[理学]《热学》第四章 热力学第一定律.ppt

第四章 热力学第一定律,1 可逆与不可逆过程,一、热力学过程,准静态过程(平衡过程): 过程进行得足够缓慢 中间状态 平衡态,破坏平衡所需时间 恢复平衡所需时间,一般的工程过程都可认为是准静态过程,准静态过程的过程曲线可以用p-V图来描述,图上的每一点分别表示系统的一个平衡态.,二、可逆与不可逆过程,设在某一过程 P 中,系统从状态 A 变化到状态B.如果能使系统进行逆向变化,从状态 B 回复到初状态 A,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 P 就称为可逆过程.,可逆过程是一个理想过程,在 p-V 图上能够表示出来的过程,可以用可逆过程的概念讨论.,三、自发过程的方向性 一个系统在没有外界的作用下,自发进行的过程叫自发过程,自然界的一切自发过程都是不可逆过程.,一、功是力学相互作用下的能量转移,2 功和热量,二、体积膨胀功 1. 功 W,2. 示功图: pV 图上过程曲线下的面积,三、热量(heat) Q 系统之间由于热相互作用而传递的能量.,功来源于力学平衡被破坏 热量来源于热学平衡被破坏 热量也是过程量, 与系统状态量温度差有关.,摩擦盛有乙醚的铁管实验,四、热功当量(mechanical equivalent of heat),1卡 = 4.186 焦耳,传递热量和做功是能量传递的两种方式. 就内能的变化来说, 外界对系统做功和传递热量是等效的. 数值等于4160J的功使1kg的水温度升高1.,W 与 Q 比较,U改变方式,特点,能量转换,量度,做功,热传递,效果,引起系统内能变化,3 热力学第一定律,一、能量守恒与转化定律,自然界一切物体都具有能量, 能量有各种不同形式, 它能从一种形式转化为另一种形式, 从一个物体传递给另一个物体, 在转化和传递中能量的数值不变.,第一类永动机不可能制成！ 不需要外界提供能量, 但可以继续不断地对外做功的机器.,利用左右两侧摆杆和球的不平衡,系统所受力矩作用,使轮子转动,达到永动的目的.,达芬奇(Leonardo da Vinci, 1452-1519)“永动机”,右边的重球比左边的重球离轮心更远些, 在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息.,据杠杆平衡原理设计的永动机,流水的落差可以推动水轮机对外提供动力,右边这些球浸在水里, 受到了水的浮力, 就会被水推着向上移动, 也就带动整串球绕上下两个轮子转动.,利用细管子的毛细作用获得有效动力,利用磁力作用获得有效动力,2) 分子间相互作用势能,3) 分子或原子内电子的能量,4) 原子核内部能量,二、内能定理,1. 内能是状态函数 处于平衡态的热力学系统具有确定的能量内能. (不包括系统整体运动的机械能),热力学系统的能量包括： 1) 分子及其组成分子的原子无规则热运动动能 (平动、转动),分子及其组成分子的原子无规则热运动动能,分子间相互作用势能,理想气体的内能：,改变系统内能的两种不同方法：,钻木取火 通过做功方式, 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.,2. 内能定理,绝热过程,焦耳发现: 一切绝热过程中相同的内能增量所需做的功相等,我们关心的是内能差, 而不是内能的绝对数值. 所以在分子物理学范畴不考虑原子核和电子的能量.,内能变化U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.,三、热力学第一定律(First law of thermodynamics),本质: 包括热现象在内的能量守恒和转换定律.,热力学第一定律微分式：,微小过程,Q 表示系统吸收的热量,W 表示系统对外所作的功,U (=U2-U1)表示系统内能的增量.,热力学第一定律的物理意义: 涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律.,热力学第一定律的其他表述: 第一类永动机是不可能制成的.,热力学第一定律数学运算形式,系统从外界吸热 = 内能增量+系统对外界做功,符号规定： 系统吸收热量,Q为正；系统放热,Q为负. 