大学物理-多媒体课件_-3_热力学第一定律.ppt

2,利用热作功的机器，称为热机。,热磁轮,冷热水温差电机,记忆合金电机,【演示实验】热机演示,3,3.1功、内能、热,热力学系统,外界,状态,过程,1、功,作功可改变系统的状态,有规则动能无规则动能,作功的基本特征：,功是一个过程量,功不仅与系统的始、末状态有关，而且与所经历的过程有关。,系统始、末态相同。过程1和2做功一样吗？,5,2、系统的内能,过程中保持不变的能量不必计入内能,温度不太高时，不考虑分子内部原子结合能，核能。,核能106eV，,分子原子结合能1eV,1eV热能相当温度104K,分子热运动的动能,分子间势能,分子内部原子结合能，核能,冻结相应自由度。,理想气体内能只与温度有关,实际气体：,内能是系统的状态函数,实际气体的内能，比相应理想气体的内能大还是小？,7,3、热量,传热也可改变系统的状态,传热条件：系统和外界温度不同，且不绝热。,“热量”被传递的热量,微观本质：分子无规则运动能量从高温物体向低温物体转移（传递）。,传热与过程有关，热量也是一个过程量。,3.2热力学第一定律,对于任何宏观系统的任何过程，系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和,注意：Q和A都是代数量。,涉及热现象的能量守恒定律的表述,不需能量输入而能继续做功的“第一类永动机”不存在。,9,“内能”的一个可操作的定义,以绝热方式（无热量交换）做功，所做的“绝热功”等于系统内能的增量,在不对系统作功的传热过程中，系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量,“热量”的一个可操作的定义,Q=E2-E1（无功过程）,E2-E1=A（绝热过程）,实验结果：,水温不变,焦耳实验(1845),打开活门C，让气体向真空中自由膨胀。测量膨胀前后水温的变化。,验证了理想气体的内能与体积无关。,为什么？,但水的热容比气体的大得多，焦耳实验中气体温度变化不易测出。实验进一步改进。,3.3准静态过程（quasi-staticprocess）,系统经历一个过程，状态发生变化，系统一定经历非平衡态,平衡态,每一时刻系统都无限接近于平衡态的过程。,由一系列依次接替的平衡态组成。,对“无限缓慢”的实际过程的近似描述。,为利用平衡态性质，引入准静态过程或平衡过程：,微小变化时间驰豫时间,因内燃机气缸一次压缩时间：102秒,则内燃机气缸压缩近似为准静态过程,无限缓慢：,弛豫时间：系统由非平衡态趋于平衡态所需时间,例.气缸气体的弛豫时间103s,10-2s,10-2s,13,准静态过程的功:,气体对外界做的功：,功不仅与系统的始、末状态有关，而且与所经历的过程有关。功是一个过程量。,准静态传热过程,整个过程无限缓慢系统经历的是一个准静态传热过程。,系统温度从T1T2：,准静态过程可用状态曲线表示,17,例.理想气体准静态等温膨胀做的功,【思考】如何实现这一准静态过程？,18,等温膨胀，做正功；,等温压缩，做负功。,19,例.理想气体准静态等温膨胀吸的热,理想气体准静态等温膨胀吸的热，等于系统对外作的功：,3.4热容（Heatcapacity）,一、热容,单位：J/K,热容是一个过程量。,三、理想气体的摩尔热容,二、摩尔热容,单位：J/(molK),1、定体摩尔热容,1mol物质的热容,理想气体内能与体积无关！,2、理想气体内能公式（宏观）,若过程中CV,m=常数，有,因定体摩尔热容为,则对任意过程，理想气体内能为,3、迈耶公式（理想气体定压和定容摩尔热容的关系）,证明：,物理解释？,4、比热比：,5、经典热容：由经典能量均分定理,得,25,26,常温（300K）下振动能级难跃迁，振动自由度“冻结”，分子可视为刚性。