致冷机 致冷系数 二,致冷机 23 p理想气体的卡诺致冷循环 Q1 Q2 三,卡诺逆循环（逆循环）的致冷系数 致冷系数： 吸热过程：吸热Q223 放热过程：放热Q141 同理可得： T1 卡诺逆循环循环 卡诺致冷机 p卡诺致冷机（逆循环）的致冷系数 4 V4 p V 1 V1 2 V2 T2 V3 3 绝热 压缩 绝热 膨胀 24 p卡诺逆循环的致冷系数 例题 家用电冰箱内的温度为270K，室温为300K，若 按卡诺致冷循环计算，致冷系数w=? T2=270K，T1=300K w=T2 /（T1 -T2）=270/（300-270）=9 n但实际上最好情况： w56 注意： T2 越低，两热源温差越大，致冷系数越低。 说明要得到更低的 T2，就要花更大的外功。 放出的热量是可以利用的。 25 例1.一热机用5.8105 kg 空气,从初状态1等体加热到 状态2 ，再经绝热膨胀达到状态3，最后经等压 过程又回到状态1，完成一个循环。试在 PV 图上作出循环曲线，假定空气可视为理想气体 ，求热机效率。 已知： 1 3 2 p在 PV 图上作出循环曲线如图所示 p 状态和过程分析： 解: 26 解: 12 p方法1利用求解 等体（吸热） 31 等压（放热） p利用过程方程或理想气体状态方程求以上各未知的状态参量 1 2 3 27 解: 又由理想气体状态方程，得： 12 等体 由过程方程和理想气体状态方 程求以上各未知的状态参量 1 2 3 28 解: 23 绝热过程 31 等压 1 2 3 29 解:p方法2利用 求解 12等容过程 23 绝热过程 31 等压（压缩）过程 整个循环过程做的净功 1 2 3 30 解:12 23 31 整个循环过程做的净功 气体仅在等体过程中吸热 1 2 3 31 解: 整个循环过程做的净功 热机效率 气体仅在等体过程中吸热 1 2 3 32 V p 例题2, 计算理想气体Brayton循环的热机效率。 解： 由定义： 吸热过程：吸热Q1 故： v这里的Q1 和Q2均 取绝对值。 T1 T2 T3 T4 绝热 膨胀 绝热 压缩 (T2 ) 已知T2、 T3。 T1T2 放热过程：放热Q2T3T4 考虑两个绝热过程： T2T3 T4T1 p1 p2 （利用绝热过程方程找温度间的关系） 33 例3 1mol双原子分子理