系统对外作功, W为正；外界对系统作功,W为负. 系统内能增加,U为正；系统内能减少,U为负.,比热(specific heat): 单位质量物质热容量,单位：,单位：,摩尔热容(Molar specific heat): 1摩尔物质的热容量,m 表示不同的过程,4 热容量 焓,在一定的过程中, 当物体的温度升高一度时所吸收的热量该给定过程的热容量(thermal capacity):,单位：,热容量,系统吸收的热量,热容量与摩尔热容、比热容关系,定体摩尔热容: 1mol理想气体在体积不变的状态下,温度升高一度所需要吸收的热量.,吸收热量,内能增量,一、定体热容与内能,摩尔数,定容比热容,二、定压热容与焓,定义焓(enthalpy)：,态函数,定压比热容量,在等压过程中吸收的热量等于焓的增量,定压摩尔热容: 1mol理想气体在压强不变的状态下,温度升高一度所需要吸收的热量.,1. 焦耳实验,确定气体内能的性质,A充满被压缩的气体 B真空 C阀门,水,打开C, 气体进行绝热自由膨胀,一、理想气体的内能,5 热力学第一定律对气体的应用,V 变, T不变, 内能U不变,理想气体内能仅是温度的函数, 与体积无关,3. 理想气体宏观特性,1) 严格满足理想气体状态方程,2) 满足道耳顿分压定律,3) 满足阿伏伽德罗定律,4) 满足焦耳定律,2. 焦耳定律,在相同的温度和压力下，等体积的任何气体都含有相同数目的分子。,4. 理想气体定体热容及内能,理想气体的内能,5. 理想气体定压热容及焓,6. 迈耶公式,迈耶公式,摩尔热容比：,例1. 求由1.010-3kg氩气,7.010-3kg氮气和9.010-3 kg水蒸气(均可看作理想气体)组成的混合气体在常温下的定容摩尔热容量.,解：氩气的摩尔热容： 氮气的摩尔热容： 水蒸气的摩尔热容：,三种气体总摩尔数：,二、理想气体的等值过程,1. 等体过程,V = 恒量，dV = 0，,热力学第一定律:,吸收热量：,结论: 在等体过程中,系统吸收的热量完全用来增加自身的内能.,系统内能增量：,2. 等压过程,p = 恒量，dp= 0,热力学第一定律:,吸热：,内能增量：,作功：,T = 恒量，dU =0,热力学第一定律:,3. 等温过程,系统内能增量：,作功和吸热：,例2. 将500J的热量传给标准状态下的2mol氢气. (1) V不变,热量变为什么？氢的温度为多少？ (2) T不变,热量变为什么？氢的p、V各为多少？ (3) p不变,热量变为什么？氢的T、V各为多少？,解：(1) V 不变, Q = U,热量转变为内能,(2) T 不变, Q = W,热量转变为功,(3) p不变, Q = W+ U,热量转变为功和内能,例3. 质量为2.810-3kg、压强为1.013105Pa、温度为27的氮气, 先在体积不变的情况下使其压强增至3.039105Pa, 再经等温膨胀使压强降至1.013105Pa,然后又在等压过程中将体积压缩一半.试求氮气在全部过程中的内能变化,所作的功以及吸收的热量.,解：,等体过程：,等温过程：,等压过程：,例4. 一定量的理想气体, 由状态a经b到达c. (图中abc为一直线), 求此过程中：(1) 气体对外作的功； (2) 气体内能的增量； (3) 气体吸收的热量.,解:,讨论: ab c过程有哪些特征？,气体在状态变化过程中系统和外界没有热量的交换,热力学第一定律:,三、绝热过程 1. 一般绝热过程,2. 理想气体准静态绝热过程,内能增量：,绝热过程的功：,理想气体的状态方程：,两边微分：,3. 绝热方程,两边积分：,4. 绝热线和等温线,绝热方程：,化简：,等温方程：,结论: 绝热线在A点的斜率大于等温线在A点的斜率.,5. 如何实现绝热过程,1) 用理想的绝热壁把系统和外界隔开.,2) 过程进行得很快 系统来不及与外界进行显著的热交换.,例: 内燃机气缸内气体的膨胀、压缩；,空气中声音传播引起局部膨胀或压缩.,6. 非静态绝热过程,绝热自由膨胀,手放在压力锅上方,为什么不会烫手？,真空,例. 泊松比 =1.4的理想气体进行如下图所示的循环.已知状态A的温度为300K,虚线A-E为过A的等温线.试问:(1) 此循环过程中,气体所能达到的最 高温度状态在何处,最高