[理学]5第五章 热力学基础ppt课件

1、第五章第五章热力学根底热力学根底5-0 5-0 第五章教学根本要求第五章教学根本要求5-1 5-1 热力学第一定律及运用热力学第一定律及运用5-2 5-2 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环5-3 5-3 热力学第二定律热力学第二定律 一、了解准静态过程及其图线表示法一、了解准静态过程及其图线表示法. .二、了解热力学中功和热量的概念及功、热量和内能的微观意二、了解热力学中功和热量的概念及功、热量和内能的微观意义，会计算体积功及图示义，会计算体积功及图示. . 会计算理想气体的定压和定体摩会计算理想气体的定压和定体摩尔热容尔热容. . 三、掌握热力学第一定律，能分析计算理想气体等体、等压、三、

2、掌握热力学第一定律，能分析计算理想气体等体、等压、等温暖绝热过程中的功、热量和内能的改动量等温暖绝热过程中的功、热量和内能的改动量. .四、了解循环过程的特征和热机效率的定义，了解卡诺循环的四、了解循环过程的特征和热机效率的定义，了解卡诺循环的组成和特点，会计算以理想气体为工质的卡诺循环的效率，了组成和特点，会计算以理想气体为工质的卡诺循环的效率，了解热机效率的限制及提高热机效率的途径解热机效率的限制及提高热机效率的途径. .五、了解热力学第二定律的两种表述及其等价性，了解自然过五、了解热力学第二定律的两种表述及其等价性，了解自然过程的方向性及可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律的程的方向

3、性及可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律的本质本质. .预习要点预习要点留意功、热量、内能的概念以及作功与传热的异同留意功、热量、内能的概念以及作功与传热的异同.热力学第一定律的内容、物理本质及数学表达式是什么热力学第一定律的内容、物理本质及数学表达式是什么?什么是准静态过程？写出气体在准静态过程中作功的普什么是准静态过程？写出气体在准静态过程中作功的普通表达式通表达式.理想气体等体、等压、等温暖绝热过程各有什么特征理想气体等体、等压、等温暖绝热过程各有什么特征? 留意用热力学第一定律计算各过程的热量、功及内留意用热力学第一定律计算各过程的热量、功及内能变化的方法能变化的方法.)(TEE

4、1. 理想气体内能理想气体内能 系统内能的增量只与系统始末形状有关，与系统系统内能的增量只与系统始末形状有关，与系统所阅历的过程无关所阅历的过程无关.2. 功功 气体分子热运动各种动能与分子间相互作用势能的气体分子热运动各种动能与分子间相互作用势能的总和总和. 内能是表征系统形状的单值函数。理想气体的内内能是表征系统形状的单值函数。理想气体的内能仅是温度的函数能仅是温度的函数. 由于压力差导致外界物体有规那么运动与系统内由于压力差导致外界物体有规那么运动与系统内分子无规那么热运动的能量传送分子无规那么热运动的能量传送. 其经过系统与外界其经过系统与外界物体之间产生宏观的相对位移来完成物体之间产

5、生宏观的相对位移来完成. 功与系统形状变化过程有关，功与系统形状变化过程有关， 是一个过程量是一个过程量.3. 热量热量 由于温度差导致系统外分子无规那么热运动与系由于温度差导致系统外分子无规那么热运动与系统内分子无规那么热运动的能量传送统内分子无规那么热运动的能量传送. 其经过系统与其经过系统与外部边境处分子间的碰撞完成外部边境处分子间的碰撞完成. 热量与系统形状变化过程有关，热量与系统形状变化过程有关， 是一个过程量是一个过程量.1过程量：都与过程有关；过程量：都与过程有关；2等效性：改动系统热运动形状的作用效果一样等效性：改动系统热运动形状的作用效果一样. 分子热运动分子热运动分子热运动

6、分子热运动热量热量3功与热量的物理本质不同功与热量的物理本质不同 .功与热量的异同功与热量的异同分子热运动分子热运动功功宏观运动宏观运动WEEQ12 系统从外界吸收的热量系统从外界吸收的热量, 一部分使系统的内能添一部分使系统的内能添加加, 另一部分使系统对外界作功另一部分使系统对外界作功 .WEQddd3. 3. 热力学第一定律对微小过程的运用热力学第一定律对微小过程的运用2. 第一定律的符号规定第一定律的符号规定1. 热力学第一定律热力学第一定律+12EE 系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能添加内能添加内能减少内能减少系统对外界作功系统对外界作功外界对系统作功外界对系统作功QW1. 准静

