第11章热力学基础.ppt

11.1热力学的研究对象和研究方法,一.热学的研究对象,热现象,热学,物体与温度有关的物理性质及状态的变化,研究热现象的理论,热力学,从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观规律,宏观量,二.热学的研究方法,微观量,描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。,描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。,微观粒子,观察和实验,出发点,热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质,二者关系,无法自我验证,不深刻,缺点,揭露本质,普遍，可靠,优点,统计平均方法力学规律,总结归纳逻辑推理,方法,微观量,宏观量,物理量,热现象,热现象,研究对象,微观理论（统计物理学）,宏观理论（热力学）,11.2平衡态与准静态过程理想气体状态方程,一.系统和外界,热力学系统,热力学所研究的具体对象，简称系统。,外界,系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。,系统以外的物体,系统与外界可以有相互作用,例如：热传递、质量交换等,系统,系统的分类,开放系统,系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。,封闭系统,孤立系统,系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。,系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。,二.气体的状态参量,温度(T),体积(V),压强(p),气体分子可能到达的整个空间的体积,大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏观效果,大量分子热运动的剧烈程度,温标：温度的数值表示方法,国际上规定水的三相点温度为273.16K,1.定义,在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。,三.平衡态,说明,(1)不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；如：,两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态；,处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度变化，但它是平衡态。,低温T2,高温T1,(2)平衡是热动平衡,(3)平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示,(4)平衡态是一种理想状态,四.准静态过程,系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。,热力学过程,1,2,准静态过程,在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。,非准静态过程,系统经历一系列非平衡态的过程,实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。如：实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程,说明,(1)准静态过程是一个理想过程；,(3)准静态过程在状态图上可用一条曲线表示,如图.,(2)除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程；,O,V,p,五.理想气体的状态方程,气体的状态方程,(3)混合理想气体的状态方程为,其中,理想气体的状态方程,（平衡态）,(1)理想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体；,(2)实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作理想气体处理。且温度越高、压强越低，精确度越高.,说明,（克拉珀龙方程）,一柴油的汽缸容积为0.82710-3m3。压缩前汽缸的空气温度为320K，压强为8.4104Pa，当活塞急速推进时可将空气压缩到原体积的1/17，使压强增大到4.2106Pa。,解,T2柴油的燃点,若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推动活塞作功，这就是柴油机点火的原理。,例,求,这时空气的温度,11.3功热量内能热力学第一定律,一.功热量内能,1.概念,热力学系统与外界传递能量的两种方式,作功,传热,是能量传递和转化的量度；是过程量。,功(A),热量(Q),是传热过程中所传递能量的多少的量度；,是过程量,内能(E),是物体中分子无规则运动能量的总和；,是状态量,系统吸热：,系统对外作功：,；外界对系统作功：,；系统放热：,2.功与内能的关系,1,2,外界仅对系统作功，无传热，则,说明,(1)内能的改变量可以用绝热过程中外界对系统所作的功来量度；,绝热壁,绝热过程,(2)此式给出过程量与状态量的关系,3.热量与内能的关系,外界与系统之间不作功，仅传递热量,系统,说明,(1)在外界不对系统作功时，内能的改变量也可以用外界对系统所传递的热量来度量；,(2)此式给出过程量与状态量的关系,(3)作功和传热效果一样，本质不同,二.