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文档简介
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
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