大学物理热力学基础PPT课件

0,精选,第七章热力学基础,退出,7.1热力学第一定律,7.6热力学第二定律,7.5循环过程,7.4理想气体的绝热过程,7.2热容量,7.3热力学第一定律的应用,1,精选,7.1热力学第一定律(Thefirstlawofthermodynamics),1系统的内能是状态量。如同P、V、T等量。,内能的变化：,只与初、末态有关，与过程无关。,理想气体：,一、内能、功、热(Internalenergy,Work,Heat),上页,下页,退出,返回,2,精选,3系统和外界温度不同，就会传热，或称能量交换，热量传递可以改变系统的状态（内能）。,微小热量：,0表示系统从外界吸热；0系统吸供热W0系统对外界作正功E0系统内能增加,另一种叙述：第一类永动机(1)是不可能制成的。,二、热力学第一定律(Thefirstlawofthermodynamics),上页,下页,退出,返回,4,精选,系统状态的变化就是过程。,不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。,举例1：外界对系统做功,过程无限缓慢,外界压强总比系统压强大一小量P，就可以缓慢压缩。,三、准静态过程（Quasi-staticprocess）,过程中的每一状态都是平衡态(Equilibriumstate),上页,下页,退出,返回,5,精选,系统温度T1直接与热源T2接触，最终达到热平衡，不是准静态过程。,举例2：系统（初始温度T1）从外界吸热,上页,下页,退出,返回,6,精选,因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如P-V图（或P-T图，V-T图）中一条曲线表示，反之亦如此。,1.热力学第一定律适用于任何系统(固、液、气）；2.热力学第一定律适用于任何过程(非准静态过程亦成立)。,上页,下页,退出,返回,7,精选,四、W、Q、E的计算1.W的计算(准静态过程，体积功),(1)直接计算法(由定义),系统对外作功，,功是过程量PV图上过程曲线下的面积即W的大小。,上页,下页,退出,返回,8,精选,：摩尔数，C：摩尔热容量,QC(T2-T1),(2)间接计算法(由相关定律、定理)由QEW,2.Q的计算(1)直接计算法,(2)间接计算法由Q=E+W,上页,下页,退出,返回,9,精选,i：自由度(上式仅对刚性理想气体分子）,(1)直接计算法,3.DE的计算,(2)间接计算法由Q=E+W,上页,下页,退出,返回,10,精选,一.理想气体等容摩尔热容量一摩尔物质温度升高一度所吸收的热量，即,对于等容过程，dW=0，,有,7.2气体的摩尔热容量(molarheatcapacity),上页,下页,退出,返回,11,精选,CP=CV+R,或,再由理想气体状态方程有,二.理想气体等压摩尔热容量对于等压过程，,于是,PdV+VdP=RdT,上页,下页,退出,返回,12,精选,思考：为何CPCV？,对单原子分子，i=3，=1.67对双原子分子，i=5，=1.40对多原子分子，i=6，=1.33(以上均为刚性理想气体分子),三.泊松比(poissonsratio),上页,下页,退出,返回,13,精选,吸热全部转换为系统内能的增加。,2.过程方程:,7.3热力学第一定律对理想气体等值过程的应用一.等容过程(isochoricprocess),1.特点：V=const.,3.过程曲线：,4.能量转换关系:,W=0,E=QV,上页,下页,退出,返回,14,精选,吸热一部分用于对外做功，其余用于增加系统内能。,1.特点：P=const.,二.等压过程(isobaricprocess),2.过程方程：,3.过程曲线：,4.能量转换关系：,上页,下页,退出,返回,15,精选,E=0,4.能量转换关系：,1.特点：T=const.,系统吸热全部用来对外做功。,三.等温过程(isothermalprocess),2.过程方程：PV=const.,3.过程曲线：,Q=W,思考：CT(等温摩尔热容量)应为多大？