大学物理(不容错过的考点)第九章热力学基础.ppt

第九章热力学基础,感谢：曹海静老师提供,第9章热力学基础,热力学理论基础:热力学第一定律热力学第二定律（热力学第零定律）,9-1状态参量平衡态准静态过程,一、气体的状态参量,状态参量(statusparameter)：描述气体宏观状态的物理量。体积(volume)V：气体分子活动所能达到的空间。,国际单位：,米3（m3）,注：（1）当气体分子大小不计时，气体体积等于容器的容积。（2）标准状况下（1atm，0oC），1mol理想气体的体积为22.410-3m3/mol。,2.压强(pressure)p：垂直作用在容器壁单位面积上的气体压力。,国际单位：Pa(帕斯卡)Pa=Nm-21标准大气压=1.01325105Pa注：p是大量气体分子碰撞的结果。,3.温度(temperature)T：宏观：表征系统冷热程度的物理量。微观：与分子无规则热运动的剧烈程度有关。,温度的数值表示法温标。,摄氏温标（t）：,单位：，,热力学(开氏)温标（T）：单位：K,注：冰点为0oC，水三相点(气态、液态、固态的共存状态)273.16K，绝对零度T=0K。,4.热力学第零定律测温原理,热平衡(thermalequilibrium)：两个物体互相热接触，经过一段时间后它们的宏观性质不再变化，即达到了热平衡状态。,热力学第零定律(Zerothlawofthermodynamics)：在不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体C分别与物体A、B达到热平衡，则物体A和B也必相互热平衡。,摄氏温标和开氏温标的关系：t=T-273.15,热力学第零定律(Zerothlawofthermodynamics)：在不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体C分别与物体A、B达到热平衡，则物体A和B也必相互热平衡。,二、平衡态(equilibriumstatus),在不受外界影响（即系统与外界没有物质和能量的交换）的条件下，无论初始状态如何，系统的宏观性质在经充分长时间后不再发生变化的状态。,宏观：系统各部分的温度、压强相同。微观：分子无规则热运动的平均效果不变。,热动平衡,三、准静态过程,热力学过程(thermodynamicprocess)：热力学系统的状态随时间发生变化的过程。实际过程的中间态为非平衡态。2.准静态过程(approximatestaticprocess)：状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。平衡过程理想过程！,三、准静态过程,热力学过程(thermodynamicprocess)：热力学系统的状态随时间发生变化的过程。实际过程的中间态为非平衡态。2.准静态过程(approximatestaticprocess)：状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。平衡过程理想过程！,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。,9-2理想气体的状态方程,状态参量之间的关系,一、理想气体(ideagas)：在任何情况下都严格遵守“玻-马定律”、“盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。二、理想气体的状态方程(statusequationofideagas)：,玻意尔定律表明：对于一定质量的气体,pV的乘积只决定于温度且与温度成正比：,9-2理想气体的状态方程,状态参量之间的关系,一、理想气体(ideagas)：在任何情况下都严格遵守“玻-马定律”、“盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。二、理想气体的状态方程(statusequationofideagas)：,玻意尔定律表明：对于一定质量的气体,质量为m、摩尔质量为M的理想气体状态方程。,pV的乘积只决定于温度且与温度成正比：,9-3热力学第一定律内能功热量,一、基本物理量,1、内能(internalenergy)E,它包括了分子热运动的平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能.和分子间相互作用的势能。(不包括系统整体运动的机械能),理想气体的内能：理想气体的内能是温度的单值函数，它是一个状态量，只和始、末两位置有关，与过程无关。,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。,内能变化方式,做功,热传递,2、功(work)W,活塞：热力学系统作功的装置,热力学系统的能量,Ex:使杯子中的水升温,改变热力学系统状态方式之一,注：只讨论准静态过程中系统体积发生变化时压力所作的机械功体积功,2、功(work)W,活塞：热力学系统作功的装置,p-V图,气缸内的气体经一个无摩擦的准静态膨胀过程，压力对外界所做的体积功为：,系统的体积由V1变化到V2时,（1）当dV0时，dW0，系统对外界作正功。,（2）当dV0时，dW0系统向外界放热，Q0外界对系统作功，W0系统向外界放热，Q0外界对系统作功，W0,系统对外界作功,逆循环（制冷机循环）：在p-V图上循环过程按逆时针进行,W0,外界对系统作功,6、循环过程作功特点：,7、一个循环过程中的净吸热,设：,系统吸热之和,系统放热之和,根据热力学第一定律：,8、热机效率：,AaB为膨胀过程：Wa0，,BbA为压缩过程：Wb0，,系统所作的净功（总功）：,结论：在任何一个循环过程中，系统所作的净功在数值上等于p-V图上循环曲线所包围的面积。