大学物理(第三版)热学 第三章.ppt

热力学部分作业：P54-61:2,4,5,8,9,14,15,16,17,21,24,26,28,29,30,31,32,34.,下周一交气体分子运动论部分作业,1.今天交第一章作业,2.第二章增加一道作业题:单原子分子的理想气体作卡诺循环,效率为20%。试求气体绝热膨胀时，气体体积增大为原来的几倍？,第3章热力学第一定律,1准静态过程功2热热量的计算3热力学第一定律4热力学第一定律在等值过程中的应用5循环过程和热机,热力学研究的对象为热力学系统。,热力学系统的状态随时间变化的过程为热力学过程。,在过程中任意时刻，系统都无限地接近平衡态，因而任何时刻系统的状态都可以当平衡态处理，也就是说，准静态过程是由一系列依次接替的平衡态所组成的过程。,一、准静态过程1.什么是热力学系统,2.什么是热力学过程,3.什么是准静态过程,如果其中有一个状态为非平衡态，则此过程为非准静过程。如果系统进行的速度过快，系统状态发生变化后，还未来得及恢复新的平衡态，系统又发生了变化，则该过程为非准静过程。,例如：气缸活塞压缩的速度过快，气体的状态发生变化，还来不及恢复，P、V、T无确定关系，则此过程为非准静过程。,对非常缓慢的过程可近似认为是准静态过程。,准静态过程中气体的各状态参量都有确定的值，可在PV图上作出连续的过程曲线。,如果过程进行的时间t,可视为准静过程；,如果过程进行的时间tCV的物理意义:,1mol理想气体温度升高1C，对于等容过程,体积不变吸热只增加系统内能，,而对于等压过程除了增加系统内能外，还要对外作功，所吸收的热量要更多一些。,1.过程特点,系统的温度不变,2.过程方程,3.过程曲线,4.内能增量,5.功,由理想气体状态方程,等温过程的功,（1）,由过程方程,则等温过程的功,（2）,7.热力学第一定律应用,等温过程,则,意义：等温过程系统吸热全部用来对外作功。,1.过程特点,系统与外界绝热。无热量交换。,绝热材料,系统对外作功全部靠内能提供。,绝热过程摩尔热容为0。,2.内能增量,3.热力学第一定律应用,绝热过程系统对外作功，全部是靠降低系统内能实现的。,绝热过程,4.功,由,和,上下同除以CV,（1）,定义摩尔热容比,则,（2）,由,（3）,有,气体绝热膨胀,气体绝热压缩,例如压缩空气从喷嘴中急速喷出，气体绝热膨胀，温度下降，甚至液化。,再如气缸活塞急速下压，气体绝热压缩,温度升高，使乙醚燃烧。,比热比摩尔热容比,单原子分子气体,5.过程方程,由热力学第一定律的微小过程应用公式,双原子分子气体,多原子分子气体,由理想气体状态方程,（2）,全微分,（3）,（3）-（1）式,（1）,两边乘R有,由,和,两边同除以PV,积分,（4）,由（2）式与（4）消P,（5）,由（2）式与（4）消V,（6）,范围：只适用于准静态过程。,6.过程曲线,将绝热线与等温线比较(P-V图上)。,.等温线斜率,.绝热线斜率,全微分,斜率,全微分,绝热线斜率,与等温线斜率比较,绝热线斜率是等温线斜率的倍。绝热线要比等温线陡。,意义：对于相同体积变化，等温过程对外,作功温度不变，系统从外界吸收热量，压强P下降较慢；对于绝热过程，系统对外作功全部靠内能提供，所以压强下降得较快，曲线较陡。,例：讨论下列几个过程温度变化、内能增量、功、热量的正负。,1.等容降压过程；,2.等压压缩过程；,3.绝热膨胀过程；,4.未知过程与等温线有两个交点。,解答：,1.等容降压过程,曲线下面积为0,由,由热力学第一定律,2.等压压缩过程,体积收缩，曲线下面积为负值。,由,放热过程,由热力学第一定律,放热,3.绝热膨胀过程,由热力学第一定律,4.