第十五、六章-热力学第一第二定律.ppt

热力学第一定律,华南理工大学理学院,第十五章,本章教学要求：掌握功和热量的概念。理解准静态过程。掌握热力学第一定律。能分析、计算理想气体等容、等压、等温过程和绝热过程中的功、热量、内能改变量及卡诺循环等简单循环的效率。计算理想气体的定压热容、定容热容.了解卡诺定理。了解可逆过程和不可逆过程。了解热力学第二定律及其统计意义。了解熵的玻耳兹曼表达式，了解克劳修斯表达式。,本章重点：功和热量的概念,理想气体等容、等压、等温过程和绝热过程中的功、热量、内能改变,卡诺循环,热力学第二定律,熵本章难点：准静态过程,热力学第二定律,熵,返回目录,下一页,上一页,2-1准静态过程功,热力学目录,3热力学第一定律,4热力学第一定律对理想气体等值过程的应用,5气体的热容,7循环过程与卡诺循环,6理想气体的绝热过程,返回总目录,2-2热量,2准静态过程功热量,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,dl,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,传热有三种基本方式：传导(Conduction)、对流(Convection)热辐射(Radiation)。,与系统做功类似，热量是传递过程中的能量，传热量与过程有关，不同过程不同条件所传递的热量是不同的。从改变系统的状态（或者说系统的能量）的角度来说，做功和传热是等效的。,三、热量,15.3热力学第一定律,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,对于系统状态的无穷小变化过程，,对于理想气体的准静态过程，热力学第一定律可表示为：,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,15.4热力学第一定律对理想气体等值过程的应用,返回本章目录,下一页,上一页,V,V,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,P,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,解：由于系统所经历的过程都是准静态过程，我们可以把系统的状态变化用p-V图表示,(1)根据已知条件，作p-V图，求出I、II、III及IV点的压强p、体积V和温度T,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,15.5气体的热容,15.5.1热容,热容与具体的物体相关,返回本章目录,下一页,上一页,15.5.2理想气体的摩尔定容热容,返回本章目录,下一页,上一页,15.5.3理想气体的摩尔定压热容,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,15.6绝热过程,返回本章目录,下一页,上一页,即：,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,该过程既是等温过程，又是绝热过程，但不是准静态过程。,返回本章目录,下一页,上一页,o,B,C,返回本章目录,下一页,上一页,例,分析：求绝热过程的功，有两种方法，一是找出压强随体积变化的函数关系，按功的计算式计算。二是求出系统内能的变化，按热力学第一定律求解。,法一,法二,返回本章目录,下一页,上一页,循环过程的提出是18世纪研究如何将热转换为功的问题上提出来的，表面上看，似乎等温膨胀最理想。（)即从外界吸收热全部变为功。这种想法如何呢？,事实上说明这种办法不行。,1）气缸长度是有限的，膨胀不可能无限制地进行下去。,2）即使气缸可以做得无限长，但当气缸内压强与外界一致时，膨胀也将停止。,大量事实证明；要连续地把热转换为功只有利用循环过程。这种循环动作的机器称为热机。,循环过程-物质系统经历一系列变化过程又回到初始状态的周而复始的过程。,返回本章目录,下一页,上一页,15.7循环过程与卡诺循环,返回本章目录,下一页,上一页,利用循环过程的热机及制冷机的一般概念,先介绍一个具体的热机-蒸汽机,O：锅炉，,B：气缸,C：冷凝器，,D：水泵,构造：,水在锅炉内加热，产生高温高压气体（吸热过程），进入气缸B;,工作过程：,推动活塞对外作功（内能减少），之后进入冷凝器C，（向低温热源放热），尔后通过D泵将水泵入锅炉，进入第二循环.。,返回本章目录,下一页,上一页,）热机必须有工作物质、高温热源（锅炉）低温热源（冷凝器、大气）,高温热源,低温热源,热机,A,）热机的效率,热机效率越大越好，大量事实证明,）热机在循环过程中作净功,；这种从高温,热源吸收热量转化为系统内能，再通过系统对外作功其另一部分放入低温热源的循环称为正循环。