[理学]热力学第一定律.ppt

,中国人民大学物理系徐靖编,第三讲,第三篇 热学,中国人民大学物理系徐靖编,热力学第一定律,重点： 内能、功、热量、摩尔热容，泊松比 热力学第一定律 热力学第一定律应用于理想气体等体、等压、等温过程，绝热过程，和各种循环过程。,中国人民大学物理系徐靖编,热力学基本概念,中国人民大学物理系徐靖编,二、状态参量、 热力学过程,热力学研究热力学系统的状态及状态变化,2、系统状态变化热力学过程,中国人民大学物理系徐靖编,准静态过程,系统经历一个过程，状态发生变化，系统一定经历非平衡态,平衡态,每一时刻系统都无限接近于平衡态的过程，由一系列依次接替的平衡态组成。对“无限缓慢”的实际过程的近似描述。,为利用平衡态性质，引入准静态过程或平衡过程：,无限缓慢：微小变化时间 驰豫时间,弛豫时间：系统由非平衡态趋于平衡态所需时间,中国人民大学物理系徐靖编,功,作功可改变系统的状态,有规则动能无规则动能,作功的基本特征：,中国人民大学物理系徐靖编,热量,传热也可改变系统的状态,传热条件：系统和外界温度不同，且不绝热。,微观本质：分子无规则运动能量从高温物体向低温物体转移（传递）。,传热与过程有关，热量也是一个过程量。,热量是以热传导方式交换的能量的量度,中国人民大学物理系徐靖编,系统内能,热力学主要研究系统能量转换规律,1.系统内能 E,2. 内能E 是状态函数 内能变化E只与初末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。,中国人民大学物理系徐靖编,功和热量的计算,中国人民大学物理系徐靖编,示功图： p - V 图上过程曲线下的面积,中国人民大学物理系徐靖编,2 准静态传热过程,整个过程无限缓慢 系统经历的是一个准静态传热过程。,系统温度从T1T2：,中国人民大学物理系徐靖编,准静态过程中热量的计算,1. 热容,热容：物体温度升高1 K 所吸收的热量,注意: 热容是过程量,摩尔热容：1 mol 理想气体，经某一过程 x，吸热 Q，温度变化 T,比热容：单位质量的物体温度升高1 K 所吸收的热量,2.热量计算, mol 气体，经历某一个准静态过程 x，温度由T1 变化到T2 ，吸热Qx,Cx 摩尔热容,中国人民大学物理系徐靖编,理想气体的内能,内能 E 与 p, V, T 关系如何？,问题：,指所有分子热运动能量和分子间相互作用势能,分子自身：,分子之间：,( i j ),对理想气体：,相互作用势能 pij,中国人民大学物理系徐靖编,焦耳试验(1845年 ),温度读数不变,膨胀前后气体温度不变,打开阀门,气体绝热自由膨胀过程中,气体的内能仅是其温度的函数,绝热,内能E 是状态函数 内能变化E只与初末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。,中国人民大学物理系徐靖编,二、 理想气体的摩尔热容CV 、Cp 和内能的计算,1. 定体摩尔热容CV,在定体过程中，1 mol理想气体经吸热Q，温度变化 T,在等压过程中，1 mol 理想气体经吸热Q，温度变化 T,2. 定压摩尔热容Cp,中国人民大学物理系徐靖编,1 mol 理想气体的状态方程为,两边对T 求导，因p = 常量，有, 迈耶公式,比热容比,中国人民大学物理系徐靖编,3. A 与 Q 比较,中国人民大学物理系徐靖编,18,能量均分定理,如：He，Ne可看作质点，只有平动。 t 平动自由度,i = t =3,自由度：,决定物体空间位置的独立坐标数，用 i 表示。,1.单原子分子,i=3,i=2,i=1,中国人民大学物理系徐靖编,19,质心C平动：（x，y，z）,2. 双原子分子,如：O2 ， H2 ， CO ,r = 2,v = 1, 总自由度：,i = t + r + v = 6,轴取向：,r 转动自由度，,距离 l 变化：,v 振动自由度，,（，）,t =3 平动自由度，,中国人民大学物理系徐靖编,3. 多原子分子,如：H2O，NH3 ，,N：分子中的原子数,i = t + r + v = 3N,r = 3 （ ， ，）,v = 3N - 6,二 . 能量均分定理（ equipartition theorem）,t =3 （质心坐标 x，y，z）,中国人民大学物理系徐靖编,一个平动自由度对应的平均动能为,即：,能量均分定理不仅适用于气体，也适用于液体和固体，甚至适用于任何具有统计规律的系统。