,6、循环过程作功特点：,则：,热机把热转化为功的本领用效率衡量。,循环图为规则图形W净=S,循环图为不规则图形or有绝热过程,8、热机效率：,热机把热转化为功的本领用效率衡量。,循环图为规则图形W净=S,循环图为不规则图形or有绝热过程,注：（1）,（2）一定要,（3）循环效率通常都很小（20%）。,二、卡诺循环,目的：,从理论上探索提高热机效率的方法,1824年，法国青年科学家卡诺（1796-1832）提出一种理想热机，工作物质只与两个恒定热源（一个高温热源，一个低温热源）交换热量。整个循环过程是由两个绝热过程和两个等温过程构成，这样的循环过程称卡诺循环。,卡诺循环：,两个等温过程和两个绝热过程组成,这样的热机称为卡诺热机。,卡诺循环的p-V图：,BC和DA过程：绝热过程,AB和CD过程：等温过程,吸热和放热,卡诺循环：,两个等温过程和两个绝热过程组成,卡诺循环的p-V图：,V3,V1,V,p,D,A,B,C,V2,V4,T1,T2,O,AB为等温吸热过程：,CD为等温放热过程：,Q1,Q2,卡诺循环效率：,BC为绝热过程：,DA为绝热过程：,两式相除,适用于卡诺循环,结论：,（1）卡诺循环的效率仅仅由两热源的温度决定，与工质无关。,*卡诺制冷系数（了解）：,CD为等温放热过程：,卡诺循环效率：,BC为绝热过程：,DA为绝热过程：,两式相除,适用于卡诺循环,（2）两热源的温度差越大，卡诺循环的效率越大。实际过程中常采用提高高温热源的温度来提高循环效率。,作业：,例题：,（3）卡诺循环是目前效率最高的循环,C（2）：辅P1764，6,A（2）：辅P1494，P1506,A（2）：书P3196，P3297（同辅1507）,C（2）：书P3196，P3297（同辅1767）,例：书P3196（旧辅P141例5-3）如图所示，abcda为一摩尔单原子分子理想气体的循环过程。图中V22V1，p22p1，p1和V1作为已知值，求：（1）在这一循环过程中气体从外界吸收的热量；（2）循环效率。,解：,ab为等体吸热过程：,bc为等压吸热过程：,（1）净功,书P329-7:一定量理想气体经历了某一循环过程，其中AB和CD是等压过程，BC和DA是绝热过程。已知B点和C点的状态温度分别为TB和TC，求此循环效率。,解：,AB为等压吸热过程：,则,AB、CD为等压过程，故,BC、DA为绝热过程，故,CD为等压放热过程：,两式相除,辅P1764:3.210-2kg氧气作ABCD循环过程。AB和CD都为等温过程，设T1=300K，T2=200K，V2=2V1。求循环效率。,解：,AB为等温吸热过程：,DA为等体吸热过程：,BC等体放热过程：,CD等温放热过程：,9.7热力学第二定律和不可逆过程卡诺定理,一切热力学过程都满足热力学第一定律，那么满足热力学第一定律的任意过程都能实现吗？,一、自然过程的方向性,1、热传导现象：热量自动地从高温物体传递给低温物体，但相反的过程，即热量自动地从低温物体传递给高温物体却不可能实现。,2、功变热现象：转动的飞轮因摩擦而停止，机械能因作功而转变为内能。但相反的过程，即静止的飞轮由于变冷而转动起来是不可能实现的。,3、自由膨胀：隔板分为左右两半，左边储有一定量的气体，右边为真空。抽去隔板气体自动向真空膨胀，但气体决不会自动地收缩到容器的左边去，而另一半变为真空。,4、扩散过程：容器内用隔板将两种不同的气体分成两部分，抽去隔板，两种气体自动的发生扩散现象，但相反的过程，即均匀混合的两种气体自动地分离是不可能的。,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。,如果系统不能回复到原状态A，或者虽能回复到初态A，但周围一切不能恢复原状，那么过程P称为不可逆过程。,不可逆过程：,一个系统在没有外界的作用下，自发进行的过程。,可逆机：能产生可逆循环过程的机器。,不可逆机：不能产生可逆循环过程的机器。,二、热力学第二定律的两种表述,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。,如果系统不能回复到原状态A，或者虽能回复到初态A，但周围一切不能恢复原状，那么过程P称为不可逆过程。,不可逆过程:,自发过程:,自然界的一切自发过程都是不可逆过程,自然界中许多过程能够自发地发生，它们满足能量转化和守恒定律，即热力学第一定律，但也有许多过程虽然不违背热力学第一定律，但不会自发地发生，即自然过程具有方向性。热力学第二定律就是用来判断过程进行的方向性的。,不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响。,开尔文表述：,第二类永动机不可能制成,不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。Or热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。,可以证明，热力学第二定律得两种表述是等价的。（略）,第二类永动机不可能制成,不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响。,开尔文表述：,第二类永动机：,开尔文表述指出了单热源的热机是造不成的