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热力学基础,第 七 章,2,第七章 热力学基础,结构框图,3,描述系统宏观性质的物理量：p、T、V、E .,4,一 准静态过程（理想化的过程）,从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程 .,5,实际内燃机汽缸内的气体经历一次压缩的时间是10ms,而内部气体受压缩达到新的平衡需1ms,从理论上完全可以将它作为准静态过程处理.,例如,6,二、功（过程量）,1 功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化.,7,2 准静态过程功的计算,注意： 作功与过程有关 .,8,9,摩尔热容：,三、热量 摩尔热容,热量：是一种只由于系统与环境之间 存在温度差而产生的能量传递。,dT,M,dQ,m,=,10,热量的其他单位：Btu （英制热量单位） 1Btu=1055J,营养学家：大卡=1kcal,热功当量：传1卡的热相当于做功41858焦耳。,1 cal = 4.18 J ， 1 J = 0.24 cal,11,12,一、系统内能,热力学主要研究系统能量转换规律,狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能,例：实际气体,理想气体,1、内能,13,作电功改变系统 状态的实验,2、 内能变化方式,14,实验证明系统从状态A 变化到状态B，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变.,3、 内能是状态量,15,4、理想气体内能 : 表征系统状态的单值函数 ，理想气体的内能仅是温度的函数 .,(与气体总质量，分子结构有关），,16,系统内能的增量只与系统的初态和末态有关，与系统所经历的过程无关 .可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。,17,二 热力学第一定律,系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外界做功 .,18,准静态过程,微变过程,19,20,例 在汽车发动机气缸的压缩冲程中，其体积是按因数8减小（压缩比），空气-燃料混和物对此压缩所做的功已被测出为A= 200kJ。试求空气-燃料混和物内能的变化。 解：因为快速压缩可处理为Q=0 A= 200kJ 应用热力学第一定律可得到内能的变化为 Q-A=0（200kJ）=200kJ,21,其它表述：,第一类永动机是不可能制成的,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,A,E,（1）,（2）实验经验总结，自然界的普遍规律.,22,计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础.,（3）,23,（5） 各等值过程的特性 .,24,一 等体过程 定体摩尔热容,热力学第一定律具体形式,特性 常量,过程方程 常量,吸热全部用于增加内能,25,等体摩尔热容,由,得,注意：,26,等体升压,1,2,27,过程方程 常量,热力学第一定律微分形式,特性 常量,功,二 等压过程 定压摩尔热容,28,热力学第一定律积分形式,定压摩尔热容,迈耶公式,29,单原子分子气体,双原子刚性分子,摩尔热容比,30,例:一定质量的理想气体( ),在等压情况下加热使其体积增大为原体积的n倍,试求气体对外所做的功与内能增量之比,解:,31,三个量：,32,1,2,等 压 膨 胀,33,一 等温过程,由热力学第一定律,特征 常量,34,摩尔热容,35,36,与外界无热量交换的过程,特征,由热力学第一定律,二 绝热过程,37,由热力学第一定律有,由功的定义,38,若已知 及,由 可得,39,分离变量得,常量,40,41,摩尔热容,42,例1 氮气液化， 把氮气放在一个绝热的汽缸中.开始时,氮气的压强为50个标准大气压、温度为300K；经急速膨胀后，其压强降至 1个标准大气压，从而使氮气液化. 试问此时氮的温度为多少？,43,解 氮气可视为理想气体， 其液化过程为绝热过程.,氮气为双原子气体由表查得,44,三 绝热线和等温线,绝热过程曲线的斜率,常量,45,绝热线的斜率大于等温线的斜率.,等温过程曲线的斜率,常量,46,例2 下列四个假想的循环过程，哪个可行？,o,o,o,o,47,例3 设有 5 mol 的氢气，最初温度 ，压强 ，求下列过程中把氢气压缩为原体积的 1/10 需作的功: （1）等温过程（2）绝热过程 （3）经这两过程后，气体的压强各为多少？,48,解 （1）等温过程,（2）氢气为双原子气体,由表查得 ，有,已知：,49,（3）对等温过程,对绝热过程， 有,50,1.定义 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程,一、 循环过程,准静态循环过程 相图中的闭合曲线,51,由热力学第一定律,2.循环过程的特征,正循环结果：热变功,逆循环结果：功变热,顺时针: 正循环,逆时针 ：逆循环,52,热机 : 持续地将热量转变为功的机器 .,二、热机和制冷机,53,冰箱循环示意图,制冷机：能实现功热转换、获得并维持低温的装置。