大学物理课件-第9章 热力学第一定律（the first law of thermodynamics）

鞍山科技大学 姜丽娜,1,第9章 热力学第一定律（The first law of thermodynamics）,鞍山科技大学 姜丽娜,2,第9章 热力学第一定律（The first law of thermodynamics）,9.1 准静态过程,2.弛豫时间：,当气体的外界条件改变时，它的状态就发生变化。气体从一个状态不断地变化到另一个状态，所经历的是个状态变化的过程。过程进展的速度可以很快，也可以很慢。实际过程常是比较复杂的。如果过程进展得十分缓慢，使所经历的一系列中间状态，都无限接近平衡状态，这个过程就叫做准静态过程。,过程进行的每一时刻，系统的状态都无限接近于平衡态。,一个系统如果最初处于非平衡态，经过一段 时间过渡到一个平衡态，这一过渡时间称弛豫时间。,1.准静态过程：,鞍山科技大学 姜丽娜,3,平衡状态和平衡过程的示意图,(p2,V2,T2),(p1,V1,T1),3. 准静态过程的状态图,鞍山科技大学 姜丽娜,4,9.2 功,做功可使系统状态变化。,（图1）在一个有活塞的玻璃圆筒中，放入浸有乙醚的棉花，当急速下压活塞时，棉花可被点燃。,例如：,（图2）机械功可以改变系统状态的焦耳实验。,（图3）电功改变系统状态的实验,鞍山科技大学 姜丽娜,5,做功的过程是宏观机械运动能量与系统分子热运动能量之间的转化。,2.准静态过程的功,例：设气缸内气体压强为P，活塞面积s,当活塞移动微小距离dl时，气体经历了一个无限小的变化过程。,(1)气体所做的功,当气体体积由V1变到V2时，气体做功,1.做功的本质：,鞍山科技大学 姜丽娜,6,（2）PV图上的功,1. 细条阴影面积代表什么意义？,曲边梯形面积代表气体由态过渡到 态气体所做的功A。,系统对外做正功;,气体被压缩时(dV0)，系统对外做负功;外界对系统做正功。,系统由一个状态变化到另一个状态时，所做的功不仅取决于系统的初未状态，而且与系统所经历的过程有关。,(p2,V2,T2),(p1,V1,T1),细条阴影面积代表元功dA,问题：,3 .气体膨胀时(dV0)系统做什么功？,4.气体被压缩时(dV0)，系统做什么功？,5.气体做功与过程有无关系？,2.曲边梯形面积代表什么意义？,鞍山科技大学 姜丽娜,7,9.3 热量 、热力学第一定律,一、热量Q,当系统和外界或两个不同的物体，在不做功的情况下，通过热接触改变系统（物体）状态的相互作用形式称热传递传热。,把通过传热方式传递的能量称热量。,（3）传热的本质：,注意：,高温分子无规则热运动的能量传递给低温系统内的分子，并转换为该系统内分子热运动的能量。,2. Q0，表示系统从外界吸热；,1.做功和传热都能传递能量，从而改变系统的内能，但两者有本质的区别。,（1）传热,（2）热量Q,Q0，表示系统向外界放热。,鞍山科技大学 姜丽娜,8,二、内能 E：,实验证明，热力学系统处于某一状态，就对应一定的能量，当系统状态发生变化时，则系统的能量也随着变化。这种由系统状态确定的能量称为热力学系统的内能。,无关，系统内能的改变只决定于系统的始末状态。,（1）宏观观点：,（3）理想气体的内能是温度的单值函数,从微观来讲内能是系统中所有分子的平均动能与势能之和。,从宏观来讲内能是系统状态的单值函数；,（2）微观观点：,系统内能的变化与所经过的过程有无关系？,问题：,鞍山科技大学 姜丽娜,9,三、热力学第一定律：,外界与系统传递的热量，一部分用来使系统的内能变化，另一部分是用于系统对外做功。,热力学第一定律数学式：,有限过程：,无限小过程：,注意：,2. EE2E10，系统内能增加。