热力学第一定律,外界与系统之间不仅作功，而且传递热量，则有,系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分则用以对外界作功。(热力学第一定律),对于无限小的状态变化过程，热力学第一定律可表示为,(1)热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒与转换定律；,说明,(2)第一类永动机是不可能实现的。这是热力学第一定律的另一种表述形式；,(3)此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经历的各状态则不一定是平衡态。,(4)适用于任何系统（气、液、固）。,11.4准静态过程中功和热量的计算,一.准静态过程中功的计算,V1,V2,热力学第一定律可表示为,(功是一个过程量),1,2,二.准静态过程中热量的计算,1.热容,热容,比热容,摩尔热容,注意:热容是过程量，式中的下标x表示具体的过程。,2.定体摩尔热容CV和定压摩尔热容Cp（1摩尔物质）,(1)定体摩尔热容CV,(2)定压摩尔热容Cp,3.热量计算,若Cx与温度无关时，则,11.5理想气体的内能和CV，Cp,一.理想气体的内能,气体的内能是p,V,T中任意两个参量的函数，其具体形式如何？,1.焦耳试验,问题：,(1)实验装置,温度一样,实验结果,膨胀前后温度计的读数未变,气体绝热自由膨胀过程中,(2)分析,说明,(1)焦耳实验室是在1845完成的。温度计的精度为0.01,水的热容比气体热容大的多，因而水的温度可能有微小变化，由于温度计精度不够而未能测出。,通过改进实验或其它实验方法（焦耳汤姆孙实验）,证实仅理想气体有上述结论。,气体的内能仅是其温度的函数。这一结论称为焦耳定律,(2)焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。,二.理想气体的摩尔热容CV、Cp和内能的计算,1.定体摩尔热容CV和定压摩尔热容Cp,定体摩尔热容CV,定压摩尔热容Cp,1mol理想气体的状态方程为,压强不变时，将状态方程两边对T求导，有,迈耶公式,比热容比,2.理想气体内能的计算,根据热力学第一定律，有,解,因为初、末两态是平衡态，所以有,如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为p0，右边一半为真空。,例,求,把中间隔板抽去后，达到新平衡时气体的压强,绝热过程,自由膨胀过程,11.6热力学第一定律对理想气体在典型准静态过程中的应用,一.等体过程,l不变,功,吸收的热量,内能的增量,V1,等体过程中气体吸收的热量，全部用来增加它的内能，使其温度上升。,二.等压过程,功,吸收的热量,内能的增量,在等压过程中理想气体吸收的热量，一部分用来对外作功，其余部分则用来增加其内能。,p1,V1,V2,三.等温过程,内能的增量,功,吸收的热量,在等温膨胀过程中，理想气体吸收的热量全部用来对外作功，在等温压缩中，外界对气体所的功，都转化为气体向外界放出的热量。,V1,V2,质量为2.8g，温度为300K，压强为1atm的氮气，等压膨胀到原来的2倍。,氮气对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量,解,例,求,根据等压过程方程，有,因为是双原子气体,11.7绝热过程,一.绝热过程,系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。,良好绝热材料包围的系统发生的过程,进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程,1.过程方程,对无限小的准静态绝热过程有,利用上式和状态方程可得,2.过程曲线,微分,A,绝热线,等温线,由于1，所以绝热线要比等温线陡一些。,绝热过程中，理想气体不吸收热量，系统减少的内能，等于其对外作功。,3.绝热过程中功的计算,一定量氮气，其初始温度为300K，压强为1atm。将其绝热压缩，使其体积变为初始体积的1/5。,解,例,求,压缩后的压强和温度,根据绝热过程方程的pV关系，有,根据绝热过程方程的TV关系，有,氮气是双原子分子,温度为25，压强为1atm的1mol刚性双原子分子理想气体经等温过程体积膨胀至原来的3倍。,(1)该过程中气体对外所作的功；(2)若气体经绝热过程体积膨胀至原来的3倍，气体对外所作的功。,解,例,求,(1)由等温过程可得,(2)根据绝热过程方程，有,将热力学第一定律应用于绝热过程方程中，有,二.多方过程,满足这一关系的过程称为多方过程,(n多方指数，1n),可见:n越大，曲线越陡,根据多方过程方程，有,多方过程方程,多方过程曲线,功,内能增量,热量,摩尔热容,多方过程中的功内能热量摩尔热容的计算,多方过程曲线与四种常见基本过程曲线,如图，一容器被一可移动、无摩擦且绝热的活塞分割成,两部分。容器左端封闭且导热，其他部分绝热。开始时在,中各有温度为0，压强1.013105Pa的刚性双原子分子的理想气体。两部分的容积均为36升。现从容器左端缓慢地对中气体加热，使活塞缓慢地向右移动，直到中气体的体积变为18升为止。,(1)中气体末态的压强和温度。,解,例,求,(1)中气体经历的是绝热过程，则,(2)外界传给中气体的热量。