,由此可看出：,返回本章目录,下一页,上一页,O；电动压缩泵,B：冷凝器,D；蒸发器,C毛细管,E工作物质：R-12（CCl2F2),电动压缩泵将制冷剂（氟里昂）压缩成高温高压气体，送至冷凝器，向空气（高温热源）中放热。经过毛细管减压膨胀，进入蒸发器D吸收冰箱（低温热源）的热量，之后变为低压气体再一次循环.。,B,D,2)制（致）冷机-在外界作功的条件下，工作物质从低温热源吸收热量传到高温热源去，使低温物体温度,进一步降低的机器。,C,原理：,O,冰箱,返回本章目录,下一页,上一页,高温热源,低温热源,制冷机,W,从以上可以看出：制冷机是在外界作功的条件下从低温热源吸收热量传向高温热源。,制冷机希望作功少，提取热量多。故定义：,制冷系数,即用作单位数量的功所能从低温热源提取的热量来说明制冷的性能。,返回本章目录,下一页,上一页,制泠系数越大越好,二卡诺循环,提出：1828年法国青年工程师为研究如何提高热机效率而提出的一种理想热机。,（高）恒温热源,（低）恒温热源,热机,A,返回本章目录,下一页,上一页,a（P1V1T1),b（P2V2T1）,c（P3V3T2）,返回本章目录,下一页,上一页,卡诺循环,卡诺热机,返回本章目录,下一页,上一页,a（P1V1T1),b（P2V2T1）,c（P3V3T2）,返回本章目录,下一页,上一页,a（P1V1T1),b（P2V2T1）,c（P3V3T2）,结论:1)cornot循环的效率小于1；,2)由于热机效率越大越好。cornot机的效率指出了提高热机效率的方向:提高高低温热源的温度差;(由于低温热源的温度为环境温度，降低困难;因此，提高高温热源的温度要经济得多),3）由于实际过程既不可能绝热，也不可能为准静态，实际热机的效率仅仅为上述效率的2030%。,返回本章目录,下一页,上一页,高温热源,低温热源,cornot,A,a（P1V1T1),b（P2V2T1）,d（P4V4T2）,c（P3V3T2）,3卡诺循环的作逆循环时则须外界是对系统作功.,卡诺制冷机的制泠系数,制泠系数越大越好，T2越大,制泠系数高.即低温热源的温度越高消耗的功就越少.高温热源与低温热源的温差越小，消耗的功就越少。,返回本章目录,下一页,上一页,例,解：,ab等温吸热,bc等压,负号表示向外界放热,返回本章目录,下一页,上一页,ca等体吸热,整个过程吸热,整个过程放热,返回本章目录,下一页,上一页,ab等温吸热,bc等压放热,例：总装机容量为1.80GW，效率为30%，求全部运行时，（1）求热机从锅炉中吸收的热量（2）用10。C的海水冷却冷凝器，排水温度为20。C,求每秒需要多少吨海水（海水比热C=4.18kJKg-1K-1),解：,每秒所需海水质量,返回本章目录,下一页,上一页,解,1.00kg0度的水变成0度的冰需取出热量,外界对制冷机作功,制冷机对外界放出热量,返回本章目录,下一页,上一页,7可逆过程与不可逆过程热力学第二定律,热力学第二定律,不一定,返回本章目录,下一页,上一页,热力学过程的方向性,高温,低温,热传导的方向性,注意：这里的方向性，是指它们存在一个自动的、无条件的、自发的、勿须外界帮助而进行的方向。而不是其反方向不能实现，只是实现其反方向过程要产生“对外影响”。,返回本章目录,下一页,上一页,可逆过程,返回本章目录,下一页,上一页,自然现象，历史文人，大多是不可逆的。落叶永离，覆水难收。欲死灰之复燃，艰乎为力；愿破镜之重圆，冀也无端。人生易老。古诗云：“流水花落春去也，天上人间。”“君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。”,例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。,什么过程是可逆过程？,可逆过程是理想化的过程。,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,A、单一热源是指温度均匀且恒定不变的热源；,B、“其它影响”是指从单一热源吸收热量及把热量对外作功以外的任何变化。,热机,等温膨胀虽是从单一热源吸收热量全部对外作功，但体积膨胀了。,说明：,不可能制造一种机器，只从单一热源吸收热量使之完全变为有用功而不产生其它影响。,1）开尔文（Kelvin)表述1851年,三）热力学第二定律的两种表述,返回本章目录,下一页,上一页,2）克劳修斯（Clausius）表述,热机1,两种表述的等价性,反证法：违反了Kelvin表述也就违反了Clausius表述,高温热源（T1）,低温热源（T2）,热机2,高温热源（T2）,低温热源（T1）,返回本章目录,下一页,上一页,热机,反过来违反了Clausius表述也就违反了Kelvin表述。