未知过程与等温线有两个交点,由于1、2点在等温线上，,由热力学第一定律,放热,自由膨胀特点：迅速来不及与外界交换热量则Q=0非准静态过程无过程方程办法：只能靠普遍的定律（热律）,自由膨胀,绝热热律,能量守恒,由,因为自由膨胀所以系统对外不作功即,得,思考：,初态和末态温度相同,19.一定质量的理想气体,由状态a经b到达c,（如图,abc为一直线）求此过程中。（1）气体对外做的功；（2）气体内能的增加；（3）气体吸收的热量；(1atm=1.013105Pa).,1.循环过程:系统经历一系列热力学过程后又回到初态,2.能量特点,6循环过程一、热机循环与制冷循环,循环曲线所包围的面积为系统做的净功。,循环曲线为闭合曲线。,4.正循环与逆循环,正循环,循环曲线顺时针。系统吸热，对外做正功；返回时，系统放热，对外做负功；循环面积为正值。,正循环,热机,3.循环曲线的特点,逆循环,逆循环,循环曲线逆时针。,系统吸热，对外做正功；返回时，系统放热，对外做负功；循环面积为负值。,制冷机,1.什么是热机,把热能转换成机械能的装置称为热机，如蒸汽机、汽车发动机等。,2.热机工作特点,需要一定工作物质。,需要两个热源。,热机是正循环工作的。,正循环,3.工作示意图,高温热源T1,低温热源T2,热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源。,4.热机效率,由能量守恒,如果从高温源吸取的热量转变成功越多，则热机效率就越大。,热机效率通常用百分数来表示。,说明:Q1是系统在一个循环中吸收的总热量,Q2是放出的总热量,二者均为绝对值W是系统对外做的净功W=Q1-Q2,致冷机是逆循环工作的，是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中。使低温源温度降低。,逆循环,例如：电冰箱、空调都属于致冷机。,高温热源T1,低温热源T2,1.工作示意图,致冷机是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中，使低温热源温度降低。,2.致冷系数,如果外界做一定的功，从低温源吸取的热量越多，致冷效率越大。,室外,室内,由能量守恒,电冰箱的工作物质为氟里昂12(CCL2F2)，氟里昂对大气的臭氧层有破坏的作用，2005年我国将停止使用氟里昂作致冷剂。以保护臭氧层。溴化锂致冷和半导体致冷已进入市场。,例1：一热机以1mol双原子分子气体为工作物质，循环曲线如图所示，其中AB为等温过程，TA=1300K，TC=300K。求.各过程的内能增量、功、和热量；.热机效率。,解:,A-B为等温膨胀过程,B-C为等压压缩过程,吸热,放热,或由热力学第一定律,C-A为等容升压过程,放热,.热机效率,一个循环中的内能增量为：,经过一个循环内能不变。,吸热,1.卡诺循环是由两条等温线和两条绝热线组成的循环。,2.需要两个热源，高温源T1和低温源T2。,3.不计摩擦、热损失及漏气，视为理想热机。,4.热机效率为,1-2等温膨胀过程,吸热,3-4等温收缩过程,放热,2-3与4-1为绝热过程,2-3绝热膨胀过程,4-1绝热收缩过程,上两式相比,即,1.卡诺机必须有两个热源。热机效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。,2.热机效率不能大于1或等于1，只能小于1。,如果为1则,现在的技术还不能达到绝对0K；,或,这是不能实现的，,因此热机效率只能小于1。,如果大于1，WQ吸则违反了能量守恒定律。,3.提高热机效率的方法。,使,越小越好，但,低温热源的温度为外界大气的温度不宜人为地改变，只能提高高温热源温度。,卡诺循环的三个特点,1.,2.绝热曲线下的面积相等,3.