7、态过程准静态过程),(111TVp),(222TVp1V2V1p2ppVo12 准静态过程中气体的准静态过程中气体的各形状参量都有确定的值，各形状参量都有确定的值，可在可在 p-V p-V 图上作出延续的图上作出延续的过程曲线过程曲线. . 从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间形从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间形状均可近似当作平衡态的过程状均可近似当作平衡态的过程.2. 2. 气体作功的计算气体作功的计算 想象汽缸内的气体进展想象汽缸内的气体进展无摩擦的准静态膨胀过程无摩擦的准静态膨胀过程. .SldVdp由功的定义：由功的定义：lpSlFWdddVpWdd21dVVVpW 功的大

8、小等于在功的大小等于在p-Vp-V图图中曲线下的面积中曲线下的面积. .1VOpV2V12Vdp 以以S S表示活塞的面积，表示活塞的面积，p p表示气体的压强，表示气体的压强，dldl表示表示一微小位移一微小位移. .3. 3. 准静态微元过程能量关系准静态微元过程能量关系VpEQddd1. 等体过程等体过程 摩尔定容热容摩尔定容热容0d, 0dWV热力学第一定律热力学第一定律TRiMmEQVd2dd特性特性 常量常量V),(11TVp),(22TVp2p1pVpVOWEQ21d)(212VVVpTTRiMm过程方程过程方程 常量常量1pT摩尔定容热容摩尔定容热容: 在体积不变的条件下在体积

9、不变的条件下, 1mol 的理想气体的理想气体温度升高或降低温度升高或降低1K时吸收时吸收(或放出或放出) 的热量的热量.单位单位11KmolJRiCmV2,TCMmEQVVdddm,1212m,)(EETTCMmQVV热力学第一定律热力学第一定律TQCVVddm,可得可得1mol 理想气体TRiTCQVVd2ddm,由由物质的量物质的量 为为 的理想气体的理想气体Mm2. 等压过程等压过程 摩尔定压热容摩尔定压热容过程方程过程方程 常量常量1VT热力学第一定律热力学第一定律VpEQpddd特特 性性 常量常量p所作的功：所作的功：2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12VpWVV

10、d21)(12VVp21dVVVpVp摩尔定压热容摩尔定压热容: 1mol 理想气体在等压过程中温度升理想气体在等压过程中温度升高高1K时吸收的热量时吸收的热量.TQCppddm,1mol 理想气体RCCVpm,m,可得可得)(12m,TTCMmQpp)()(,1212mTTRMmTTCMmV称为迈耶公式称为迈耶公式.)()(1212VVpEE)(12m,TTRCMmV物质的量物质的量 为为 的理想气体的理想气体Mm3. 等温过程等温过程热力学第一定律热力学第一定律0dEVRTMmp 21dVVTVpWQVpWQTddd12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVOVd特征特征 常

11、量常量T过程方程过程方程pV常量常量VVRTMmWQVVTd2112lnVVRTMm21lnppRTMm由由),(111TVp),(222TVpab0131.422.844.pVO例：如下图，使例：如下图，使1mol氧气氧气1从形状从形状a等温变化到形状等温变化到形状b；2从从a等体变化到形状等体变化到形状 c，再等压变化到再等压变化到b. 试分别计算试分别计算气体所做的功及吸收的热量气体所做的功及吸收的热量. 解：解：1从a等温变化到形状b气体吸收的热量等于其对外所作的功：气体吸收的热量等于其对外所作的功：WQTabbbVVVplnJ2ln108 .4410013. 135J1015. 33

