大学物理热力学第一定律

1、1 1 准静态过程准静态过程2 2 热力学第一定律热力学第一定律3 3 理想气体的绝热过程理想气体的绝热过程4 4 循环过程循环过程5 5 卡诺循环卡诺循环11 准静态过程准静态过程 准静态过程准静态过程：过程中的：过程中的每一状态每一状态都是都是平衡态平衡态 过程过程 系统状态的变化系统状态的变化不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变。压缩汽缸中的气体压缩汽缸中的气体过程无限缓慢：过程无限缓慢：弛豫时间：弛豫时间：非平衡态非平衡态平衡态的时间平衡态的时间实际压缩一次所用时间为实际压缩一次所用时间为 1 秒，秒，就可以近似为准静态过程。就可以近似

2、为准静态过程。弛豫时间很短，约弛豫时间很短，约 10 -3 秒秒 2PVOP-V图图平衡态平衡态 一个点一个点准静态过程准静态过程 一条曲线一条曲线注意：注意：非平衡态、非非平衡态、非准静态过程准静态过程 不能用不能用P-V 图上的点、线表示图上的点、线表示 等压过程等压过程 P一定一定PVO等容过程等容过程V一定一定等温过程等温过程T一定一定32 热力学第一定律热力学第一定律 一、内能一、内能系统在系统在一定状态一定状态下的能量下的能量包括所有分子的动能包括所有分子的动能EK与分子间的势能与分子间的势能EP理想气体：理想气体： EP=0pkEEE ),(VTEE 内能是状态量，内能是状态量，

3、与过程无关与过程无关kEE ABEAEBABEEE42 热力学第一定律热力学第一定律 做功可以改变系统的状态做功可以改变系统的状态 摩擦升温（机械功）、电加热（电功）摩擦升温（机械功）、电加热（电功）摩擦功：摩擦功：lfArdd 准静态过程气体对外界做功：准静态过程气体对外界做功：lFAdd 总功：总功： 21VVVPAAdd二、功二、功过程量过程量l dPlpsd VpAdd 0, 0 AVdd0, 0 AVddPVO系统作正功系统作正功系统作负功系统作负功5三、热量三、热量传热传热改变系统状态的另一种方法改变系统状态的另一种方法条件：系统与外界的温度不同条件：系统与外界的温度不同T1T2通

4、过分子热运动传递能量通过分子热运动传递能量无法用宏观量计算无法用宏观量计算热量热量Q传热过程中传递的能量传热过程中传递的能量热量是过程量热量是过程量系统从外界吸收热量系统从外界吸收热量系统向外界放出热量系统向外界放出热量总热量：总热量： 21QQd积分与过程有关积分与过程有关 。0 Qd0 Qd6某一过程，系统从外界吸热某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功，对外界做功A，系，系统内能从初始态统内能从初始态 E1变为变为 E2，则由能量守恒：，则由能量守恒：AEEQ 12对微小过程：对微小过程：dAdEdQ 2 热力学第一定律热力学第一定律 四、四、热力学第一定律热力学第一定律 12E1E2

5、注意：注意：1. 功、热量为功、热量为过程量过程量，内能为，内能为状态量状态量2. A、Q的正负号的正负号3. 适用任何系统的任何过程适用任何系统的任何过程7五、理想气体的热容量五、理想气体的热容量1.热容量热容量系统从外界吸收热量系统从外界吸收热量 Q，使系统，使系统温度升高温度升高dT，则系统的热容量为，则系统的热容量为dTQCdd 1 mol 物质物质TQCmdd 摩尔热容摩尔热容定压摩尔热容定压摩尔热容定容摩尔热容定容摩尔热容ppTQC)(dd VVTQC)(dd xxTQC)(dd 任意过程任意过程82.理想气体的热容量理想气体的热容量准静态等容过程：准静态等容过程：EVPEQddd

