清华大学自用大学物理一教学课件第十八章热力学第一定律

1,2,热力学过程：热力学系统的状态随时间发生变化的过程。,3,18-2准静态过程,准静态过程：,状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。,4,例:外界对系统做功,非准静态过程,非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，约10-3秒L/v1m/(1000m/s)，如果实际压缩一次所用时间为1秒，就可以说是准静态过程。,外界压强总比系统压强大一无限小量P，缓慢压缩可近似看为准静态过程。,5,准静态过程的过程曲线可以用P-V图来描述，图上的每一点都表示系统的一个平衡态。,6,钻木取火通过做功的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。,7,作电功改变系统状态的实验,8,18-1功热量热力学第一定律,(1)准静态过程中的内能变化,实验证明系统从状态A变化到状态B，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变.,内能是状态量,9,系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关.,10,(2)准静态过程中的功,功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化.,宏观运动能量,热运动能量,11,12,结论：系统所做的功在数值上等于P-V图上过程曲线以下的面积。,13,p-V图上过程曲线下的面积,14,P,V,A,B,作功正负的判断:,作功与过程有关，看是否单方向膨胀,15,通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递.,(3)准静态过程中的热量,16,热容量：物体温度升高一度所需要吸收的热量。,比热：单位质量物质热容量。,单位：,单位：,摩尔热容量：1mol物质的热容量。,17,微过程的热量计算式：,热量计算式：,18,（1）都是过程量：与过程有关；（2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；,（3）功与热量的物理本质不同.,1cal=4.18J，1J=0.24cal,END,19,热力学第一定律的数学描述,系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外界做功.,20,准静态过程,微变过程,21,22,（1）能量转换和守恒定律.第一类永动机是不可能制成的.（2）实验经验总结，自然界的普遍规律.,END,第一类永动机：,不需要外界提供能量，但可以继续不断地对外做功的机器。,热力学第一定律：“不可能制造出第一类永动机”。,23,例一定量的理想气体，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。,24,例在一气缸内放有一定量的水，活塞与汽缸间的摩擦不计缸壁由良导热材料制成.作用于活塞上的压强.开始时,活塞与水面接触.若使环境(热源)温度非常缓慢地升高到.求把单位质量的水汽化为水蒸汽,水的内能改变了多少?,已知水的汽化热为,水的密度,水蒸汽的密度,解水汽化所需的热量,水汽化后体积膨胀为,25,26,热力学第一定律的应用,计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础.,27,热力学的等值过程,28,1等体过程,由热力学第一定律,特性常量,过程方程常量,29,等体升压,1,2,30,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。,单位,定体摩尔热容:理想气体在等体过程中吸收热量，使温度升高,其定体摩尔热容为:,31,吸收热量：,内能增量：,等体过程系统作功：,由热力学第一定律,自由度,32,2等压过程,过程方程常量,特性常量,功,33,1,2,等压膨胀,34,结论：在等体压过程中，系统吸收的热量除用来增加自身的内能外，同时还对外做功。,定压摩尔热容:理想气体在等压过程中吸收热量，温度升高，其定压摩尔热容为：,35,由热力学第一定律,吸收热量：,功：,系统内能的增量：,36,定体摩尔热容与定压摩尔热容的关系,迈耶公式：,结论：同一状态下1摩尔的理想气体温度升高1K，等压过程需要吸收的热量比等体过程吸收的热量多8.31J。,比热容比：,单原子分子：,双原子分子：,37,38,思考：一定量的理想气体内能E随体积V的变化关系如图，问该气体经历的是什么过程?,E=iRT/2=KVPV=RTV=RT/P,E=iRT/2=KRT/PP=2K/i等压过程,解：,39,（3）等温过程,由热力学第一定律,特征常量,40,41,等温过程系统作功和吸热：,等温过程系统内能的增量：,42,例.将500J的热量传给标准状态下的2摩尔氢。