,3. 第一类永动机不可能制成。,4 .当 E0时，QA，但功和热之间的转换不是直接的，而是通过系统来完成的。如内燃机的工作过程。,1.A0，表示系统对外界做功；A0，表示外界对系统做功。,即A0，E0，Q0是不可能的。,5.热力学第一定律适用于任何系统的任何过程。,EE2E1 0，系统内能减少。,鞍山科技大学 姜丽娜,10,9.4 热 容,系统和外界之间的热传递通常 会引起系统本身温度的变化 。这一温度的变化和热传递的关系用热容表示 。,1.热容定义：,当系统与外界传递热量 d Q，温度升高 dT 时，热容为：,2.摩尔热容Cm 定义：,当系统的物质的量为1mol 时，它的热容称摩尔热容。,（1）定压热容：,系统压强保持不变的过程中的热容 。,（2）定体热容：,系统体积保持不变的过程中的热容 。,3.比热容C 定义：,当系统的质量为单位质量时，它的热容称比热容。,鞍山科技大学 姜丽娜,11,4. 理想气体的热容：,设mol 理想气体，经历一个微小的准静态过程后，温度变化为dT，由热力学第一定律,气体在这一过程中从外界吸收的热量：,（1）定体摩尔热容：,对于理想气体：,1.摩尔理想气体，在体积保持不变时，温度改变1K时，吸收或放出的热量。,意义：,鞍山科技大学 姜丽娜,12,（2）定压摩尔热容：,由状态方程,迈耶公式,（3）比热容比：,1摩尔理想气体，在压强保持不变时，温度改变1K时，吸收或放出的热量。,意义：,鞍山科技大学 姜丽娜,13,4. 经典热容理论具有局限性。因为经典能量理论是连续的，而量子理论能量是分立的。,注意：,1. CV,m、CP,m、对于单原子,双原子气体在常温下的理论值与实验值相吻合。,2. 对三原子以上分子理论值与实验值差别较大；,3. 实验测得 CV,m、CP,m、随温度而变化。,鞍山科技大学 姜丽娜,14,热力学第一定律应用举例,研究对象：,质量M一定的理想气体。,一、定体（等容）过程：（以吸热Q0为例）,体积V常量；或dV=0,2.理想气体实验：,气缸活塞固定不动,内装定量气体。,温度升高时,压强增大。,装置：,现象：,1.特征：,鞍山科技大学 姜丽娜,15,3 . P-V图,4.过程方程,5.微小过程,由状态方程：,由第一定律,鞍山科技大学 姜丽娜,16,7.结论：,定体过程中，外界传递给气体的热量，全部用来改变气体的内能。,当Qv0时，T2T1；,当Qv0时，T2T1,6.有限过程:,由状态(P1、V1、T1）状态 (P2、V2、T2 ）：,A0,吸热：,问题：,1. 定体吸热过程中，气体的内能如何变化？,2.定体放热过程中，气体的内能如何变化？,（答：增加）,（答 ：减少）,鞍山科技大学 姜丽娜,17,二、定压（等压）过程（以吸热Q0为例）,1.特征 压强 P常量；或dP=0,2.理想气体实验,装置：气缸吸热膨胀，让活塞上所加的力保持不变。,现象：温度升高时, 体积增大。,鞍山科技大学 姜丽娜,18,3. P-V图,4.过程方程,鞍山科技大学 姜丽娜,19,5.微小过程,由状态方程：,6.有限过程：,由状态(P1、V1、T1）状态 (P2、V2、T2 ）,吸热：,由第一定律：,内能增量：,做功：,鞍山科技大学 姜丽娜,20,问题：,定压膨胀过程中，A0，E0，气体吸热QP0,定压压缩过程中，A0，E0，气体放热QP0,1.定压膨胀过程中，A、E、QP 如何变化？,2.定压压缩过程中， A、E、QP如何变化？,鞍山科技大学 姜丽娜,21,三、等温过程（以吸热为例）,温度T常量；或dT=0,2.理想气体实验,气缸与恒温大热库相接触。,气体体积增大。,1.特征,装置：,现象：,鞍山科技大学 姜丽娜,22,3 . P-V图,(p2,V2,T2),(p1,V1,T1),鞍山科技大学 姜丽娜,23,4.