,3.5绝热过程(Adiabaticprocess),系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程，称为绝热过程。,如何实现绝热过程？,1、用理想的绝热壁把系统和外界隔开。,2、过程进行得很快，以至于系统来不及与外界进行显著的热交换。,例.内燃机气缸内气体的膨胀、压缩；,空气中声音传播引起局部膨胀或压缩。,一、理想气体准静态绝热过程,热传导时间过程时间驰豫时间,1、在准静态绝热过程中，理想气体的状态参量满足下面关系：,（1）状态方程：,g比热比，常数;C1、C2、C3常数。,等温膨胀：内能不变（吸的热全做功）绝热膨胀：系统不吸热，对外做功，内能减小温度降低，T1T2，p1p2.,2、理想气体的绝热线比等温线陡,3、准静态绝热过程理想气体对外做的功,31,n=1等温过程n=绝热过程n=0等压过程n=等容过程,4、多方过程（P142习题3.17）,理想气体的实际过程，常常既不是等温也不是绝热的，而是介于两者之间的多方过程,PVn=常量（n称为多方指数）,一般情况1n，多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。,32,多方过程理想气体对外做的功：,证明：对状态方程和过程方程求微分,多方过程理想气体摩尔热容：,热力学第一定律：,二、绝热自由膨胀,非准静态过程，则PVgC不适用,服从热力学第一定律，因得,气体经绝热自由膨胀，内能不变！,【思考】温度变吗？,1、理想气体绝热自由膨胀,末态温度等于初态温度。,2、实际气体绝热自由膨胀,若分子力以引力为主,若分子力以斥力为主，V过程斥力做正功，势能减小，而内能不变，则动能增大,温度降低,温度升高,35,36,通过多孔塞或小孔，维持两侧压强差恒定，气体向压强较低区域膨胀。,焦耳汤姆孙效应：实际气体通过节流过程温度可升高或降低。,正焦耳汤姆孙效应：温度降低（氮、氧、空气）。制冷、气体液化。,【思考】设理想气体分别经历下述3个过程，讨论过程中净吸热或放热情况。,放热,吸热,Q0,3.6循环过程,一、循环过程,系统(工质)经一系列变化回到初态的整个过程。,工质复原，内能不变DE=0,循环过程的特征：,39,如果循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用闭合曲线表示：,正(热)循环,逆(致冷)循环,系统对外界做净功A,外界对系统做净功A,A=Q吸Q放,Q吸=Q放A,二、正循环的效率,效率：在一次循环中，工质对外做的净功占它吸收的热量的比率,工质经历循环是任意的，包括非准静态过程。,41,如果取消低温热库（Q2=0),这种从单一热库吸热做功的热机，称为第二类永动机。,第二类永动机能制成吗？,三、第二类永动机能制成吗？,21不可能是绝热过程，因为,必然存在温度不是T1的第二个热库。,后面会看到：任何工质的第二类永动机都不能制成,热力学第二定律的一种表述,以工质为理想气体为例说明：,3.7卡诺（Carnot）循环（1824）,卡诺循环：工质只和两个恒温热库交换热量的准静态循环。,按卡诺循环工作的热机卡诺热机,以理想气体工质为例，计算卡诺循环的效率,从高温热库吸热,向低温热库放热,45,因此,卡诺循环的效率只由热库温度决定：,以后将证明：在同样两个温度T1和T2之间工作的各种工质的卡诺循环的效率都由上式给定，而且是实际热机的可能效率的最大值，即,令吸(放)热为正(负)，上式为,其中“”:卡诺循环；“”:不可逆循环。,“热温比”之和满足:,实际最高效率：,例.热电厂,按卡诺循环计算：,非卡诺循环、耗散（摩擦等）,原因：,48,用卡诺循环定义热力学温标,在卡诺循环中，从高温热库吸的热与放给低温热库的热之比，等于两热库温度1和2之比，且与工质无关：,取水三相点温度为计量温度的定点，并