（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）Q=E，热量转变为内能,43,Q=W，热量转变为功,（2）T不变，热量变为什么？氢的p，V各为多少？,44,Q=A+E，热量转变为功和内能,（3）p不变，热量变为什么？氢的T，V各为多少？,45,例.质量为2.810-3kg，压强为1atm，温度为27的氮气。先在体积不变的情况下使其压强增至3atm，再经等温膨胀使压强降至1atm，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，并画出P-V图。,解,46,47,等容过程：,等温过程：,48,等压过程：,49,18.4绝热过程,与外界无热量交换的过程,特征,热一律,1准静态绝热过程,50,51,绝热过程内能增量：,绝热过程的功：,52,若已知及,由可得,53,绝热过程方程的推导,1,2,由理想气体的状态方程：,两边微分：,54,55,两边积分：,56,绝热线和等温线,绝热过程曲线的斜率,等温过程曲线的斜率,绝热线的斜率大于等温线的斜率.,常量,常量,57,答案：不可能发生的有:(1),(2),(3),58,2非准静态绝热过程,理想气体自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强p=?,59,*绝热方程对非静态过程不适用,节流过程焦耳-汤姆孙效应,60,例设有5mol的氢气，最初温度，压强，求下列过程中把氢气压缩为原体积的1/10需作的功:（1）等温过程（2）绝热过程（3）经这两过程后，气体的压强各为多少？,61,解（1）等温过程,（2）氢气为双原子气体,由表查得，有,已知：,62,例.有810-3kg氧气，体积为0.4110-3m3，温度为27。如氧气作绝热膨胀，膨胀后的体积为4.110-3m3，问气体作多少功？如作等温膨胀，膨胀后的体积也为4.110-3m3，问气体作多少功？,解：,绝热方程：,63,例.有体积为10-2m3的一氧化碳，其压强为107Pa，温度为300K。膨胀后，压强为105Pa。试求（1）在等温过程中系统所作的功和吸收的热量。（2）如果是绝热过程，情况将怎样？,解：,（1）等温过程,系统做功：,内能变化：,64,系统吸热：,（2）绝热过程,系统做功：,又,系统吸热：,65,多方过程,66,内能增量：,由热力学第一定律：,67,设多方过程的摩尔热容为Cn,m,多方过程吸热：,比较可得：,由,和,多方过程的摩尔热容：,68,18.5循环过程,69,由热力学第一定律,热量全部转化为功，但是气体体积膨胀,70,循环过程,系统经过一系列状态变化过程后，又回到原来的状态的过程。,71,循环特征：经历一个循环过程后，内能不变。,aIb为膨胀过程：,bIIa为压缩过程：,净功：,结论：在任何一个循环过程中，系统所做的净功在数值上等于pV图上循环曲线所包围的面积。,p,V,b,a,II,I,pb,Vb,pa,Va,72,循环过程的分类：,正循环：在pV图上循环过程按顺时针进行aIbIIa,逆循环：在pV图上循环过程按逆时针进行aIIbIa,热机：工作物质作正循环的机器,致冷机：工作物质作逆循环的机器,73,热机:持续地将热量转变为功的机器.,74,热机效率,75,各种热机的效率,液体燃料火箭,柴油机,汽油机,蒸汽机,热机发展简介,1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机,1765年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率,76,冰箱循环示意图,77,致冷机致冷系数,78,一直敞开冰箱门能制冷整个房间吗？,思考：,打开冰箱凉快一下,79,例1.3.210-2kg氧气作ABCD循环过程。AB和CD都为等温过程，设T1=300K，T2=200K，V2=2V1。求循环效率。,解：,吸热,放热,80,吸热,放热,81,例2.计算奥托机的循环效率。cd,eb为等容过程；bc，de为绝热过程。,解：,吸热,放热,82,83,实际技术中的典型循环,1.汽油机：奥托循环,84,实际技术中的典型循环,2.柴油机：狄塞尔循环-船舶、拖拉机等使用的四冲程循环,85,3.斯特林循环多用于致冷机,实际技术中的典型循环,86,实际技术中的典型循环,4.燃气涡轮机的循环,87,88,18.6卡诺循环,1824年，法国青年科学家卡诺（1796-1832）提出一种理想热机，工作物质只与两个恒定热源（一个高温热源，一个低温热源）交换热量。整个循环过程是由两个绝热过程和两个等温过程构成，这样的循环过程称为卡诺循环。,89,卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成.,低温热源T2,90,理想气体卡诺循环热机效率的计算,AB等温膨胀BC绝热膨胀CD等温压缩DA绝热压缩,卡诺循环,91,AB等温膨胀吸热,CD等温压缩放热,92,DA绝热过程,BC绝热过程,所以,93,卡诺热机效率,卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高.,94,图中两卡诺循环吗？,95,