,上页,下页,退出,返回,16,精选,7.4理想气体的绝热过程(Adiabaticprocessoftheidealgas),二.过程方程：,绝热过程：1.良好绝热材料包围的系统发生的过程；2.进行得较快(仍是准静态)而来不及和外界交换热量的过程。,一.特点：Q=0,dQ=dW=-dE,考虑一绝热元过程,上页,下页,退出,返回,17,精选,PdV=-CVdT(1),由理想气体状态方程有,将(1)代入(2)中消去dT并积分，可得,(2),绝热方程,上页,下页,退出,返回,18,精选,如图，一等温线和一绝热线在点相交。,1.绝热线比等温线更陡,在A点处等温线的斜率为：,三.绝热线(adiobat),上页,下页,退出,返回,19,精选,绝热线斜率大，它比等温线更陡。,在A点处绝热线的斜率为：,2.意义：若由初态A(P1,V1,T1)分别(1)经等温过程至状态2(P2,V2,T1)(2)经绝热过程至状态2(P2,V2,T2),上页,下页,退出,返回,20,精选,E=CV(T2-T1),Q=0,W=-E,四.能量转换关系：,原因：(1)经等温过程,温度不变，压强的降低是由于体积膨胀。(2)经绝热过程，压强的降低是由于体积膨胀和温度的降低。,即经两不同过程均膨胀至体积V2，则P20则为正循环；反之为逆循环。,3.循环的分类,二.循环效率(cycleefficienty),在一正循环中，系统从高温热源吸热Q1，向低温热源放热|Q2|(Q20)，系统对外作功W=Q1-|Q2|,热机效率：(efficiency),上页,下页,退出,返回,25,精选,1.卡诺循环：,三.卡诺循环(Carnotcycle),在一循环中，若系统只和高温热源(温度T1)与低温热源(温度T2)交换热量，这样的循环称卡诺循环。卡诺循环过程是由两个等温过程和两个绝热过程构成的。,上页,下页,退出,返回,26,精选,2.卡诺循环的能量转换关系,34等温压缩：E=0，,12等温膨胀：E=0,41绝热压缩：Q=0，,23绝热膨胀：Q=0,循环过程：E=0，,上页,下页,退出,返回,27,精选,由,3.卡诺循环的效率,有,1.要完成卡诺循环，必须有高温和低温热源。,2.卡诺热机的效率只与两个热源的温度有关，T1越高，T2越低，效率越大；即热源温差越大，热量的利用价值越高。,说明,3.卡诺热机的效率总是小于1，由于不可能获得T1=或T2=0K的热源。,上页,下页,退出,返回,28,精选,例3.双原子理想气体为工作物质的热机循环，如图。图中ab为等容过程，bc为绝热过程，ca为等压过程。P、P、V、V为已知，求此循环的效率。,解：为等容过程，过程中吸收的热量为：,上页,下页,退出,返回,29,精选,所以循环过程的效率为：,为等压过程，过程中放出的热量为：,上页,下页,退出,返回,30,精选,试求：P2、P3、P4、V3、V4；循环过程中气体所作的功；从热源吸收的热量；循环的效率。,例4.一定量理想气体作卡诺循环，热源温度T1=400K，冷却器温度T2=280K，P1=10atm，V1=1010-3m3，V2=2010-3m3，=1.4。,解：12等温过程：,上页,下页,退出,返回,31,精选,23绝热过程：,41绝热过程：,34等温过程：,上页,下页,退出,返回,32,精选,34等温放热过程：,12等温吸热过程：,循环过程中气体所作的功：,从热源吸收的热量：,循环的效率：,上页,下页,退出,返回,33,精选,7.6热力学第二定律（Thesecondlawofthermodynamics）,一.热力学第二定律,热力学第二定律以否定的语言说出一条确定的规律。,1.开尔文(Kelvin)叙述：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸收热量，使之完全转变为有用的功，而其他物质不发生任何变化。,人们把能够从单一热源吸收热量，使之完全转变为有用的功，而不产生其他变化的热机，称第二类永动机。,上页,下页,退出,返回,34,精选,开尔文说法的意义是：第二类永动机是不可能