卡诺热机效率在所有可能热机中效率最大,高温热源T1,低温热源T2,高温热源T1,低温热源T2,室内,制冷系数:,本章小结,习题课,1.热机效率,2.致冷系数,3.卡诺机效率,例1：两个循环过程，,过程212等温、23等容、34等压、41绝热。,过程112等温、23绝热、34等压、41绝热。,试比较哪个过程热机效率高。,两个过程吸热是一样的，,但循环面积不同，循环过程作功不同，,解答：,例2：质量M=28g,温度t=27C，P=1atm的氮气，先使其等压膨胀到原来体积的2倍，再由体积不变的情况下，使压强增大1倍，最后作等温膨胀使压强降为1atm。,.1、2、3、4态的状态参量P、V、T。,.各过程中的内能增量、功、热量。,求:,解：,M=28g,注明:P的单位为atm,应该为国际单位,1-2等压膨胀过程,或,2-3等容升压过程,3-4等温膨胀过程,例3：一定量的单原子分子理想气体，从初态A出发，沿图示直线过程变到另一状态B，又经过等容、等压两过程回到状态A。求:,（1）.AB，BC，CA各过程中系统对外所作的功W，内能增量及所吸收的热量Q。,（2）.整个循环过程中系统对外所作的总功以及总热量。,解：(1)AB过程,（3）.热机效率。,BC过程,CA过程,（3）.热机效率,总功,总热量,（2）.,1.汽缸内贮有36g水蒸汽(视为理想气体),经abcda循环过程如图所示.其中a-b、c-d为等容过程,b-c等温过程,d-a等压过程.试求:,(1)Wda=?(2)DEab=?(3)循环过程水蒸气作的净功W=?(4)循环效率h=?,(注:循环效率h=W/Q1,W为循环过程水蒸汽对外作的净功,Q1为循环过程水蒸气吸收的热量,1atm=1.013105Pa),解:水的质量,水的摩尔质量,3.如图所示，abcda为1mol单原子分子理想气体的循环过程，求：(1)气体循环一次，在吸热过程中从外界共吸收的热量；(2)气体循环一次做的净功；(3)证明TaTc=TbTd。,所吸热为,解：（）过程ab和bc为吸热过程。,(2)气体循环一次做的净功为图中矩形面积,(3)证明TaTc=TbTd,4.如图示，有一定量的理想气体，从初状态a（P1,V1）开始，经过一个等容过程达到压强为P1/4的b态，再经过一个等压过程达到状态c,最后经等温过程而完成一个循环，求该循环过程中系统对外作的功W和净吸热量Q。,解：设状态C的体积为V2，则由a、c两状态的温度相同，故有，,又：循环过程,而在ab等容过程中功,在bc等压过程中功,在ca的过程,在整个循环过程系统对外作的功和吸收的热量为,负号说明外界对系统作功、系统对外放热。,6.0.02kg的氦气（视为理想气体）,温度由17C升为27C,若在升温过程中,（1）体积保持不变；（2）压强保持不变；（3）不与外界交换热量,试分别求出气体内能的改变、吸收的热量、外界对气体作的功。,7.一定量的刚性双原子分子气体,开始时处于压强为P0=1.0105Pa,体积为V0=410-3m3,温度为T0=300K的初态,后经等压膨胀过程温度上升到T1=450K,再经绝热过程温度将回到T2=300K,求整个过程中对外作的功?,8.1mol单原子分子理想气体的循环过程如T-V图所示，其中C点的温度为Tc=600K.试求：,（1）ab、bc、ca各个过程系统吸收的热量；,（2）经一循环系统所作的净功；,（3）循环的效率。,（注：循环效率h=W/Q1，W为循环过程系统对外作的净功，Q1为循环过程系统从外界吸收的热量，1n2=0.693）,解：单原子分子的自由度i=3。从图可知，ab是等压过程，,（2）,（3）,9.一定量的理想气体经历如图所示的循环过程，AB和CD是等压过程，BC和DA是绝热过程。已知：T