6、d TETQVdddd TCEVdd VCCiRV2ppTQC)(dd RiCP)12( 9CCRPV迈耶公式迈耶公式VVPCRCC 1 ii 2低温时，只有平动，低温时，只有平动，i i =3=3；常温时，转动被激发，常温时，转动被激发，i i =3+2=5=3+2=5；高温时，振动也被激发，高温时，振动也被激发， i i =3+2+2=7=3+2+2=7。比热容比比热容比 经典理论有缺陷，严格一点需量子理论来解释经典理论有缺陷，严格一点需量子理论来解释10六六.理想气体的等值准静态过程理想气体的等值准静态过程1.等容过程等容过程V一定一定PVOP-V图图上对应一直线上对应一直线过程方程过程

7、方程恒量恒量 Tp特点特点0 VpAddEEEQ 12TCV11 2 等压过程等压过程 P一定一定PVOP-V图图上对应一直线上对应一直线过程方程过程方程恒量恒量 TVVpAdd )(12VVpA )(12TTR )(12TTCEV )(12TTCQp 1212 系统做正功系统做正功 Q021 系统做负功系统做负功 Q0123.等温过程等温过程T一定一定P-V图图上对应一曲线上对应一曲线PVO过程方程过程方程恒量恒量 pV0 Ed 21VVVpAdV1V2 21VVVVTRd 12lnVVRTA AQ 133 理想气体的绝热过程理想气体的绝热过程准静态绝热过程准静态绝热过程0 QdAEdd E

8、A )(12TTCV 0 VPTCAEQVddddd RTPV TRPVVPddd 0 VVPPdd PVconst.PVO绝热线绝热线等温线等温线14循环过程循环过程:一系统经历一系列变化后又回到初始状态一系统经历一系列变化后又回到初始状态 的的 整个过程整个过程.热机：将热转换成功热机：将热转换成功 工质工质蒸汽机：工质蒸汽机：工质 水水锅炉锅炉冷却器冷却器汽缸汽缸泵泵Q1A1Q2 A2 总的效果总的效果从外界吸热从外界吸热（Q1-Q2 ）对外作功对外作功A1-A2 4 循环过程循环过程15u循环为准静态过程，在循环为准静态过程，在P-V图中对应闭合曲线。图中对应闭合曲线。正循环正循环：顺

9、时针方向进行：顺时针方向进行PVO特点：特点：0 EAQ 系统作净功系统作净功=曲线所围面积曲线所围面积00 QAQ1从外界吸热从外界吸热Q2 向外界放热向外界放热Q1、Q2 为纯数为纯数从外界吸热（从外界吸热（Q1-Q2 ）对外作功对外作功 （A1-A2 ）热机效率热机效率1211QQQA 16u循环为准静态过程，在循环为准静态过程，在P-V图中对应闭合曲线。图中对应闭合曲线。PVO特点：特点：0 EAQ 系统作净功系统作净功=曲线所围面积曲线所围面积逆循环：逆循环：逆时针方向进行逆时针方向进行致冷系数：致冷系数：2122QQQAQw 向外界放热向外界放热Q2外界作功外界作功 A17Q1Q2

10、 A高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质准静态循环，准静态循环，工质工质为为理想气体，只和两个理想气体，只和两个恒温热库交换热量。恒温热库交换热量。卡诺循环的热机效率：卡诺循环的热机效率：121TT5 卡诺循环卡诺循环PVOT1T2185 卡诺循环卡诺循环PVOT1T21211QQQA 12341-2 等温膨胀等温膨胀 吸热吸热1211VVlnRTAQ 3-4 等温压缩等温压缩 放热放热4322VVlnRTQ 1214321VVlnTVVlnT 2-3 绝热膨胀绝热膨胀132121 VTVT4-1 绝热收缩绝热收缩142111 VTVT143112)VV()VV( 121TT 19121TT 1211QQQA 注意：注意：1.只对卡诺循环成立只对卡诺循环成立对任何循环成立对任何循环成立2.卡诺循环效率只