,刚性双原子分子,又,由理想状态方程得,(2)中气体内能的增量为,中气体对外作的功为,根据热力学第一定律，中气体吸收的热量为,v摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的热力学过程,例,V0,2V0,p0,2p0,在该过程中，放热和吸热的区域。,解,求,从图中可以求得过程线的方程为,将理想气体的状态方程代入上式并消去p，有,对该过程中的任一无限小的过程，有,由热力学第一定律，有,由上式可知，吸热和放热的区域为,吸热,放热,11.8循环过程,一.循环过程,如果循环是准静态过程，在PV图上就构成一闭合曲线,如果物质系统的状态经历一系列的变化后，又回到了原状态，就称系统经历了一个循环过程。,系统（工质）对外所作的净功,1.循环,2.正循环、逆循环,正循环(循环沿顺时针方向进行),逆循环(循环沿逆时针方向进行),（系统对外作功）,Q1,Q2,a,b,根据热力学第一定律，有,（系统对外作负功）,正循环也称为热机循环,逆循环也称为致冷循环,Q1,Q2,a,b,二.循环效率,在热机循环中，工质对外所作的功A与它吸收的热量Q1的比值，称为热机效率或循环效率,一个循环中工质从冷库中吸取的热量Q2与外界对工质作所的功A的比值，称为循环的致冷系数,1mol单原子分子理想气体的循环过程如图所示。,(1)作出pV图(2)此循环效率,解,例,求,a,c,b,(2)ab是等温过程，有,bc是等压过程，有,(1)pV图,ca是等体过程,循环过程中系统吸热,循环过程中系统放热,此循环效率,逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示，该循环由四个过程组成，先把工质由初态A（V1，T1）等温压缩到B（V2，T1）状态，再等体降温到C（V2，T2）状态，然后经等温膨胀达到D（V1，T2）状态，最后经等体升温回到初状态A，完成一个循环。,该致冷循环的致冷系数,解,例,求,在过程CD中，工质从冷库吸取的热量为,在过程中AB中，向外界放出的热量为,A,B,C,D,整个循环中外界对工质所作的功为,循环的致冷系数为,11.9热力学第二定律,一.热力学第二定律,由热力学第一定律可知，热机效率不可能大于100%。那么热机效率能否等于100%（）呢？,地球,热机,Q1,A,若热机效率能达到100%,则仅地球上的海水冷却1,所获得的功就相当于1014t煤燃烧后放出的热量,单热源热机(第二类永动机)是不可能的。,热源,热源,1.热力学第二定律的开尔文表述,不可能只从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而不引起其它变化。,(1)热力学第二定律开尔文表述的另一叙述形式:第二类永动机不可能制成,说明,(2)热力学第二定律的开尔文表述实际上表明了,2.热力学第二定律的克劳修斯表述,热量不能自动地从低温物体传向高温物体,(1)热力学第二定律克劳修斯表述的另一叙述形式:理想制冷机不可能制成,说明,(2)热力学第二定律的克劳修斯表述实际上表明了,3.热机、制冷机的能流图示方法,热机的能流图,致冷机的能流图,4.热力学第二定律的两种表述等价,(1)假设开尔文表述不成立,克劳修斯表述不成立,(2)假设克劳修斯表述不成立,开尔文表述不成立,用热力学第二定律证明：在pV图上任意两条绝热线不可能相交,反证法,例,证,a,b,c,绝热线,等温线,设两绝热线相交于c点，在两绝热线上寻找温度相同的两点a、b。在ab间作一条等温线，abca构成一循环过程。在此循环过程该中,这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背热力学第二定律的开尔文表述的。因此任意两条绝热线不可能相交。,11.10可逆与不可逆过程,若系统经历了一个过程，而过程的每一步都可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化，那么这个过程就称为可逆过程。,一.概念,如对于某一过程，用任何方法都不能使系统和外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程,可逆过程,不可逆过程,自发过程,自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程。,1.不可逆过程的实例,力学（无摩擦时）,过程可逆,（有摩擦时）,不可逆,二.不可逆过程,（真空）,可逆,（有气体）,不可逆,功向热转化的过程是不可逆的。,墨水在水中的扩散,一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。,热量从高温自动传向低温物体的过程是不可逆的,自由膨胀的过程是不可逆的。,一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，一切实际过程都是不可逆过程。,不平衡和耗散等因素的存在，是导致过程不可逆的原因。,2.过程不可逆的因素,无摩擦的准静态过程是可逆过程（是理想过程）,三.热力学第二定律的实质，就是揭示了自然界的一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。,11.11卡诺循环卡诺定理,一.卡诺循环,卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成,1.卡诺热机的效率,a,b,c,d,气体从高温热源吸收的热量为,气体向低温热源放出的热量为,对bcda应用绝热过程方程，则有,(1)理想气体可逆卡诺循环热机效率只与T1，T2有关,温差越大，效率越高。