学沪科版选修33 4.1热力学第一定律 课件 （6）（65张）.ppt

热力学第一定律 2 1 热力学系统 热力学研究的对象称为热力学系统 研究气体系统 其它均称为外界 一 基本概念 2 热力学过程 状态随时间变化的过程 1 按过程中经历的各个状态的性质分类 准静态过程 平衡过程 初态 每个中间态 终态都可近似地看成是平衡态的过程 非静态过程 非平衡过程 只要有一个状态不是平衡态 整个过程就是非静态过程 3 2 按过程的特征分类 等容过程 dv 0 等压过程 dp 0 等温过程 dt 0 绝热过程 dq 0 q 0 循环过程 de 0e终态 e初态 4 pv图上一条线 表示一个平衡过程 pv图上一个点 表示一个平衡状态 3 过程曲线 改变内能的方法 外界对系统作功 或反之 外界对系统传热 或反之 4 功 热量 内能 p v 非平衡态 非平衡过程不能在pv图上表示 5 焓 态函数 5 焓 焓 态函数 5 焓 6 二 功 准静态过程的功 特点 不仅与始末两态有关 而且与经历的中间过程有关 过程量 气体对外界所做的元功 气体体积从v1变化到v2时 系统对外界做的总功 7 外界对系统作功 a为负 10此过程所作的功反映在p v图上 就是曲线下的面积 1 2 系统对外界作功 a为正 20上图 系统对外界作了功 系统的状态变了 内能也变了 功 是系统内能变化的量度 p v 符号法则 注意 功不仅与初 末态有关 还与过程有关是过程量 8 三 热量 特点 过程量 有不同的摩尔热容量 系统吸热 q为正 系统放热 q为负 符号法则 不同的过程有不同的热量 摩尔热容量cm 一摩尔物质温度升高1k时系统从外界吸收的热量 9 四 内能 状态量 特点 只与始末两态有关 与中间过程无关 气体的内能 10 10作功和传热对改变系统的内能效果是一样的 要提高一杯水的温度 可加热 也可搅拌 20国际单位制中 功 热 内能单位都是焦耳 j 1卡 4 18焦耳 30功和热量都是系统内能变化的量度 但功和热本身不是内能 内能 态函数 系统每个状态都对应着一定内能的数值 功 热量 只有在状态变化过程中才有意义 状态不变 无功 热可言 注意 11 五 热力学第一定律 微分形式 积分形式 1 数学表式 12 2 热力学第一定律的物理意义 1 外界对系统所传递的热量 q 一部分用于系统对外作功 一部分使系统内能增加 2 热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒定律 问 经一循环过程 不要任何能量供给 不断地对外作功 或较少的能量供给 作较多的功行吗 第一类永动机是不可能制成的 热一律可表述为 热一律的适用范围 任何热力学系统的任何热力学过程 注意 13 3 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 对平衡过程计算 根据 14 1 等容过程 1 特征 v 恒量 dv 0 参量关系 p t 恒量 2 热一律表式 对有限变化过程 系统吸收的热量全部用来增加系统本身的内能 意义 15 3 定容摩尔热容 1摩尔气体在等容过程中 温度升高 或降低 1k所吸收 或放出 的热量 单原子分子 双原子分子 多原子分子 16 4 内能增量 等容过程 适用于任何过程 17 2 等压过程 1 特征 p 恒量 dp 0 参量关系 2 热一律表式 作功 内能增量 意义 系统吸收的热量 一部分对外作功 一部分增加自身的内能 18 3 定压摩尔热容 1摩尔气体在等压过程中 温度升高 或降低 1k所吸收 或放出 的热量 迈耶公式 19 比热容比 单原子分子 双原子分子 等压过程 多原子分子 20 3 等温过程 1 特征 t 恒量 dt 0 de 0参量关系 pv 恒量 2 热一律表式 意义 系统吸收的热量全部用来对外作功 功 21 等温过程 22 4 绝热过程 1 特征 参量关系 泊松方程 2 热一律表式 23 意义 当气体绝热膨胀对外作功时 气体内能减少 功 内能改变 绝热膨胀靠的是内能减少 温度降低 2 1 24 绝热过程方程 泊松方程 3 绝热摩尔热容 25 等温线 斜率 绝热线 斜率 4 绝热线与等温线的比较 26 结论 绝热线比等温线陡峭 同一点斜率之比 绝热 等温 27 过程特征参量关系qa e 等容等压等温绝热 v常量 p常量 t常量 p t 常量 v t 常量 pv 常量 28 六 循环过程及卡诺循环 1 循环过程 物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态 