12、2 a- c- b过程因因 ，baTTbaEE有有因因a- c为等体过程，为等体过程，其中其中故有故有由热力学第一定律由热力学第一定律WEEQ12WcbacWWW0acWcbWW)(abcVVpJ10)4 .228 .44(10013. 135J1027. 23a- c- b过程中气体吸收的总热量为WQJ1027. 23),(111TVp),(222TVpab0131.422.844.pVO4. 4. 绝热过程绝热过程 绝热过程是系统在和外界绝热过程是系统在和外界无热量交换的条件下进展的过无热量交换的条件下进展的过程程. 0dQ特征特征EWdd0dd EWTCMmEWVdddm,对于理想气体对

13、于理想气体),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVO0Q由理想气体的物态方程，由理想气体的物态方程，RTMmpV TRMmpVVpddd两边微分两边微分12ppVVCCVpddm,m,m,m,VpCC令令0ddVVpp得到得到对上式积分：对上式积分：CVplnln或或1CpV由理想气体的物态方程，得到由理想气体的物态方程，得到21CTV31CVp都称为理想气体的绝热方程都称为理想气体的绝热方程.1、2消去dT得pVCVpRCVVdd)(m,m,那么那么热容比热容比 绝热线和等温线绝热线和等温线 绝热线比等温线更陡些，如下图。绝热线比等温线更陡些，如下图。这是由于在等温过程中

14、，压强的变这是由于在等温过程中，压强的变化仅是由体积的变化所引起，而在化仅是由体积的变化所引起，而在绝热过程中，压强的变化不仅是由绝热过程中，压强的变化不仅是由体积的变化，同时还由温度的变化体积的变化，同时还由温度的变化共同引起的，所以系统压强的变化共同引起的，所以系统压强的变化更为显著。更为显著。绝热线：绝热线：恒量pV等温线：等温线：恒量pVpVo绝热过程绝热过程等温过程等温过程预习要点预习要点循环过程有什么特征循环过程有什么特征? 热机效率是怎样规定的？热机效率是怎样规定的？什么是卡诺循环什么是卡诺循环? 卡诺循环的效率取决于哪些要素？卡诺循环的效率取决于哪些要素？ 系统经过一系列形状变

15、化过程后，又回到原来的形状的系统经过一系列形状变化过程后，又回到原来的形状的过程叫热力学循环过程过程叫热力学循环过程 . 热力学第一定律热力学第一定律WQ 取绝对值取绝对值QQQW21净功净功0E特征特征WpVOABAVBVcd1T2T12TT 1Q2Q总吸热总吸热1Q总放热总放热2Q热机就是把热能转换成机械能的安装热机就是把热能转换成机械能的安装. . 热机从高温热源汲取热量，一部分转变胜利，热机从高温热源汲取热量，一部分转变胜利，另一部分放到低温热源另一部分放到低温热源. .热机热机高温热源高温热源低温热源低温热源1Q2QW 热机的效率是在一次循环中工热机的效率是在一次循环中工质对外所作的

16、净功占它从高温热库质对外所作的净功占它从高温热库吸收的热量的比率吸收的热量的比率.121QQ吸QW吸放吸QQQ|吸放QQ|1 1 卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成，工质仅和两个热源交换热量，循环任务物热过程组成，工质仅和两个热源交换热量，循环任务物质为理想气体质为理想气体.Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V1Q1211lnVVRTMmQQABA B ：使汽缸和温度为T1 的高温库接触，气体等温膨胀，体积由V1增到V2，它从高温库中吸收热量Q1B C ：气体做绝热膨胀，体积变为V3，温度降到T2213112T

17、VTV2Q4322lnVVRTMmQQCDC D：使汽缸和温度为T2的低温库接触，使气体等温紧缩，体积由V3减小到V4，气体向低温库中放出热量Q2D A ：沿绝热线紧缩气体，直到它回到起始形状A，体积变为V1, 完成一个循环.214111TVTVVop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V1Q121QQ卡诺循环的效率：卡诺循环的效率：4312VVVV214111TVTV由由121TT12C1QQ得得代入上式代入上式1243121VVVVTTlnln213112TVTV讨讨 论论1. 卡诺机必需有高温暖低温两个热源. 3. 热机效率不能大于 1 或等于 1，只能小于 1 .4. 一真

