热力学基础课程教学ppt

1、P.2/69热力学基础热力学基础 2021-10-17热力学热力学分子动理论分子动理论从现象中找规律从现象中找规律透过现象追本质透过现象追本质宏观规律宏观规律微观机制微观机制第9章 热力学基础9-1 状态参量 平衡态 准静态过程 ： 描述气体宏观状态的物理量。描述气体宏观状态的物理量。体积体积V ：米米3（m3）注注：（：（1） 当气体分子大小不计时，气体当气体分子大小不计时，气体体积等于容器的容积。体积等于容器的容积。（2）标准状况下（）标准状况下（1atm，0oC），），1mol理理想气体的体积为想气体的体积为22.410-3m3/mol。2. 压强压强p ： 垂直作用在容器壁单位面积上的

2、垂直作用在容器壁单位面积上的气体压力。气体压力。SFp Pa (帕斯卡帕斯卡) Pa = Nm-2 1标准大气压标准大气压 = 1.01325105Pa 注：注：p是大量气体分子碰撞的结果。是大量气体分子碰撞的结果。 3. 温度温度T ：温度的数值表示法温度的数值表示法 温标。温标。单位：单位： ，P.3/69热力学基础热力学基础 2021-10-17注：冰点为注：冰点为0 0o oC C，水三相点，水三相点( (气态、液态、气态、液态、固态的共存状态固态的共存状态)273.16 K)273.16 K，绝对零度，绝对零度T T = 0 K = 0 K。4. 热力学第零定律热力学第零定律测温原理

3、测温原理(thermal equilibrium)两个物体互相热接触，经过一段时两个物体互相热接触，经过一段时间后它们的宏观性质不再变化，即达间后它们的宏观性质不再变化，即达到了热平衡状态。到了热平衡状态。(Zeroth law of thermodynamics)在不受外界影响的条件下，如果处在不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体于确定状态下的物体C分别与物体分别与物体A、B达到热平衡，则物体达到热平衡，则物体A和和B也必相互也必相互热平衡。热平衡。2. 压强压强p ： 垂直作用在容器壁单位面积上的垂直作用在容器壁单位面积上的气体压力。气体压力。SFp Pa (帕斯卡帕斯卡) Pa

4、 = Nm-2 1标准大气压标准大气压 = 1.01325105Pa 注：注：p是大量气体分子碰撞的结果。是大量气体分子碰撞的结果。 3. 温度温度T ：温度的数值表示法温度的数值表示法 温标。温标。单位单位 摄氏温标和开氏温标的关系：摄氏温标和开氏温标的关系： t=T-273.15P.4/69热力学基础热力学基础 2021-10-17(Zeroth law of thermodynamics)在不受外界影响的条件下，如果处在不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体于确定状态下的物体C分别与物体分别与物体A、B达到热平衡，则物体达到热平衡，则物体A和和B也必相互也必相互热平衡。热平衡。(

5、equilibrium status) 在不受外界影响（即系统与外界在不受外界影响（即系统与外界没有物质和能量的交换）的条件下，没有物质和能量的交换）的条件下，无论初始状态如何，系统的宏观性质无论初始状态如何，系统的宏观性质在经充分长时间后不再发生变化的状在经充分长时间后不再发生变化的状态。态。宏观：系统各部分的温度、压强相同。宏观：系统各部分的温度、压强相同。微观：分子无规则热运动的平均效果不变。微观：分子无规则热运动的平均效果不变。热动平衡热动平衡热力学过程热力学过程 (thermodynamic process)： 热力学系统的状态随时间发生变化热力学系统的状态随时间发生变化的过程。的过

