第三章__热力学第一定律.ppt

第二章热力学第一定律 2 1准静态过程 2 2功 热 内能 2 3热力学第一定律 2 4热容量 2 5理想气体的绝热过程 2 6循环过程 2 7卡诺循环 2 8致冷循环 本章讨论热力学系统的状态发生变化时在能量上所遵循的规律 热力学第一定律 2 1准静态过程 系统状态发生变化的过程 热力学过程 准静态过程 过程中任意时刻 系统都无限接近平衡态 要求 过程无限缓慢 无限 过程进行的时间远大于由非平衡态到平衡态的过渡时间 驰豫时间 气缸实际时间约为10 2s 可初级近似为准静态过程 弛豫时间约10 3秒 实现 外界压强总比系统压强大一小量 P 就可以缓慢压缩 例气体的准静态压缩 实际压缩一次1秒 举例 系统 初始温度T1 从外界吸热 系统温度T1直接与热源T2接触 最终达到热平衡 不是准静态过程 因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态 故准静态过程可以用系统的状态图 如P V图 或P T图 V T图 中一条曲线表示 反之亦如此 几种等值过程曲线 2 2功 热 内能 一 功 做功可以改变系统的状态摩擦升温 机械功 电加热 电功 以气缸内气体的准静态膨胀做功为例 准静态过程的体积功 准静态过程中体积功的计算 系统对外界做的总功 功的几何表示 例如 体积功的特点 做功与过程有关功是过程量 对相同的初末态 不同过程 A不同 二 热量 Q 1 系统和外界温度不同 就会传热 或称能量交换 热量传递可以改变系统的状态 如 夏天的车胎膨胀现象 功 热都能改变系统状态 热量传递的方向用Q的符号表示 规定 dQ 0表示系统从外界吸热dQ 0表示系统向外界放热 2 热量是过程量 总热量 积分与过程有关 三 系统的内能E 对理想气体 处于温度为T的平衡态 系统的内能是状态量 如同P V T等量 1 改变系统状态的方式有两种 2 作功 传热是相同性质的物理量均是过程量 系统的内能是状态量 2 3热力学第一定律 系统在过程中能量守恒 热源 热力学第一定律 功是过程量 内能是状态量 热量也是过程量 适用于任何热力学系统 气 液 固 的任何热力学过程 各量单位 J E1 E2 热一律对理想气体的应用 对理想气体 对理想气体准静态过程 对无限小过程 一 等容过程V C A 0 等容过程吸收的热量全部用于改变系统的内能 几种典型的等值准静态过程 二 等温过程 T C 等温过程吸收的热量全部用于对外做功 一个系统与外界的热量传递不一定引起系统本身温度的变化 等温过程 相变 熔化 凝固 汽化 液化时 等压过程吸收的热量一部分用于对外做功 一部分用于改变内能 三 等压过程p C 例1 一定质量的理想气体 由状态a经b到达c 如图 abc为一直线 求此过程中 1 气体对外做的功 2 气体内能的增量 3 气体吸收的热量 1atm 1 013 105Pa 摩尔热容量C 1mol理想气体温度升高1度 所吸收的热量 比热 容 c 单位 J kg K 摩尔热容量C 单位 J mol K 2 4热容量 定体摩尔热容量CV m 1mol理想气体在等容过程中温度升高1度 所吸收的热量 定压摩尔热容量Cp m 1mol理想气体在等压过程中温度升高1度 所吸收的热量 一 定体摩尔热容 理想气体等容过程 对m克理想气体的等容过程 等容过程 二 定压摩尔热容 理想气体等压过程 比热 容 比 迈耶公式 思考 刚性多原子分子 的取值与气体分子的种类有关 单原子分子 刚性双原子分子 室温下与实验基本符合 热力学第一定律在各等值过程的应用 3 等压过程 2 等容过程 1 内能 4 等温过程 例 0 02kg的氦气 视为理想气体 温度由17 C升为27 C 若在升温过程中 1 体积保持不变 2 压强保持不变 3 不与外界交换热量 试分别求出气体内能的改变 吸收的热量 外界对气体作的功 2 5理想气体的绝热过程 过程中 不能或来不及与外界交换热量 绝热层 对m克气体 当A 0 T2 T1 绝热膨胀使温度降低 当AT1 绝热压缩使温度升高 打气筒 不定积分 一 理想气体准静态绝热过程 绝热方程 泊松公式 由A点处斜率判断 绝热线与等温线的比较 系统从A点出发 经历等温与绝热过程 绝热线比等温线更陡 等温 绝热 1 若理想气体绝热膨胀对外做正功 2 若理想气体绝热压缩对外做负功 由 及 可知 Q 0 A 0 E 0 二 气体绝热自由膨胀 气体绝热自由膨胀为一非准静态过程 即 膨胀前后 气体的绝热自由膨胀并非等温过程 作业 3 9 3 10 例 汽缸内有一种刚性双原子分子的理想气体 若经过准静态绝热膨胀后 气体的压强减小了一半 求变化前后气体的内能之比E1 E2 解 对双原子分子g 