,分子的每一个自由度都具有相同的平均动能 kT / 2 分子内原子的微小振动可视为简谐振动，简谐振动的平均动能与平均势能相等，所以相应于每个振动自由度还有平均势能kT / 2。这就是能量均分定理。,中国人民大学物理系徐靖编,一般情况下（T 10 3 K），振动能级极少跃迁，对能量交换不起作用 振动自由度 v “冻结”，分子可视为刚性。,对刚性分子：,当温度极低时，转动自由度 r 也被“冻结”，任何分子都可视为只有平动自由度。,中国人民大学物理系徐靖编,热力学第一定律及其应用,一. 热力学第一定律,系统从外界吸收的热量 Q ，一部分使其内能增加 E ，另一部分则用以对外界做功 A 。,Q,中国人民大学物理系徐靖编,第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态（不消耗内能），不从外界吸热，只对外做功,中国人民大学物理系徐靖编,二. 对理想气体的应用,中国人民大学物理系徐靖编,2） 热力学第一定律的具体形式,中国人民大学物理系徐靖编,2. 等压过程 （ dp=0 p=c ),中国人民大学物理系徐靖编,3) 等压摩尔热容,迈耶公式,泊松比,中国人民大学物理系徐靖编,讨论：,中国人民大学物理系徐靖编,实验结果： CV随温度变化,中国人民大学物理系徐靖编,3. 等温过程 （ dT=0 T=c ),中国人民大学物理系徐靖编,3） 摩尔热容,中国人民大学物理系徐靖编,1） 过程方程,中国人民大学物理系徐靖编,2） 绝热线,中国人民大学物理系徐靖编,3)热力学第一定律的具体形式,4) 摩尔热容,中国人民大学物理系徐靖编,* 5. 多方过程(一般情况),中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,练习1.,理想气体绝热自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强 p=?,中国人民大学物理系徐靖编,答案：（D）,中国人民大学物理系徐靖编,练习3.,答案：不可能发生的有：（1），（2），（3）,中国人民大学物理系徐靖编,第四讲,第二篇 热学,中国人民大学物理系徐靖编,1. 定义：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。,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,实例：蒸汽机的循环,中国人民大学物理系徐靖编,推广到一般情况热机的能量转换:,热机效率:,中国人民大学物理系徐靖编,解：,中国人民大学物理系徐靖编,热机效率：,中国人民大学物理系徐靖编,实例：电冰箱,致冷系数：,中国人民大学物理系徐靖编,二、卡诺循环,卡诺：Sadi Carnot 17961832 法国青年工程师，具有科学家素质。 着眼点高，热力学创始人之一。,中国人民大学物理系徐靖编,1. 研究循环过程的理想模型卡诺循环,怎样才简单？ 热源最少。,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,2. 理想气体的卡诺循环,1） 正循环效率,等温过程：,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,等温过程：,2) 逆循环制冷系数,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,答案：（4）正确,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,解：,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,卡诺循环：,循环过程：,中国人民大学物理系徐靖编,A,思路：,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,解：由题意知,（1）等温过程：,中国人民大学物理系徐靖编,根据等压方程：,中国人民大学物理系徐靖编,中国人民大学物理系徐靖编,2),3),中国人民大学物理系徐靖编,解：,哪些过程吸热？,中国人民大学物理系徐靖编,中国