6、程。 实际过程的中间态为非平衡态。实际过程的中间态为非平衡态。2. 准静态过程准静态过程(approximate static process)： 状态变化过程进行得非常缓慢，以状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。于平衡态。 平衡过程平衡过程理想过程！理想过程！P.5/69热力学基础热力学基础 2021-10-17热力学过程热力学过程 (thermodynamic process)： 热力学系统的状态随时间发生变化热力学系统的状态随时间发生变化的过程。的过程。 实际过程的中间态为非平衡态。实际过程的中间态为非平衡态。2. 准静

7、态过程准静态过程(approximate static process)： 状态变化过程进行得非常缓慢，以状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。于平衡态。 平衡过程平衡过程理想过程！理想过程！ 准静态过程的过程曲线可以用准静态过程的过程曲线可以用p-V图来描述，图上的每一点分别表示系图来描述，图上的每一点分别表示系统的一个平衡态。统的一个平衡态。(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO理想气体的状态方程理想气体的状态方程0),(TVpf (idea gas)： (status equation of idea gas) 玻

8、意尔定律表明：对于一定质量的气体玻意尔定律表明：对于一定质量的气体pV 恒恒量量pV的乘积只决定于温度且与温度成正比：的乘积只决定于温度且与温度成正比：pVT取水的三相点为参考状态（取水的三相点为参考状态（p3，V3，T3）333pVTp VT其中其中33molmVVM3:molV摩尔体积P.6/69热力学基础热力学基础 2021-10-17理想气体的状态方程理想气体的状态方程0),(TVpf (idea gas)： (status equation of idea gas) 玻意尔定律表明：对于一定质量的气体玻意尔定律表明：对于一定质量的气体pV 恒恒量量质量为质量为m、摩尔质量为、摩尔质量

9、为M的理的理想气体状态方程。想气体状态方程。RTMmpV 1摩尔气体在标准状态下，摩尔气体在标准状态下，33molm104 .22V标准状态：标准状态：K273.150TPa101.0132550p0mol0p VRT15.273104 .221001325. 135118.31 ()RJ molKpV的乘积只决定于温度且与温度成正比：的乘积只决定于温度且与温度成正比：pVT取水的三相点为参考状态（取水的三相点为参考状态（p3，V3，T3）333pVTp VT其中其中33molmVVM3:molV摩尔体积333mmolp VpVTMT3 33molpVRT令令P.7/69热力学基础热力学基础

10、2021-10-17热力学第一定律 内能 功 热量1、内能、内能 (internal energy)E 它包括了分子热运动的它包括了分子热运动的平动、转动、平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能振动能量、化学能、原子能、核能.和分子间相互作用的势能。和分子间相互作用的势能。(不包括系不包括系统整体运动的机械能统整体运动的机械能)理想气体的内能：理想气体的内能： 理想气体的内能是温度的单值函数，理想气体的内能是温度的单值函数，它是一个状态量，只和始、末两位置它是一个状态量，只和始、末两位置有关，与过程无关。有关，与过程无关。)(TEE 内能变化方式内能变化方式做功做功热传递热传递2、功、功

11、(work) W活塞：热力学系统作功的装置活塞：热力学系统作功的装置SFVp,dlVd热力学系统的能量热力学系统的能量改变热力学系统状态方式之一改变热力学系统状态方式之一注：只讨论准静态过程中系统体积注：只讨论准静态过程中系统体积发生变化时压力所作的机械功发生变化时压力所作的机械功体积功体积功P.8/69热力学基础热力学基础 2021-10-172、功、功 (work) W活塞：热力学系统作功的装置活塞：热力学系统作功的装置dWFdlpSdlpdV21dVVVpWp-V图图(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVOV1V2dVSFVp,dlVd 气缸内的气体经一个无摩擦气缸内的气体经一个无