过程方程,5.微小过程,由状态方程：,6.有限过程：,由状态(P1、V1、T1）状态 (P2、V2、T2 ）：,吸热,由第一定律：,鞍山科技大学 姜丽娜,24,9.5 绝热过程,系统在不与外界作热量交换的条件下，或热交换可以忽略时，系统的状态变化过程称绝热过程。,1.特征：或dQ=0,2.理想气体实验：,3.准静态绝热微小过程,由状态方程：,由第一定律：,从上面两式中消去dT,例如：热水瓶内的气体，内燃机气体爆炸过程。,一、准静态绝热过程,鞍山科技大学 姜丽娜,25,绝热准静态有限过程,泊松公式,鞍山科技大学 姜丽娜,26,4.绝热准静态过程的过程方程,由状态方程：,5.绝热准静态有限过程,吸热,内能增量,做功：,或：,鞍山科技大学 姜丽娜,27,6.结论：,绝热膨胀，气体对外做功其内能减少；,绝热压缩，外界对气体做功，其内能增加。,7.等温线与绝热线比较：,a等温过程,b绝热过程,结论：PV图上绝热线比等温线陡。,问题：如何从物理上解释上述现象？,V,n,P。,V,n,P,T,P。,a等温过程：,b绝热过程:,a,b,鞍山科技大学 姜丽娜,28,二、绝热自由膨胀,吸热：,内能增量：,做功：,问题:绝热自由膨胀过程是不是准静态过程?,答:不是。,绝热自由膨胀过程,对于理想气体：,问题:绝热自由膨胀过程是不是等温过程?,答:不是。,鞍山科技大学 姜丽娜,29,问题:绝热过程的过程方程是否适用于绝热自由膨胀过程?,答:不适用。,注意:,1.由于实际气体分子间存在相互作用力,经过绝热自由膨胀后,虽然内能不变,但温度一般不会复原。,2.当分子间平均作用力以斥力为主时,经过绝热自由膨胀后,分子间势能减少,温度将升高。,3.当分子间平均作用力以引力为主时,经过绝热自由膨胀后,分子间势能增加,温度将降低。,由状态方程：,鞍山科技大学 姜丽娜,30,理想气体由状态(P1、V1、T1）状态 (P2、V2、T2 ）,作业：填写下表,鞍山科技大学 姜丽娜,31,冷凝器,锅炉,泵,汽缸,吸热Q1,高温热库T1,低温热库T2,蒸汽机工作原理示意图（1）,活塞,9.6 循环过程,水箱,泵,鞍山科技大学 姜丽娜,32,冷凝器,锅炉,泵,汽缸,吸热Q1,高温热库T1,低温热库T2,蒸汽机工作原理示意图(2),气体膨胀做功A1,泵,水箱,鞍山科技大学 姜丽娜,33,冷凝器,锅炉,吸热Q1,放热Q2,蒸汽机工作原理示意图(3),水箱,外界对气体做功A2,泵,泵,汽缸,高温热库T1,低温热库T2,鞍山科技大学 姜丽娜,34,1769年法国居诺制造的蒸汽汽车,鞍山科技大学 姜丽娜,35,蒸汽机工作原理示意图,摘自中国大百科全书 梁守志绘,鞍山科技大学 姜丽娜,36,历史上，热力学最初是在研究蒸汽机工作过程的基础上发展起来的。,在循环中被利用来吸收热量并对外做功的物质系统称工作物质。,三、循环的特征,二、工作物质（工质）：,：E0,一、循环过程：,若物质系统由某个状态出发，经过任意的一系列过程，最后回到原来的状态，这样的过程称为循环过程，或简称循环。,P-V图上的循环过程,鞍山科技大学 姜丽娜,37,正循环（PV图上顺时针的循环）,四、循环效率：,吸热Q1,放热Q2,正循环是把热量持续地转化为功的机器，这种机器称热机。