,54,热机,热机效率,低温热源,热机效率,55,效率:,实例：蒸汽机的循环,56,热机的能量转换:,故,热机效率:,57,致冷机致冷系数,低温热源,致冷系数,58,实例：电冰箱,典型的制冷机是用一个压缩机将功作用于像氟里昂这样的工质(即系统或制冷剂),压缩机在节流阀两侧维持一个较高的压强差,节流阀位于制冷剂进入冷冻部件的入口处,在低温低压侧,即制冷机内部的蒸发器D中有热量被吸收,在高温高压侧,即制冷机外部的散热器B中有热量被排出.,59,致冷系数,注意：1、这里的Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量 衡量致冷的效力,2、致冷机兼具热泵之功能,60,三 卡诺循环,1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环 卡诺循环. 给出了热机效率的理论极限值； 他还提出了著名的卡诺定理.,61,卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成 .,低温热源T2,62,理想气体卡诺循环热机效率的计算,A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩,卡诺循环,63,A B 等温膨胀吸热,C D 等温压缩放热,64,D A 绝热过程,B C 绝热过程,所以,65,卡诺热机效率,卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高 .,66,卡诺致冷机（卡诺逆循环）,卡诺致冷机致冷系数,低温热源T2,67,例2 一电冰箱放在室温为 的房 间里 ，冰箱储藏柜中的温度维持在 . 现每天有 的热量自房间传入冰箱 内 , 若要维持冰箱内温度不变 , 外界每天 需作多少功 , 其功率为多少？设在 至 之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的 55% .,解,68,房间传入冰箱的热量 热平衡时,由 得,69,保持冰箱在 至 之间运转，每天需作功,功率,70,热力学第一定律：能量转换和守恒定律,凡违反热力学第一定律的过程不可能发生。,第一类永动机不可能成功！,是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？,1、自然现象的不可逆性：,落叶永离、覆水难收。欲死灰之复燃艰乎为力。愿破镜之重圆，冀也无端。,71,2.功热转换的不可逆性：,通过摩擦而使功变热的过程 是不可逆的.,热量由高温物体传向低温物体的过程是不可逆的.,3.热传导的不可逆性：,72,4.气体的绝热自由膨涨的不可逆性：,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,可以证明：一切与热现象有关的实际宏观过程的不可逆性都是相互依存的.,73,1 功热转换的条件，第一定律无法说明.,2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题，第一定律无法说明.,第二定律的提出,热力学第二定律：指出自然过程进行的方向和限度。,74,1 开尔文说法 不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何变化 .,一 热力学第二定律的两种表述,75,唯一效果是热,功的过程是不可能实现的。,单一热源是指温度均匀且恒定不变的热源；,注意理解：,76,说明热力学第一定律和第二定律是互相独立的。,比较：,第一类永动机：,第二类永动机：,77,热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功,等温膨胀虽是从单一热 源吸收热量全部对外作 功，但体积膨胀了。,不违反热力学第二定律,78,卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.,79,热力学第二定律指出了热功转换的方向性,这里的“方向性”：是指它们存在一个自发的、 无条件的、勿须外界帮助而进行的方向。而不是 其反方向不能实现，只是实现其反方向过程 要产生“对外影响”。,80,2 克劳修斯说法 不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化 .,* 热量不能自动地从低温物体传到高温物体。,*,81,注意理解：,热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到高温物体,82,虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化 .,83,1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结.,3 热力学第二定律可有多种说法，每种说法都反映了自然界过程进行的方向性 .,2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性 .,84,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，而且不引起其它变化，这样的过程叫做可逆过程 .,二 可逆过程与不可逆过程,准静态无摩擦过程为可逆过程,85,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，或者虽能重复但必然会引起其它变化，这样的过程叫做不可逆过程.,非准静态过程为不可逆过程.,86,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功，无能量耗散的过程 .,可逆过程的条件,87,溶解、扩散、生命 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .,热