7 5 例2 温度为25 C 压强为1atm的1mol刚性双原子分子理想气体 经等温过程体积膨胀至原来的3倍 1 计算这个过程中气体对外的功 2 假设气体经绝热过程体积膨胀至原来的 3倍那么气体对外做的功又是多少 解 1 等温过程气体对外作功为 2 绝热过程气体对外作功 2 工作物质 将热转换为功的物质系统 可为固 液 气 简称工质 3 循环过程 工质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 简称循环 2 6循环过程 一 热机及其效率的一般概念 1 热机 利用热做功的机器 如蒸汽机 内燃机等 R B P C 热电厂内水的循环过程 内能不变 净功等于曲线包围面积 正循环 过程顺时针进行 逆循环 过程逆时针进行 循环以吸热对外做功为目的 称为热机循环 循环以从低温热源吸热为目的 称为制冷循环 循环过程的特征 由若干个分过程组成 4 热机循环效率 能流图 1 Q1表示循环过程中吸热分过程吸收热量的和 Q1 0 2 Q2表示循环过程中放热分过程放出热量的和 Q2 0 3 A净表示热机循环一次系统对外做净功 例11molO2进行如图所示循环 其中AB为等温过程 求 1 一次循环对外所做净功A 吸收的热量Q1 2 此循环的效率h 解 1 2 2 7卡诺循环 准静态循环 工质为理想气体 只和两个恒温热库交换热量 A B 等温膨胀T1 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩T2 D A 绝热压缩 卡诺循环效率只与热源温度有关 实际热机的最大效率 指明了实际热机提高效率的途径 300MW发电机组的主蒸汽温度约为T2 600C T1 30C 卡诺效率为65 实际效率约为30 左右 习题指导26 18 19 1 工作原理 2 致冷系数 2 8致冷循环 逆循环 3 卡诺致冷循环 致冷机 冰箱 的工作过程 作业 3 20 3 25 3 27习题指导 12 15 24 例 一定量理想气体 从初态A开始 经历三种不同过程 B C D处于同一条等温线上 A C为绝热线 问1 A B过程吸热还是放热 2 A D过程是吸热还是放热 1 若以A B C A构成循环过程 为逆循环过程 A B放热 2 若以A D C A构成循环过程 为正循环过程 A D吸热 1 一定量的理想气体 经历某过程后 它的温度升高了 则根据热力学定律可以断定 1 该理想气体系统在此过程中吸了热 2 在此过程中外界对该理想气体系统作了正功 3 该理想气体系统的内能增加了 4 在此过程中理想气体系统既从外界吸了热 又对外作了正功 以上正确的断言是 A 1 3 B 2 3 C 3 D 3 4 E 4 C 2 某理想气体分别进行了如图所示的两个卡诺循环 I abcda 和II a b c d a 且两条循环曲线所围面积相等 设循环 的效率为 每次循环在高温热源处吸的热量为Q 循环II的效率为 每次循环在高温热源处吸的热量为Q 则 A Q Q B Q C Q Q D Q Q B 3 理想气体卡诺循环过程的两条绝热线下的面积大小 图中阴影部分 分别为S1和S2 则二者的大小关系是 A S1 S2 B S1 S2 C S1 S2 D 无法确定 B A D C B 4 一定量的理想气体从体积V1膨胀到体积V2分别经历的过程是 AB等压过程 AC等温过程 AD绝热过程 其中吸热最多的过程 A A 是AB B 是AC C 是AD D 既是AB也是AC 两过程吸热一样多 做功最多 内能增加最多 5 一定的理想气体 分别经历了上图的abc的过程 上图中虚线为ac等温线 和下图的def过程 下图中虚线df为绝热线 判断这两个过程是吸热还是放热 A A abc过程吸热 def过程放热 B abc过程放热 def过程吸热 C abc过程和def过程都吸热 D abc过程和def过程都放热 6 一定量某理想气体所经历的循环过程是 从初态 V0 T0 开始 先经绝热膨胀使其体积增大1倍 再经等容升温回复到初态温度T0 最后经等温过程使其体积回复为V0 则气体在此循环过程中 A 对外作的净功为正值 B 对外作的净功为负值 C 内能增加了 D 从外界净吸的热量为正值 B 7 汽缸内贮有36g水蒸汽 视为理想气体 经abcda循环过程如图所示 其中a b c d为等容过程 b c等温过程 d a等压过程 试求 1 Ada 2 DEab 3 循环过程水蒸气作的净功A 4 循环效率h 解 水的摩尔质量 水的质量 2 DEab 3 循环过程水蒸气作的净功A 4 循环效率h 8 1mol单原子分子理想气体的循环过程如T V图所示 其中C点的温度为Tc 600K 试求