,高温热源（T1）,低温热源（T2）,热机,两种表述的等价性,高温热源（T1）,可以证明各种自发过程的不可逆性是相互关联的,由一种过程的不可逆性可以导出另一种自发过程的不可逆性。热力学第二定律采取了一种特殊的表述方法-说明一种过程的不可逆性就是一种表述。,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,1）热二律的统计解释,以气体的自由膨胀为例,先考虑只有一个分子的情况,这一个分子回到一边的概率是百分之五十。,只有两个微观状态,如果是四个分子呢？,8热力学第二定律的统计意义,返回本章目录,下一页,上一页,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,返回本章目录,下一页,上一页,210=1024,均匀分布或接近均匀分布的几率却占了670/1024。而10个分子同时回到一边的几率只有1/1024，,如果是10个分子呢,左,右,左,右,返回本章目录,下一页,上一页,若一摩尔气体作自由膨胀，所有分子都回到一边去的几率只有1/,实际的气体分子数很大。如一摩尔的气体就有N0=6.0221023个分子。,左,右,信息量大（粒子在左室就可以找到）信息量小（粒子在左右两室才可以找到）,返回本章目录,下一页,上一页,功转变成热的不可逆性（磨擦生热）实质是：反映分子总是从有序运动状态向无序的、大量的、杂乱的微观状态数很大的方向进行。而反过程的几率很小、很小。,这就是热律学第二定律的统计意义。,返回本章目录,下一页,上一页,9熵,返回本章目录,下一页,上一页,微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态，也是信息量最小的状态。,近来国际上一些物理教育改革家企图把物理学归结为少数几个基本概念，尽管各家之言见仁见智，但无例外地把熵(或其等价的说法，如能的退降)列为一条。,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,例：,两热源温度分别为TH=600K，TL=500K，发生不可逆热传导，Q=1000KJ，计算传导过程熵变，并求，热量传递后，资用能或可用能的损失。,解：,孤立系统总熵变为,当孤立系统内部有不可逆的热传导过程时，系统的熵增加。,返回本章目录,下一页,上一页,在热源TH与环境（低温热源）T0之间放一卡诺热机，其效率为：,卡诺热机从热源TH吸Q=1000KJ可能对外作的最大的功为500KJ。,在热源TL与环境（低温热源）T0之间放一卡诺热机，其效率为：,卡诺热机从热源TL吸Q=1000KJ可能对外作的最大的功为400KJ。,返回本章目录,下一页,上一页,卡诺热机从热源TH吸Q=1000KJ可能对外作的最大的功为500KJ。,卡诺热机从热源TL吸Q=1000KJ可能对外作的最大的功为400KJ。,能量虽然守恒，但可以利用的能量损失了。热能从热源TH传到热源TL，品质下降了。,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,五一,指出几点：,1）熵增加原理只适用于孤立系统。对非孤立系统熵可增加也可减少。,当一个小孩从哇哇坠地，什么也不会，混混沌沌，一天2/3时间在睡觉。但随着不断喂养，最后成了一个聪明精干的小伙子。,因为它是一个开放系统！,又如，一杯水，它不断被外界吸收热量，变成冰，它的熵就减少了。,C,关于熵的进一步讨论：,熵的增加意味着能量品质的降退,如图当A物体下降h时，水温由T-T+T，这个过程中重力势能Mgh全部变成水的内能。要利用这一能量只能利用热机。,M,若周围温度为T0则这部分能量能对外作功的最大值为：,能作的功少了，一部分能量放入到低温热库。再也不能被利用了。这部分不能被利用的能量称为退化的能量。,T+T,m,1）退化的能量是与熵成正比的；,3）每利用一份能量，就会得到一定的惩罚-把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化的能量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保护环境。而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。,2）自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度的增加。,（当代大学生应具备的能源环境观）,熵是事物无序度的量度,因为熵是与微观状态的对数成正比的，微观状态数越大，混乱度就越大。信息量越小。,相反熵减小则有序度增加。以一个N个分子的物质系统为例：让其冷却，放出热量，先是碰撞次数减少，引起混乱的平均速率减小。继而变为液体时这时分子以振动为主，平动为辅，位置相对固定，有序度增加，温度