这样周而复始的变化过程称为循环过程 简称为循环 过程按顺时针进行叫正循环 反之 叫逆循环 1 特征de 0 e 0 3 热功计算 按各不同的分过程进行 总合起来求得整个循环过程的净热量 净功 二者相等 2 通过各种平衡过程组合起来实现 29 1 热机 利用工作物质持续不断地把热转化为功的装置 2 热机致冷机 什么过程能将热能变成功 等压等温绝热 什么过程最好 0 实际上 仅仅等温过程是不行的 系统从外界吸收的热量 系统对外界所作的净功 热 功 30 热机循环 利用工作物质持续不断地把热转化为功的循环 热机循环的循环箭头是顺时针的 正循环 系统对外界所作的净功 循环曲线包围的面积 是正循环 以保证 31 热机循环效率 2 致冷机 将热机的工作过程反向运转 逆循环 就是致冷机 热机效率 q1 q2为绝对值 32 致冷机 通过对系统做功 从而从低温热源吸取热量的装置 致冷机循环 逆循环 热 系统吸收的热量 功 外界对系统所作的净功 致冷机循环的循环箭头是逆时针 利用工作物质持续不断地把功转化为热的循环 外界对系统所作的净功 循环曲线包围的面积 33 制冷机制冷系数 制冷系数 34 卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程相间组成 特点 3 卡诺循环 1824年28岁的工程师卡诺提出最理想的循环 35 卡诺热机循环 蓝色 等温线 红色 绝热线 1 1 2 等温膨胀 特点 系统从外界吸热 系统对外界作功 q吸 t1 t2 膨胀 36 2 2 3 绝热膨胀过程 温度下降至低温热源温度 特点 系统对外界作功 膨胀 37 3 3 4 等温压缩 特点 外界对系统作功 系统向外界放热 q放 被压缩 38 4 4 1 绝热压缩过程 经此过程 系统回到原来状态 完成一个循环 特点 外界对系统作功 被压缩 39 一个循环完毕 系统对外界作的净功 系统内能增量 系统从外界吸收的净热量 系统从外界吸收的净热量 系统对外界做的净功 40 热机的工作原理 系统所吸收的热量 不能全部用来对外作净功 必须有一部分传给冷源 才能进行循环 t1 t2 净 卡诺热机循环效率 41 卡诺制冷机循环 1 1 4 绝热膨胀过程 系统温度下降至低温热源温度 2 4 3 等温膨胀 系统吸热 42 3 3 2 绝热压缩过程 温度上升到高温热源 4 2 1 等温压缩 经此过程 系统回到原来状态 完成一个制冷循环 系统放热 43 卡诺制冷机制冷系数 卡诺致冷机原理 工作物质从低温热源吸热 又接受外界所作的功 向高温热源放出热量 卡诺制冷机循环 姆佩姆巴效应 将一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱的冷冻室里 哪一杯水先结冰 正确答案是热水先结冰 发现这个问题的并非欧美物理学家 而是一个非洲中学生姆佩姆巴 1963年的一天 坦桑尼亚的马干巴中学初三学生姆佩姆巴发现 自己放在电冰箱冷冻室里的热牛奶 比其他同学放的冷牛奶先结冰 这令他大惑不解 立刻跑到办公室请教 物理老师听了 断然否定 说姆佩姆巴搞错了 孩子不服 再做试验 结果与上次完全相同 不久 达累斯萨拉姆大学物理系主任来到马干巴中学 姆佩姆巴向他提出了自己的疑问 随后 世界上多家媒体把这个非洲中学生发现的物理现象 称为 姆佩姆巴效应 亚里士多德 培根和笛卡尔均曾以不同的方式描述过该现象 但是均未能引起广泛的注意 然而对于姆潘巴现象 物理学家曾提出几种可能的假设 其中包括水分更快蒸发导致热水体积变小 一层霜隔绝了温度更低的水以及溶质浓度存在差异 但任何一种解释都很难让人信服 温度差论 当把热水放入电冰箱冷却的最初时刻 热水水体的上表面与底部不存在温度差 但一经急剧冷却 温度差就立即出现 其中初温为70 的热水内产生的高低温度差接近14 而初温为47 的热水内产生的高低温度差只有10 这说明在冻结前的降温过程中 较热的液体的温度差在一段时间里大于相对较冷的液体的温度差 个别现象论 有研究人员用纯净水反复做了类似实验 结果始终没有发现 姆潘巴现象 还有对此感兴趣的研究者通过实验证实 只有当冰箱内有显著温差 或牛奶含糖量不同 或糖没有溶解 或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时 姆潘巴现象 才会出现 这就是说 姆潘巴现象 是个别现象 其所包含的物理现象并不能否定我们的常识 硬物作怪论 美国华盛顿大学的乔纳森 卡茨通过对姆潘巴现象的深入研究 捉到了隐藏其中的鬼怪 他证实 这种现象不但真实存在 而且造成这种现象发生的鬼怪也是真实存在的 