《热学》第四章热力学第一定律.pptVIP

第四章热力学第一定律 1可逆与不可逆过程 一 热力学过程 准静态过程 平衡过程 过程进行得足够缓慢中间状态 平衡态 破坏平衡所需时间 恢复平衡所需时间 一般的工程过程都可认为是准静态过程 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 二 可逆与不可逆过程 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 在p V图上能够表示出来的过程 可以用可逆过程的概念讨论 三 自发过程的方向性一个系统在没有外界的作用下 自发进行的过程叫自发过程 自然界的一切自发过程都是不可逆过程 一 功是力学相互作用下的能量转移 2功和热量 二 体积膨胀功1 功W 2 示功图 p V图上过程曲线下的面积 三 热量 heat Q系统之间由于热相互作用而传递的能量 功来源于力学平衡被破坏热量来源于热学平衡被破坏热量也是过程量 与系统状态量温度差有关 摩擦盛有乙醚的铁管实验 四 热功当量 mechanicalequivalentofheat 1卡 4 186焦耳 传递热量和做功是能量传递的两种方式 就内能的变化来说 外界对系统做功和传递热量是等效的 数值等于4160J的功使1kg的水温度升高1 W与Q比较 U改变方式 特点 能量转换 量度 做功 热传递 效果 引起系统内能变化 3热力学第一定律 一 能量守恒与转化定律 自然界一切物体都具有能量 能量有各种不同形式 它能从一种形式转化为另一种形式 从一个物体传递给另一个物体 在转化和传递中能量的数值不变 第一类永动机不可能制成 不需要外界提供能量 但可以继续不断地对外做功的机器 利用左右两侧摆杆和球的不平衡 系统所受力矩作用 使轮子转动 达到永动的目的 达芬奇 LeonardodaVinci 1452 1519 永动机 右边的重球比左边的重球离轮心更远些 在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息 据杠杆平衡原理设计的永动机 流水的落差可以推动水轮机对外提供动力 右边这些球浸在水里 受到了水的浮力 就会被水推着向上移动 也就带动整串球绕上下两个轮子转动 利用细管子的毛细作用获得有效动力 利用磁力作用获得有效动力 2 分子间相互作用势能 3 分子或原子内电子的能量 4 原子核内部能量 二 内能定理 1 内能是状态函数处于平衡态的热力学系统具有确定的能量 内能 不包括系统整体运动的机械能 热力学系统的能量包括 1 分子及其组成分子的原子无规则热运动动能 平动 转动 分子及其组成分子的原子无规则热运动动能 分子间相互作用势能 理想气体的内能 改变系统内能的两种不同方法 钻木取火 通过做功方式 将机械能转换为物体的内能 烤火 通过热量传递提高物体内能 2 内能定理 绝热过程 焦耳发现 一切绝热过程中相同的内能增量所需做的功相等 我们关心的是内能差 而不是内能的绝对数值 所以在分子物理学范畴不考虑原子核和电子的能量 内能变化 U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 三 热力学第一定律 Firstlawofthermodynamics 本质 包括热现象在内的能量守恒和转换定律 热力学第一定律微分式 微小过程 Q表示系统吸收的热量 W表示系统对外所作的功 U U2 U1 表示系统内能的增量 热力学第一定律的物理意义 涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律 热力学第一定律的其他表述 第一类永动机是不可能制成的 热力学第一定律数学运算形式 系统从外界吸热 内能增量 系统对外界做功 符号规定 系统吸收热量 Q为正 系统放热 Q为负 系统对外作功 W为正 外界对系统作功 W为负 系统内能增加 U为正 系统内能减少 U为负 比热 specificheat 单位质量物质热容量 单位 单位 摩尔热容 Molarspecificheat 1摩尔物质的热容量 m表示不同的过程 4热容量焓 在一定的过程中 当物体的温度升高一度时所吸收的热量 该给定过程的热容量 thermalcapacity 单位 热容量 系统吸收的热量 热容量与摩尔热容 比热容关系 定体摩尔热容 1mol理想气体在体积不变的状态下 温度升高一度所需要吸收的热量 吸收热量 内能增量 一 定体热容与内能 摩尔数 定容比热容 二 定压热容与焓 定义焓 enthalpy 态函数 定压比热容量 在等压过程中吸收的热量等于焓的增量 定压摩尔热容 1mol理想气体在压强不变的状态下 温度升高一度所需要吸收的热量 1 焦耳实验 确定气体内能的性质 A充满被压缩的气体B真空C阀门 水 打开C 气体进行绝热自由膨胀 一 理想气体的内能 5热力学第一定律对气体的应用 V变 T不变 内能U不变 理想气体内能仅是温度的函数 与体积无关 3 理想气体宏观特性 1 严格满足理想气体状态方程 2 满足道耳顿分压定律 3 满足阿伏伽德罗定律 4 满足焦耳定律 2 焦耳定律 在相同的温度和压力下 等体积的任何气体都含有相同数目的分子 4 理想气体定体热容及内能 理想气体的内能 5 理想气体定压热容及焓 6 迈耶公式 迈耶公式 摩尔热容比 例1 求由1 0 10 3kg氩气 7 0 10 3kg氮气和9 0 10 3kg水蒸气 均可看作理想气体 组成的混合气体在常温下的定容摩尔热容量 解 氩气的摩尔热容 氮气的摩尔热容 水蒸气的摩尔热容 三种气体总摩尔数 二 理想气体的等值过程 1 等体过程 V 恒量 dV 0 热力学第一定律 吸收热量 结论 在等体过程中 系统吸收的热量完全用来增加自身的内能 系统内能增量 2 等压过程 p 恒量 dp 0 热力学第一定律 吸热 内能增量 作功 T 恒量 dU 0 热力学第一定律 3 等温过程 系统内能增量 作功和吸热 例2 将500J的热量传给标准状态下的2mol氢气 1 V不变 热量变为什么 氢的温度为多少 2 T不变 热量变为什么 氢的p V各为多少 3 p不变 热量变为什么 氢的T V各为多少 解 1 V不变 Q U 热量转变为内能 2 T不变 Q W 热量转变为功 3 p不变 Q W U 热量转变为功和内能 例3 质量为2 8 10 3kg 压强为1 013 105Pa 温度为27 的氮气 先在体积不变的情况下使其压强增至3 039 105Pa 再经等温膨胀使压强降至1 013 105Pa 然后又在等压过程中将体积压缩一半 试求氮气在全部过程中的内能变化 所作的功以及吸收的热量 解 等体过程 等温过程 等压过程 例4 一定量的理想气体 由状态a经b到达c 图中abc为一直线 求此过程中 1 气体对外作的功 2 气体内能的增量 3 气体吸收的热量 解 讨论 a b c过程有哪些特征 气体在状态变化过程中系统和外界没有热量的交换 热力学第一定律 三 绝热过程1 一般绝热过程 2 理想气体准静态绝热过程 内能增量 绝热过程的功 理想气体的状态方程 两边微分 3 绝热方程 两边积分 4 绝热线和等温线 绝热方程 化简 等温方程 结论 绝热线在A点的斜率大于等温线在A点的斜率 5 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 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 6 非静态绝热过程 绝热自由膨胀 手放在压力锅上方 为什么不会烫手 真空 例 泊松比 1 4的理想气体进行如下图所示的循环 已知状态A的温度为300K 虚线A E为过A的等温线 试问 1 此循环过程中 气体所能达到的