12、摩擦的准静态膨胀过程，压力对外界的准静态膨胀过程，压力对外界所做的体积功为：所做的体积功为：系统的体积由系统的体积由V1变化到变化到V2时时（1）当）当dV0时，时，dW0， 系统对外界作正功。系统对外界作正功。（2）当）当dV0时，时，dW0 系统向外界放热，系统向外界放热，Q0 外界对系统作功，外界对系统作功，W0 系统向外界放热，系统向外界放热，Q0 外界对系统作功，外界对系统作功，W0系统对外界作功系统对外界作功逆循环（制冷机循环）：在逆循环（制冷机循环）：在p-V图上图上循环过程按循环过程按逆时针逆时针进行进行,W0外界对系统作功外界对系统作功6、循环过程作功特点：、循环过程作功特点

13、：P.24/69热力学基础热力学基础 2021-10-177、一个循环过程中的净吸热、一个循环过程中的净吸热设：设：吸QQ1系统吸热之和系统吸热之和放QQ2系统放热之和系统放热之和21QQ 净Q根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：12QQQW净净8、热机效率：、热机效率：1100%21QQAaB为膨胀过程：为膨胀过程：Wa0，BbA为压缩过程：为压缩过程：Wb0，系统所作的净功（总功）：系统所作的净功（总功）：babaWWWWW净pOVBAba结论：结论：在任何一个循环过程中，系在任何一个循环过程中，系统所作的净功在数值上等于统所作的净功在数值上等于p-V图图上循环曲线所包围的面积。上循环

14、曲线所包围的面积。6、循环过程作功特点：、循环过程作功特点：则：则：热机把热转化为功的本领用效率衡量。热机把热转化为功的本领用效率衡量。循环图为规循环图为规则图形则图形W净净=S循环图为不规循环图为不规则图形则图形or有绝有绝热过程热过程1100%WQ净P.25/69热力学基础热力学基础 2021-10-178、热机效率：、热机效率：1100%21QQ热机把热转化为功的本领用效率衡量。热机把热转化为功的本领用效率衡量。循环图为规循环图为规则图形则图形W净净=S循环图为不规循环图为不规则图形则图形or有绝有绝热过程热过程1100%WQ净注注：（：（1）1,QQ吸放QQ2（2）一定要）一定要100

15、%（3）循环效率通常都很小）循环效率通常都很小 （20%）。）。目的：目的：从理论上探索提高热机效率的方法从理论上探索提高热机效率的方法1824年，法国青年年，法国青年科学家卡诺（科学家卡诺（1796-1832）提出一种理）提出一种理想热机，工作物质想热机，工作物质只与两个恒定热源只与两个恒定热源（一个高温热源，（一个高温热源，一个低温热源）交一个低温热源）交换热量。整个循环换热量。整个循环过程是由两个绝热过程是由两个绝热过程和两个等温过过程和两个等温过程构成，这样的循程构成，这样的循环过程称卡诺循环。环过程称卡诺循环。 卡诺循环：卡诺循环：两个等温过程和两个绝热过程组成两个等温过程和两个绝热

16、过程组成这样的热机称为卡诺热机。这样的热机称为卡诺热机。卡诺循环的卡诺循环的p-V图：图：P.26/69热力学基础热力学基础 2021-10-17BC 和和 DA 过程：绝热过程过程：绝热过程0QAB 和和 CD过程：等温过程过程：等温过程 吸热和放热吸热和放热2111lnlnVVmmQRTRTMVMVBA吸3224lnlnVVmmQRTRTMVMVCD放23421121ln11lnTV VQQTV V 卡诺循环：卡诺循环：两个等温过程和两个绝热过程组成两个等温过程和两个绝热过程组成卡诺循环的卡诺循环的p-V图：图：V3V1VpDABCV2V4T1T2OAB为等温吸热过程：为等温吸热过程：CD