不过 这其中的鬼怪只是隐藏在水里面的一些寻常 硬物 在破解姆潘巴现象的过程中 卡茨把目光盯在了水上 我们知道 水在加热过程中 一些隐藏在水里的易溶硬物 碳酸钙和碳酸镜等碳酸盐会被驱逐出去 形成沉淀物 我们日常生活中常见的附在水壶内壁上的水垢 就是它们被驱出去的证据 而水在达到沸点以后 就会因硬物被绝大部分清除而软化 卡茨发现 同样是冷冻结冰 未经加热的硬水在结冰过程中 由于其内部硬物作祟 使得硬水的冰点要比被加热后的软水冰点低一些 这就减缓了硬水结冰的速度 这一原理就如同下雪后向路面撒盐会防止结冰一样 盐的混入 使雪的冰点降低 这样 雪结冰的过程拉长了 但仅凭这个发现还不能直接破解姆潘巴现象 因为姆潘巴的同学们在做冰淇淋的过程中 都先把生牛奶煮熟了 那为什么姆潘巴的热牛奶会先冻结呢 卡茨发现 原因还是出在水里的硬物上 为了吃到可口的冰漠淋 他们都在牛奶里加了糖 而糖实际上会使牛奶液体变硬 但同样是煮熟 加糖的牛奶 热牛奶液体的硬度实际要比冷牛奶的硬度要低一点 这个硬度的差异造成了它们冰点的差异 硬度较高的冷牛奶冰点相对要低些 这样 冰点略高的热牛奶自然要比冰点略低的冷牛奶要先结冰了 那么为什么在众多实验中 姆潘巴现象不会每次都出现 卡茨认为 原因就在于试验者一开始用的就是软水 用同样的软水来做冷热实验 由于水的冰点都一样 而且散热速度的快慢对结冰速度的影响很微弱 所以姆潘巴现象就不那么显而易见了 有科学家指出 卡茨的发现很可能不是姆潘巴现象的终极答案 但和目前现有的各种答案相比 这个答案还是最有说服力的 硬水论 存在的误区 其一 在自然界能够符合人类生活要求的水硬度不可能很高 否则会危害身体健康 所以 人类日常使用的硬水即使煮沸后其冰点温度不会明显上升 在一般的冰箱降温条件下很难出现热水先结冰现象 不然的话热水比冷水先结冰现象会经常发生 物理老师也不可能称姆潘巴现象为谎言了 假若 硬水论 成立 前提是所有完成开水先结冰实验的研究者都选用了硬度极高的 对人类有害的水 这显然不符合常理 硬水论 存在的误区 其二 从理论上讲 在自然界里有很多情况都可以让水在煮沸后使其冰点温度上升 例如 当水或牛奶被微生物污染后 冰点温度会下降 但经过煮沸后冰点温度也将上升 等等 硬水论 存在的误区 其三 根据水的基本物理特性 采用软水也可以完成姆潘巴现象的实验 在现实中用软水完成这个实验的例子也很多 1 冰箱温度并不均匀 如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近 甚至与冷却管相接触 完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰 2 如果姆潘巴不喜欢吃甜 在冰淇淋中少放了糖 或者因为匆忙没来得及搅拌 糖粒沉在盒底形成固体 实验证明可先结冰 3 姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖 还加入了淀粉类物质 在其少放糖 少放牛奶时会先结冰 学生发散性思维解释 根据中学物理理论 热水与冷水在同质同量同外部环境温度条件下不但它们的温度在变化 它们各自的密度 体积 质量和密封状态下受到的气压等等都在发生变化 使得初温高的水降温速度始终快于初温低的水 只要外部环境温度持续下降 最终必然是初温高的水温度更低 注 在常压条件下 当二者初始温度均不低于4 时可成立 当二者初温均不高于4 时不成立 当二者中其一不高于4 另一不低于4 时 则需针对它们的初始温度 密度 体积 质量和密封状态下的气压等展开讨论 姆潘巴问题讨论初始温度分别为35 的水和100 的水 二者均高于4 因此会产生姆潘巴现象 公认的两种可能 在相同的环境下 如果热水比冷水先结冰 有两种可能 一种是热水的冰点比冷水要高 或者热水的热量损失比冷水要快 硬物 的说法可以解释冰点的问题 那如果冰点的差距影响比较小的时候又怎么去理解热量损失的快慢问题呢 在相同环境温度下 热水始终比冷水损失温度要快 这是毋庸置疑的 因为热水与环境的温差比较大 在热交换上 在水分子蒸发上 都会比冷水要更快的损失能量 但是 热水在降温过程中 如果冰点相同 那总有一个时间 热水会降低到冷水相同的温度 等到先前的热水比冷水温度还要低的时候 降温速度还是 热水 比较快吗 公认的两种可能 一种解释是 热水在降温过程中 因为内外受热不均 而导致靠外的水先降温 同时密度变大 由于不同部位的密度差造成了水的内部循环 而且只要温差存在 这种循环是会加剧的 在这里 热能转化成了动能 这种现象导致了热量的损失加快 在热水温度和冷水相同后