第六章热力学PPT课件

第六章热力学,热力学第一定律其实就是包括热现象在内的能量转化和守恒定律.热力学第二定律则指出了自然界自发过程进行的方向和条件.,6.1热力学第一定律,6.1.1热力学过程,系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的转变过程。可通过外界对系统做功、传热来完成。,准静态过程（理想化模型）过程无限缓慢，每一步都是平衡态。可用p-V图表示。,典型过程：等体、等压、等温、绝热,热量:由于温度不同而在系统与环境之间传递的能量。,说明：1、热量是能量的一种传递方式。2、传热也是改变系统状态的一种途径。3、热量也是过程函数，不是状态函数。,6.1.2热量功,外界对系统做功：(压缩）,规定：外界对系统做功为正,说明：功可用p-V图表示。功的大小为曲线下的面积。功是过程函数，不是态函数。功是能量传递的一种途径，做功可以改变系统的状态。,内能:内能是态函数，E=f(V,T);理想气体内能仅是温度的函数，E=f(T),6.1.3热力学第一定律,热力学第一定律,说明：1、此定律为普适定律，适用于实际过程。2、微分形式：dE=dA+dQ3、定义外界对系统做功为正，系统从外界吸热为正。,6.2热力学第一定律对理想气体的应用,6.2.1等体过程,定体摩尔热容,适用于任何准静态过程,对于理想气体,经典理论(统计和能量连续）有缺陷，需量子理论。低温时，只有平动，i=3；常温时，转动被激发，i=5；高温时，振动也被激发，i=7。,CV值和实验比较,常温（300K附近)下符合很好，而多原子分子气体则较差,功、热量、内能增量,6.2.2等压过程,定压摩尔热容,迈耶公式,功、热量、内能增量,比热容比：,焓,定义焓H=E+pV,(1)焓是态函数。(2)物理意义：等压过程中系统从外界吸收的热量，等于系统的焓变。,说明：,6.2.3等温过程,功、热量、内能增量,例如图所示，设系统可由a经等温过程到达b.使1molO2由a经等体过程到达c,再由c经等压到过程到达b,计算气体所做的功和吸收的热量。,过程方程,6.2.4绝热方程,p-V图,功、热量、内能增量,两条绝热线不相交,例设有8gO2,V1=0.4110-3m3，T1=300K,(1)如O2作绝热膨胀，膨胀后体积V2=4.1010-3m3，问气体做功多少？(2)如O2做等温膨胀，膨胀后体积V2=4.1010-3m3，问气体做功多少？已知CV=20.8J/(molK),解(1)将氧气视为理想气体.膨胀后的温度为,气体对外做的功为,(2)对于等温膨胀过程,气体对外做功,6.3循环和卡诺循环,6.3.1循环过程,特点：1、做功为所包围的面积.2、E=0,系统从某一状态出发，经过一系列过程，最后又回到原来的状态.规定:顺时针的循环为正循环。,6.3.2卡诺循环,卡诺热机,由两个等温过程和两个绝热过程组成，在两个温度恒定的热源之间工作的准静态循环过程。,结论:1)卡诺循环的效率小于1；,2)提高热机效率的方向提高高低温热源的温度差,制冷机（卡诺循环的逆循环）,6.4.1可逆与不可逆过程,宏观过程的方向性,1、功热转换：功可以自动全部转换成热。2、热传导：热量会自动从高温物体传向低温物体。3、气体的绝热自由膨胀,二、可逆与不可逆过程,一个系统由某一状态出发，经过某一过程达到另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，则原过程称之为“可逆过程”；反之，如果用任何方法都无法使系统和外界完全复原，则原过程称之为“不可逆过程”。,任何一个实际宏观过程都有一定的方向性。它们可以按一定的方向自发进行，但是其逆过程是不能自发进行的。,6.4热力学第二定律,例1）功、热的转换（不可逆过程）,例2）热传导过程（不可逆过程）,例3）气体的绝热自由膨胀（不可逆过程）,例4）不计阻力的单摆运动,单纯的无耗散的机械运动是可逆过程。,例5）气体的迅速膨胀,活塞非常缓慢地拉动时，外界作的总功为零。可视为可逆过程。,一切与热现象有关的实际宏观过程不可逆。,|A1|A2|,6.4.2热力学第二定律,一、不可逆过程是相互等价的。,功热转换不可逆热传导不可逆,自然宏观过程按一定方向进行的规律。如何精确描述？,热力学第二定律的表述,(1)开尔文表述不可能从单一热源吸热，使之完全变成有用功，而不产生其他影响。,(2)克劳修斯表述热量不可能自动地从低温物体传给高温物体。不可能把热量从低温物体传给高温物体，而不产生其他影响。,1）第二定律是一个实验定律，可以有多种表述方法，但在逻辑上都是等价的。2）第二定律是一个普适定律，对于气体，液体固体及生物过程都成立。3）第二定律的实质：在于说明一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。必须按一定的方向自发进行。4）第二定律的另一种表述：第二类永动机是不可能造成的。1,讨论：,6.4.3克劳修斯不等式,在任何循环过程中，工作物质从热源吸收的热量与相应热源温度的比值代数和决不大于零。,说明:1、此不等式来自热力学第二定律。2、dQ表示某一元过程中系统从环境中吸收的热量，dQ表示放热。3、表示闭合路径积分。4、等号对应于可逆过程，不等号对应于不可逆过程。,6.4.4卡诺定理,（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关.（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率不可能高于可逆机的效率.,6.5熵,6.5.1熵熵增加原理,设系统经历可逆循环1A2B1，则,因为过程是可逆的，所以,系统经历可逆变化，与路径无关，仅由始末状态决定。,态函数熵S,（1）熵是态函数。（2）定义式对可逆过程成立。,说明：,（5）如果系统由两个子系统S1，S2构成，总熵SS1S2,（4),（3）单位,（7)理想气体的熵,(6)由于熵为态函数，与过程无关，可设计一始末态相同的可逆过程计算熵差S。,若初态熵为S0，参考态熵为S0理想气体的熵,因为,任选取一可逆过程,系统从初态()到末态（），沿此过程积分:,任选取一可逆过程,系统从初态()到末态（），沿此过程积分:,设系统经历不可逆循环1B2A1，则,熵增加原理,所以,若为绝热过程：则,熵增加原理：绝热过程，熵永不减少。,6.5.2孤立系的平衡判据,（1）作为孤立系统自发过程进行方向的判据。当系统达到平衡态时，熵具有最大值。,（3）熵增加原理是热力学第二定律的数学表示式，对孤立系统内的一切过程有,（2）只对孤立系统或绝热过程才成立，否则熵有可能减少。例1、等温膨胀、等温压缩例2、小孩长成聪明精干的小伙子,6.6熵的微观实质与统计意义,例：气体绝热自由膨胀,6.6.1宏观状态与微观状态,设有一容器仅有四个分子,共有24=16个微观状态,从宏观上可分为五个状态,3个分子同时在A室的概率：,2个分子同时在A室的概率：,1个分子同时在A室的概率：,N个分子同时在A室的概率：,4个分子同时在A室的概率：,孤立系统中自发进行的不可逆过程，总是由几率小的宏观态向几率大的宏观态进行，也就是由包含微观态数目少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态进行.,热力学第二定律的统计意义：,在孤立系统内部所发生的过程，总是沿着无序性增大的方向进行的。孤立系统总