热力学第一定理2011ath.ppt

第21章热力学第一定理,21.1基本概念21.2热力学第零定律21.3热力学第一定律21.4热力学第一定律对理想气体应用21.5热机效率卡诺定理,2/40,统计物理学是从微观上来研究热学现象，但很多问题都要涉及到分子的许多细节，如分子的组成、分子的自由度等。有时并不能完全知道这些。这时可从宏观上来研究，以达相辅相成、互相补充的目的。,所谓从宏观上来研究，主要指从能量的角度来研究。主要内容有：,1）内能、功和热量；,2）热力学第一定律及其对理想气体的应用,3）热力学第二定律。,3/40,21.1基本概念,一、热力学系统,热力学系统（简称系统）：由大量微观粒子组成的有限的宏观物质系统。,孤立系统：与外界无物质和能量交换的系统,外界（环境）：系统以外的物质,开放系统：与外界有物质和能量交换的系统,封闭系统：与外界无物质，但有能量交换的系统,二、热力学物理量,1、状态参量,描述处于平衡态的系统的性质的物理量，p,V,T。,p：气体对器壁单位面积上垂直作用力。帕,4/40,V：气体分子可以到达的空间。单位：立方米,T：物体的冷热程度，分子热运动的剧烈程度。开,P-V(P-T,V-T)图中“点”表示平衡态,(p1V1T1),(p2V2T2),.,.,理想气体状态方程,M：理想气体的质量：理想气体的摩尔质量R：8.31J/Mol/K普适常数,混合理想气体状态方程,5/40,一个系统的状态发生变化时，我们说系统经历了一个过程。,准静态过程,非准静态过程:,过程中的每一中间状态都可看成是平衡态。,驰豫时间为：即从非平衡到平衡所需的时间。若过程所用的时间t,系统有充分时间达到平衡，可视此过程为准静态过程。,2、过程,外界对气体做功。约为1ms，压缩一次1s。准静态过程。,系统从外界吸收升温的准静态过程,6/40,3、功,dx,做功是使系统状态变化的一种方式，功是能量传递和转化的量度和重要表现形式。,系统对外做功（体积功）,1）A0系统对外界做正功；,A0,(2)等温过程,0,8/40,4、热量,系统通过热传递过程与外界交换能量的量度为热量Q(卡).,热量与功的异同:,Q0,Q0，=0，0,摩尔热容,比热,等压摩尔热容,等容(体)摩尔热容,M为物质的质量,系统温度升高dT，所吸收的热量为Q,17/40,三、理想气体的热容,1、定容摩尔热容量CV,设摩尔理想气体，经历等容过程,摩尔理想气体内能的计算,2、定压摩尔热容量Cp,(迈耶公式),设摩尔理想气体，经历等压过程,-迈耶公式,18/40,3、热容比,19/40,1,0,dE=dQ;QV=E2-E1,恒量,四、热力学第一定律在理想气体中的应用,20/40,2,恒量,21/40,3,恒量,22/40,例.一定量的理想气体在标准状态下体积为1.010-2m3,求:下列过程中气体吸收的热量:,1.等温膨胀到体积为2.010-2m3;,2.先等容冷却,再等压膨胀到(1)所到达的终态。,(1atm=1.013105Pa),解:(1)在ab等温过程中,ET=0.,代入上式,得,(吸热),23/40,(2)在ac等容降温和cb等压膨胀过程中,因a、b温度相同,故E=0。,应用公式:热力学第一定律和理想气体状态方程。,24/40,系统和外界无热量交换进行的过程为绝热过程，dQ=0,Q=0,理想气体状态方程,热力学第一定律,(1)、(2)两式微分得：,1、过程特征,(3)、(4)两式联立，消去dT,泊松公式,五、绝热过程,25/40,绝热膨胀过程计算功的方法将绝热方程代入得,26/40,2、等温线与绝热线比较,等温线：,绝热线,绝热线比等温线更陡。,A点斜率为,A点斜率为,3、摩尔热容,等温膨胀时是从外界吸热，对外作功，内能不减少。绝热膨胀则是靠内能的减少，系统温度要下降,故斜率大。,27/40,4、理想气体绝热自由膨胀过程,绝热壁+隔板,初态：(p0,V0,T0)，右半部分为真空,终态：(p1,2V0,T1),这一过程为绝热自由膨胀。问：p1=？T1=？,解法二：热一律+理想气体状态方程,解法一：由绝热方程求解,哪种正确？,过程是绝热的，故Q=0，,向真空的膨胀，对外界不做功，故A=0，,故,再由初、末态的状态方程,热一律：,第二种方法对，因为此过程非准静态过程，绝热方程不成立！