例如：蒸汽机、内燃机、汽轮机等都是热机,A,a,b,c,d,P,o,V,V1,V2,由热力学第一定律,定义热机效率为：,鞍山科技大学 姜丽娜,38,内燃机结构,摘自中国大百科全书 章又新绘,鞍山科技大学 姜丽娜,39,内燃机四冲程工作循环过程,摘自中国大百科全书 章又新绘,鞍山科技大学 姜丽娜,40,奥托热机装置简介,工质,鞍山科技大学 姜丽娜,41,奥托循环过程,鞍山科技大学 姜丽娜,42,V1,a,V2,e,绝热压缩,奥托循环过程,压缩,鞍山科技大学 姜丽娜,43,a,b,e,绝热压缩,爆炸,V1,V2,奥托循环过程,鞍山科技大学 姜丽娜,44,c,a,b,e,绝热压缩,吸热Q1,作功,V1,V2,奥托循环过程,鞍山科技大学 姜丽娜,45,c,a,d,b,e,绝热压缩,绝热膨胀,吸热Q1,放热,V1,V2,奥托循环过程,鞍山科技大学 姜丽娜,46,a,e,b,绝热压缩,V1,奥托循环过程,鞍山科技大学 姜丽娜,47,奥托循环效率,c,a,d,b,e,绝热压缩,绝热膨胀,吸气,鞍山科技大学 姜丽娜,48,热机循环效率：,bc等体吸热,da等体放热,鞍山科技大学 姜丽娜,49,cd绝热膨胀过程：,ab绝热压缩过程：,鞍山科技大学 姜丽娜,50,当：,鞍山科技大学 姜丽娜,51,卡诺循环是在两个温度恒定的热库之间工作的循环过程，在整个循环过程中，工作物质仅与高温热库或低温热库交换能量。,1. 定义：,a(P1、V1、T1）,b (P2、V2 、T1）,c(P3、V3、T2）,d(P4、V4 、 、,等温膨胀,等温压缩,绝热压缩,绝热膨胀,吸热Q1,放热Q2,为了提高热机的效率，1824年法国青年工程师卡诺设计了一种理想的循环机器，而且从理论上可以证明是效率最高的一种热机。,9.7 卡诺循环,鞍山科技大学 姜丽娜,52,2卡诺循环效率,热机循环效率：,（1）正循环：,ab等温吸热,cd等温放热,bc绝热过程,da绝热过程,鞍山科技大学 姜丽娜,53,（2）逆循环：,致冷机系数：,低温热库温度愈低，致冷系数愈小，即从温度很低的低温热库中吸取热量，需要消耗的外功愈多。,鞍山科技大学 姜丽娜,54,1.热电厂利用的水蒸气温度可达853K，冷凝水的温度约303K，若按卡诺循环计算其效率为多少？,2.家用电冰箱的温度保持在270K，室内温度为约300K，若按卡诺循环计算其致冷系数为多少？,鞍山科技大学 姜丽娜,55,注意：,1. 要完成一次卡诺循环必须有高温和低温两个热库。,2. 卡诺循环效率的效率只与两个热库的温度有关。两热库温差愈大，从高温热库吸取的热量利用率愈高。,3. 卡诺循环效率总是小于1的。,问题：,1. 两个卡诺热机分别使用同一个低温热库，但高温热库的温度不同。在PV图上它们的循环曲线所包围的面积相等，它 们对外所做的净功是否相同？热循环效率是否相同？,2. 一个卡诺热机在两个温度一定的热库间工作时，如果工质体积膨胀得多些，它对外所做的净功是否就多些？热循环效率是否就高些？,答：相同。不同。,鞍山科技大学 姜丽娜,56,热力学温标：,当T1为水的三相点温度时：即T1=273.16K,注意：在理想气体范围内，热力学温标与理想气体温标是一致的。,鞍山科技大学 姜丽娜,57,致冷机工作原理示意图,9.8 致冷循环,鞍山科技大学 姜丽娜,58,汽缸,放热,Q,1,吸热,Q,2,低温热库T2,高温热库T1,节流阀,空调器工作原理示意图（,夏季,）,外界对气体做功,A,鞍山科技大学 姜丽娜,59,汽缸,放热Q1,吸热Q2,高温热库T1,节流阀,空调器工作原理示意图（冬季）,室外,低温热库T2,外界对气体做功A,鞍山科技大学 姜丽娜,60,逆循环（PV图上逆时针的循环）,逆循环是利用外界做功从低温热库吸热，向高温热库放热的机器。这样的机器称致冷机，如冰箱。,由热力学第一定律,把热量从低温物体抽到高温物体的装置叫热泵。空调器，其工作原理与致冷机相同。冰箱的工作目的在于从低温物体吸出热量使之温度更低；空调 器的工作目的在于夏季使低温热库温度更低，冬季使高温热库温度更高。,致冷系数：,问题：,1. 夏季能否用打开冰