18、实践热机的效率不能够大于 ，尽能够提高高温热源的温度，加大高、底温热源之间的温差是提高热机效率的有效途径.C2. 卡诺热机效率 与任务物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，那么卡诺循环的效率越高 . C预习要点预习要点留意准确了解热力学第二定律两种表述的内容留意准确了解热力学第二定律两种表述的内容.什么是可逆过程和不可逆过程什么是可逆过程和不可逆过程? 留意了解热力学第二定律的本质并了解其统计意义留意了解热力学第二定律的本质并了解其统计意义.根据实际阅历的总结得出根据实际阅历的总结得出:开尔文表述：不能够制造出这样一种循环任务的热开尔文表述：不能够制造出这样一种循环任务的热机，它

19、只从单一热源吸热来作功，而不放出热量给机，它只从单一热源吸热来作功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化其他物体，或者说不使外界发生任何变化. 即阅历循即阅历循环将热全部转变为功的过程是不能够的环将热全部转变为功的过程是不能够的.或第二类永动机单热源热机不能制成或第二类永动机单热源热机不能制成.克劳修斯说法：热量不能自动从低温物体传向高温克劳修斯说法：热量不能自动从低温物体传向高温物体物体. 热力学第二定律两种表述的本质是一样的，都指热力学第二定律两种表述的本质是一样的，都指明了自然界某些实践过程进展的方向性明了自然界某些实践过程进展的方向性. 热力学第二定律的两种表述是等效的，

20、用反证热力学第二定律的两种表述是等效的，用反证法可以证明这两种表述的等效性。法可以证明这两种表述的等效性。 由功变热过程的不可逆性推断热传导过程的不由功变热过程的不可逆性推断热传导过程的不可逆性。可逆性。RSR+SQQ2Q2Q2Q+Q2W高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1(a)(b) 假设开尔文表述不成立，我假设开尔文表述不成立，我们可以制造一个热机们可以制造一个热机 R ，只从，只从高温热源高温热源T1汲取热量汲取热量 Q ，并全，并全部转变为功部转变为功 W。 利用功去推进利用功去推进制冷机制冷机 S，S在一个逆循环中将在一个逆循环中将

21、从低温热源从低温热源T2汲取热量汲取热量 Q2，并，并向高温热源向高温热源T1释放热量释放热量 Q2 + W = Q2 + Q ，如图，如图 (a) 。 RSQQ2Q+Q2W低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1(a) 将将R和和S组合起来，组合体将组合起来，组合体将从从T2汲取热量汲取热量Q2，向，向T1释放热释放热量量Q+Q2Q=Q2，除此之外不发，除此之外不发生任何其他变化，如图生任何其他变化，如图 (b)。R+SQ2Q2高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2(b) 可见，假设克劳修斯表述不成立，即热量可见，假设克劳修斯表述不成立，即热量Q2自自动地从低温热源动地从低温热源T

22、2传向了高温热源传向了高温热源T1。 由热传导过程的不可逆性推断功变热过程的不由热传导过程的不可逆性推断功变热过程的不可逆性。可逆性。ZKZ+KQQ2Q-Q2A高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1(a)(b)QQA 假设克劳修斯表述不成立，我假设克劳修斯表述不成立，我们可以制造一个安装们可以制造一个安装 Z ，低温热，低温热源源T2 的热量的热量Q 自动地传向高温热自动地传向高温热源源T1。在。在T1和和T2之间设计一个卡之间设计一个卡诺热机诺热机K，它在一个循环中从，它在一个循环中从 T1汲取热量汲取热量 Q，一部分用于对外界，一部分用于对

23、外界作功作功W，另一部分，另一部分Q2被释放到被释放到 T2。ZKQQ2W低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1(a)QQ 假设将假设将Z和和K组合起来，这个组组合起来，这个组合体将只从低温热源合体将只从低温热源T2汲取热量汲取热量Q-Q2，并完全转变为对外界作功，并完全转变为对外界作功W，如图，如图 (b)所示。这就是说开尔所示。这就是说开尔文表述也不成立了。文表述也不成立了。Z+KQ-Q2高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2(b)A 可逆过程可逆过程: 在系统形状变化过程中在系统形状变化过程中, 假设逆过程能假设逆过程能反复正过程的每一形状回到初态反复正过程的每一形状回到初态, 而不引起其他变化而不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程这样的过程叫做可逆过程 .不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使不可逆过程：在不引起其他变化