17、为等温放热过程：为等温放热过程：111223TVTV 142111VTVT4312VVVV卡诺循环效率：卡诺循环效率：211TT BC为绝热过程：为绝热过程：DA为绝热过程：为绝热过程：两式相除两式相除适用于卡诺循环适用于卡诺循环P.27/69热力学基础热力学基础 2021-10-17结论：结论：（1）卡诺循环的效率仅仅由两热源）卡诺循环的效率仅仅由两热源的温度决定，与工质无关。的温度决定，与工质无关。3224lnlnVVmmQRTRTMVMVCD放23421121ln11lnTV VQQTV V CD为等温放热过程：为等温放热过程：111223TVTV 142111VTVT4312VVVV卡

18、诺循环效率：卡诺循环效率：BC为绝热过程：为绝热过程：DA为绝热过程：为绝热过程：两式相除两式相除211TT 适用于卡诺循环适用于卡诺循环（2）两热源的温度差越大，卡诺循）两热源的温度差越大，卡诺循环的效率越大。实际过程中常采用提环的效率越大。实际过程中常采用提高高温热源的温度来提高循环效率。高高温热源的温度来提高循环效率。（3）卡诺循环是目前效率最高的循环）卡诺循环是目前效率最高的循环作业：作业： 辅辅P175 3, 辅辅 P176 6 （同书（同书P45 9-17），书），书 P44 9-16, 9-19 例题：书例题：书 P31 9-6,书书 P32 9-7（同辅（同辅P176 7），辅

19、），辅 P176 4P.28/69热力学基础热力学基础 2021-10-17如图所示，如图所示，abcdaabcda为为一摩尔单原子分子理想气体的循环一摩尔单原子分子理想气体的循环过程。图中过程。图中V V2 22V2V1 1，p p2 22p2p1 1，p p1 1和和V V1 1作为已知值，求：（作为已知值，求：（1）在这一循）在这一循环过程中气体从外界吸收的热量；环过程中气体从外界吸收的热量； （ 2）循环效率。循环效率。 O V p a b c d 2P 1P 1V 2V 1,211 122211 1()()35()()2235()()22132abbcV mbap mcbbacbQQ

20、QmmCTTCTTMMmmR TTR TTMMp VpVp Vp VPV=21211 1()()WPP VVPV净 1 111 12W210015.4%13132PVQPV净解：解：ab为等体吸热过程：为等体吸热过程：,()abV mbamQCTTMbc为等压吸热过程：为等压吸热过程：,()bcp mcbmQCTTM（1）净功）净功P.29/69热力学基础热力学基础 2021-10-17一定量理想气体经历了某一定量理想气体经历了某一循环过程，其中一循环过程，其中AB和和CD是等压过是等压过程，程，BC和和DA是绝热过程。已知是绝热过程。已知B点点和和C点的状态温度分别为点的状态温度分别为TB和

21、和TC ，求，求此循环效率。此循环效率。解：解：CDABp1p2pVOAB为等压吸热过程：为等压吸热过程：)(m,1ABpTTCMmQ)(m,2DCpTTCMmQ则则121QQABDCTTTT1 AB、CD为等压过程，故为等压过程，故AABBVTVTDDCCVTVT BC、DA为绝热过程，故为绝热过程，故11DDAAVTVT11CCBBVTVTADBCTTTT1111AACCCBBBAABBTTTTTTTTTTTT BCTT1CD为等压放热过程：为等压放热过程：ADCBTTTT两式相除两式相除P.30/69热力学基础热力学基础 2021-10-17 3.2 10 -2 kg氧气作氧气作ABCD

22、循循环过程。环过程。AB和和C D都为等温过程，都为等温过程，设设T1=300K，T2=200K，V2 =2V1。求循求循环效率。环效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1VpO解：解： AB为等温吸热过程：为等温吸热过程：211lnABVmQRTMVDA为等体吸热过程：为等体吸热过程：125()2DAmQR TTM125()2BCmQR TTMBC等体放热过程：等体放热过程：CD等温放热过程：等温放热过程：221lnCDVmQRTMV211100%QQ21221211215()ln215ln()2VmmR TTRTMMVVmmRTR TTMVM %155100200ln221530