,28/40,实际上，气体所进行的过程，常常既不是等温又不是绝热的，可表示为PVn=常量（n为多方指数）凡满足上式的过程称为多方过程。n=1等温过程n=绝热过程n=0等压过程n=等容过程一般情况1n，多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。,六、多方过程,29/40,V,BM,CM,解:（1）B,C在等温线TM下方，分别处在另外温度较低的两条等温线上，故温度升高。,CM,（2）QM是绝热过程：,CM过程：,CM过程吸热。,30/40,21.5热机效率卡诺定理,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。,事实上说明这种办法不行。,1）气缸长度是有限的,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。,事实证明:要连续地把热转换为功只有利用循环过程。,这种利用循环过程的机器称为热机。,从外界吸热全部变为功等温膨胀最理想（)。,一、循环过程,31/40,习惯,无论是吸热还是放热，Q一律取正值,准静态循环过程,1、热力学第一定律在循环过程中的形式,（系统完成一个循环又回到初态）,系统吸收的净热量等于系统对外作的净功,32/40,2、准静态循环过程分类,沿顺时针进行的循环正循环过程,沿逆时针进行的循环逆(负)循环过程,系统对外界做功：,热机循环,外界对系统做功：,制冷循环,33/40,介绍一个具体的热机-蒸汽机,热机须有工作物质、高温热源（锅炉）、低温热源（冷凝器）,高温热源,低温热源,热机,A,热机的效率,二、热机和制冷机,34/40,四冲程汽油内燃机的循环-奥托循环（N.A.Otoo）,具体工作过程,#吸入燃料过程：气缸吸入汽油蒸汽和助燃空气，可看作等压过程（过程ea)。,1、压缩过程：活塞运动，将吸入的混合气体加以压缩，可看作绝热过程（过程ab)。,2、爆炸、做功过程：用电火花引起气体爆炸，气体压强剧增，由于爆炸事件短促，活塞在这一瞬间移动的距离很小，近似为等体过程（过程bc）。,4、排气过程，开放排气口，使气体的压强突然降到大气压，近似等体过程（过程da），再由飞轮的惯性带动，排出废气。,3、做功过程：在这巨大的压力推动下，活塞做功，可看作绝热过程（过程cd）。,35/40,求奥托循环的效率（四冲程汽油机的理想过程）,在b-c过程中气体吸热,在d-a过程中气体放热,（a-b，c-d）是绝热过程,为压缩比，不能大于7,36/40,求狄塞尔循环的效率（四冲程柴油机的理想过程）,由两个绝热过程（a-b，c-d）等容过程（d-a）等压过程(bc)组成,a,b,c,d,在b-c过程中气体吸热,在d-a过程中气体放热,（a-b，c-d）是绝热过程,V1,V2,P,V,V3,b-c是等压过程,37/40,致冷机,介绍一个具体的致冷机冰箱,高温热源,低温热源,制冷机,A,从以上可以看出：,致冷机：在外界作功的条件下，从低温热源吸收热量传向高温热源。,定义：,致冷系数,单位数量的功能从低温热源提取的热量来说明致冷的性能。,38/40,求斯特林循环的逆向制冷效率,由两个等温过程（a-b，c-d）和两个等容过程（b-c，d-a）组成,在b-c过程中气体放热,在d-a过程中气体吸热,在a-b过程等温压缩,在c-d过程等温膨胀,39/40,定义：由两个等温过程和两个绝热过程组成的准静态循环过程为卡诺循环。,按卡诺循环工作的热机为卡诺机。,2.卡诺机的热机效率,ab等温膨胀吸热为：,由等温过程求吸热Q1和放热Q2:,cd等温压缩放热为：,三、卡诺过程,40/40,代入热机效率一般公式：,利用绝热过程方程，整理化简：,bc绝热膨胀：,da绝热压缩：,上面两式相除,卡诺循环效率,41/40,3.卡诺致冷循环的致冷系数,卡诺制冷循环的制冷系数,wc也是在T1和T2两个温度之间工作的各种致冷机致冷系数的最大值。,提高高温热源的温度现实些,1.理论指导作用,讨论：,2.理论说明低温热源温度T20，说明热机效率,3.疑问：由热I律循环过程中，如果,说明:必然还有一个独立于热一律的定律存在，这就是热二律,不违反热一律,现代热电厂的汽轮机利用的水蒸气温度达到580，冷凝水温度为30C，按卡诺循环计算=1-T1/T2=64.5%。实际情况差很多，最高为36%