3热力学第一定律.ppt

2 利用热作功的机器 称为热机 热磁轮 冷热水温差电机 记忆合金电机 演示实验 热机演示 目录 3 1功 热 内能 3 2热力学第一定律 3 3准静态过程 3 4热容 3 5绝热过程 3 6循环过程 3 7卡诺循环 3 8致冷循环 4 3 1功 内能 热 热力学系统 外界 状态 过程 1 功 作功可改变系统的状态 有规则动能 无规则动能 作功的基本特征 功是一个过程量 功不仅与系统的始 末状态有关 而且与所经历的过程有关 系统始 末态相同 过程1和2做功一样吗 6 2 系统的内能 过程中保持不变的能量不必计入内能 温度不太高时 不考虑分子内部原子结合能 核能 核能 106eV 分子原子结合能 1eV 1eV热能相当温度 104K 分子热运动的动能 分子间势能 分子内部原子结合能 核能 冻结相应自由度 理想气体内能只与温度有关 实际气体 内能是系统的状态函数 实际气体的内能 比相应理想气体的内能大还是小 8 3 热量 传热也可改变系统的状态 传热条件 系统和外界温度不同 且不绝热 热量 被传递的热量 微观本质 分子无规则运动能量从高温物体向低温物体转移 传递 传热与过程有关 热量也是一个过程量 3 2热力学第一定律 对于任何宏观系统的任何过程 系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和 注意 Q和A都是代数量 涉及热现象的能量守恒定律的表述 不需能量输入而能继续做功的 第一类永动机 不存在 10 内能 的一个可操作的定义 以绝热方式 无热量交换 做功 所做的 绝热功 等于系统内能的增量 在不对系统作功的传热过程中 系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量 热量 的一个可操作的定义 Q E2 E1 无功过程 E2 E1 A 绝热过程 实验结果 水温不变 焦耳实验 1845 打开活门C 让气体向真空中自由膨胀 测量膨胀前后水温的变化 验证了理想气体的内能与体积无关 为什么 但水的热容比气体的大得多 焦耳实验中气体温度变化不易测出 实验进一步改进 3 3准静态过程 quasi staticprocess 系统经历一个过程 状态发生变化 系统一定经历非平衡态 平衡态 每一时刻系统都无限接近于平衡态的过程 由一系列依次接替的平衡态组成 对 无限缓慢 的实际过程的近似描述 为利用平衡态性质 引入准静态过程或平衡过程 微小变化时间 驰豫时间 因内燃机气缸一次压缩时间 10 2秒 则内燃机气缸压缩近似为准静态过程 无限缓慢 弛豫时间 系统由非平衡态趋于平衡态所需时间 例 气缸气体的弛豫时间 10 3s 10 2s 10 2s 14 准静态过程的功 气体对外界做的功 功不仅与系统的始 末状态有关 而且与所经历的过程有关 功是一个过程量 准静态传热过程 整个过程无限缓慢 系统经历的是一个准静态传热过程 系统温度从T1 T2 准静态过程可用状态曲线表示 18 例 理想气体准静态等温膨胀做的功 思考 如何实现这一准静态过程 19 等温膨胀 做正功 等温压缩 做负功 20 例 理想气体准静态等温膨胀吸的热 理想气体准静态等温膨胀吸的热 等于系统对外作的功 3 4热容 Heatcapacity 一 热容 单位 J K 热容是一个过程量 三 理想气体的摩尔热容 二 摩尔热容 单位 J mol K 1 定体摩尔热容 1mol物质的热容 理想气体内能与体积无关 2 理想气体内能公式 宏观 若过程中CV m 常数 有 因定体摩尔热容为 则对任意过程 理想气体内能为 3 迈耶公式 理想气体定压和定容摩尔热容的关系 证明 物理解释 4 比热比 5 经典热容 由经典能量均分定理 得 26 27 常温 300K 下振动能级难跃迁 振动自由度 冻结 分子可视为刚性 3 5绝热过程 Adiabaticprocess 系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程 称为绝热过程 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 以至于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 一 理想气体准静态绝热过程 热传导时间 过程时间 驰豫时间 1 在准静态绝热过程中 理想气体的状态参量满足下面关系 1 状态方程 g 比热比 常数 C1 C2 C3 常数 等温膨胀 内能不变 吸的热全做功 绝热膨胀 系统不吸热 对外做功 内能减小温度降低 T1 T2 p1 p2 2 理想气体的绝热线比等温线陡 3 准静态绝热过程理想气体对外做的功 32 n 1 等温过程n 绝热过程n 0 等压过程n 等容过程 4 多方过程 P142习题3 17 理想气体的实际过程 常常既不是等温也不是绝热的 而是介于两者之间的多方过程 PVn 常量 n称为多方指数 一般情况1 n 多方过程可近似代表气体内进行的实际过程 33 多方过程理想气体对外做的功 证明 对状态方程和过程方程求微分 多方过程理想气体摩尔热容 热力学第一定律 二 绝热自由膨胀 非准静态过程 则PVg C不适用 服从热力学第一定律 因得 气体经绝热自由膨胀 内能不变 思考 温度变吗 1 理想气体绝热自由膨胀 末态温度等于初态温度 2 实际气体绝热自由膨胀 若分子力以引力为主 若分子力以斥力为主 V 过程斥力做正功 势能减小 而内能不变 则动能增大 温度降低 温度升高 36 37 通过多孔塞或小孔 维持两侧压强差恒定 气体向压强较低区域膨胀 焦耳 汤姆孙效应 实际气体通过节流过程温度可升高或降低 正焦耳 汤姆孙效应 温度降低 氮 氧 空气 制冷 气体液化 思考 设理想气体分别经历下述3个过程 讨论过程中净吸热或放热情况 放热 吸热 Q 0 3 6循环过程 一 循环过程 系统 工质 经一系列变化回到初态的整个过程 工质复原 内能不变DE 0 循环过程的特征 40 如果循环的各阶段均为准静态过程 则循环过程可用闭合曲线表示 正 热 循环 逆 致冷 循环 系统对外界做净功A 外界对系统做净功A A Q吸 Q放 Q吸 Q放 A 二 正循环的效率 效率 在一次循环中 工质对外做的净功占它吸收的热量的比率 工质经历循环是任意的 包括非准静态过程 42 如果取消低温热库 Q2 0 这种从单一热库吸热做功的热机 称为第二类永动机 第二类永动机能制成吗 三 第二类永动机能制成吗 2 1不可能是绝热过程 因为 必然存在温度不是T1的第二个热库 后面会看到 任何工质的第二类永动机都不能制成 热力学第二定律的一种表述 以工质为理想气体为例说明 3 7卡诺 Carnot 循环 1824 卡诺循环 工质只和两个恒温热库交换热量的准静态循环 按卡诺循环工作的热机 卡诺热机 以理想气体工质为例 计算卡诺循环的效率 从高温热库吸热 向低温热库放热 46 因此 卡诺循环的效率只由热库温度决定 以后将证明 在同样两个温度T1和T2之间工作的各种工质的卡诺循环的效率都由上式给定 而且是实际热机的可能效率的最大值 即 令吸 放 热为正 负 上式为 其中 卡诺循环 不可逆循环 热温比 之和满足 实际最高效率 例 热电厂 按卡诺循环计算 非卡诺循环 耗散 摩擦等 原因 49 用卡诺循环定义热力学温标 在卡诺循环中 从高温热库吸的热与放给低温热库的热之比 等于两热库温度 1和 2之比 且与工质无关 取水三相点温度为计量温度