23、0ln21002 P.31/69热力学基础热力学基础 2021-10-179.7 热力学第二定律和不可逆过程热力学第二定律和不可逆过程 卡诺定理卡诺定理一切热力学过程都满足热力学第一定一切热力学过程都满足热力学第一定律，那么满足热力学第一定律的任意律，那么满足热力学第一定律的任意过程都能实现吗？过程都能实现吗？一、自然过程的方向性一、自然过程的方向性1、热传导现象：、热传导现象：热量自动地从高温物热量自动地从高温物体传递给低温物体，但相反的过程，即体传递给低温物体，但相反的过程，即热量自动地从低温物体传递给高温物体热量自动地从低温物体传递给高温物体却不可能实现。却不可能实现。2、功变热现象：、

24、功变热现象：转动的飞轮因摩擦而转动的飞轮因摩擦而停止，机械能因作功而转变为内能。但停止，机械能因作功而转变为内能。但相反的过程，即静止的飞轮由于变冷而相反的过程，即静止的飞轮由于变冷而转动起来是不可能实现的。转动起来是不可能实现的。3、自由膨胀：、自由膨胀：隔板分为左右两半，左隔板分为左右两半，左边储有一定量的气体，右边为真空。抽边储有一定量的气体，右边为真空。抽去隔板气体自动向真空膨胀，但气体决去隔板气体自动向真空膨胀，但气体决不会自动地收缩到容器的左边去，而另不会自动地收缩到容器的左边去，而另一半变为真空。一半变为真空。4、扩散过程：、扩散过程：容器内用隔板将两种容器内用隔板将两种 不同的

25、气体分成两部分，抽去隔板，不同的气体分成两部分，抽去隔板，两种气体自动的发生扩散现象，但两种气体自动的发生扩散现象，但相反的过程，即均匀混合的两种气相反的过程，即均匀混合的两种气体自动地分离是不可能的。体自动地分离是不可能的。可逆过程：可逆过程： 设在某一过程设在某一过程 P 中，系统从状中，系统从状态态 A变化到状态变化到状态B 。如果能使系统进。如果能使系统进行逆向变化，从状态行逆向变化，从状态 B 回复到初状回复到初状态态 A ，而且在回复到初态，而且在回复到初态 A 时，周时，周围的一切也都各自恢复原状，过程围的一切也都各自恢复原状，过程P就称为可逆过程。就称为可逆过程。 可逆过程是一

26、个理想过程。可逆过程是一个理想过程。 如果系统不能回复到原状态如果系统不能回复到原状态A，或者虽能回复到初态或者虽能回复到初态A，但周围一，但周围一切不能恢复原状，那么过程切不能恢复原状，那么过程P称为称为不可逆过程。不可逆过程。不可逆过程：不可逆过程：P.32/69热力学基础热力学基础 2021-10-17 一个系统在没有外界的作用下，一个系统在没有外界的作用下，自发进行的过程。自发进行的过程。可逆机：可逆机：能产生可逆循环过程的机器。能产生可逆循环过程的机器。不可逆机不可逆机：不能产生可逆循环过程的机器。不能产生可逆循环过程的机器。可逆过程：可逆过程： 设在某一过程设在某一过程 P 中，系统从状中，系统从状态态 A变化到状态变化到状态B 。如果能使系统进。如果能使系统进行逆向变化，从状态行逆向变化，从状态 B 回复到初状回复到初状态态 A ，而且在回复到初态，而且在回复到初态 A 时，周时，周围的一切也都各自恢复原状，过程围的一切也都各自恢复原状，过程P就称为可逆过程。就称为可逆过程。 可逆过程是一个理想过程。可逆过程是一个理想过程。 如果系统不能回复到原状态如果系统不能回复到原状态A，或者虽能回复到初态或者虽能回复到初态A，但周围一，但周围一切不能恢复原状，那么过程切不能恢复原状，那么过程P称