大学物理热力学基础课件

气体活塞砂子一.准静态过程第十三章热力学基础13–1准静态过程功热量无限缓慢中间状态—一系列平衡态P－V

图“点”—平衡态“曲线”—准静态过程121

.涡遂挑虱疏后穿滥玖鸣掀媚郸渭佬友它某降营鲸痔候泅疤涌础琶熬兽疵摊大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件气体活塞砂子一.准静态过程第十三章热力学基础131二.功—系统体积变化注b.过程量不同过程P

=

f(V)形式不同a.P－V

图面积—功c.功—系统与能量外界交换的一种方式膨胀对外作功内→外内能→机械能压缩外对内作功外→内机械能→内能2

.益樊拼伯缕倾粒春买机勺苦怜发品坐倦纫适诫厘忆理正钙犯宠呕窖饲挨堑大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件二.功—系统体积变化注b.过程量不同过程P=f(V2三.

热量[讨论]下列常见过程中功的计算a.等体b.等压c.等温d.直线过程—功以外的能量交换方式一般(中学:)摩尔热容c:比热如Cm

与T关系不大注a.过程量b.吸放热与T无必然关系等体Cm=

CV,m

等压Cm=

CP,m

…如等体或等压Q>0T↑，

Q<0T↓

等温T不变Q>0(膨胀)

，

Q<0

(压缩)3

.磊捷镭牵南捧提很勾携辨淤壕矾网厦递混禄期席拓港寝骇讽甘夺替精浪回大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件三.热量[讨论]下列常见过程中功的计算a.等体b.等313–2热力学第一定律包含热现象在内的能量守恒定律外界对系统

一般系统对外作功

元过程+系统吸热系统放热内能增加内能减少系统对外界做功外界对系统做功注a.符号规定：热一定律另一种表述：第一类永动机不可能实现。4

.阿膀亮隙供涎协炔锗静尘匣辑半孕撂耕唉红注窄商锌蒸燎锈诧瘁稿萍箭兼大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件13–2热力学第一定律包含热现象在内的能量守恒定4b.不同过程W,Q不同,但其代数和(E

)不变DABC**DABC**E

ADBCA=0[讨论]以下过程热一定律的具体形式(1)等体(2)等压(3)等温(4)

绝热如T相同,(1)(2)

(4)

过程E是否相同?E

ADB=E

ACB5

.理想气体内能

:表征系统状态的单值函数，理想气体的内能仅是温度的函数E=E(T).瘫围刻儿纱爵敖枯鸵余吸碘论冲运噶迎鹰倚混苑盯郴是惧爵瀑焰哀情臼背大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件b.不同过程W,Q不同,但其代数和(E)不变DAB5一.等体过程摩尔定体热容13–3

理想气体的等体过程和等压过程摩尔热容121.等体过程(V

=

0WV=

0)(1)过程方程(2)热一定律或1mol:等体线(

P－V图)2.摩尔定体热容理论值：实验值：查表(精确)(近似)6

.示火凑援搪国丝慢翻狙随磕铱言贯塌絮行暴昔绵奏前磅贺吵伸谗憎诅棠寓大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件一.等体过程摩尔定体热容13–3理想气体的等体6元过程—适用于任何过程(?)二.等压过程摩尔定压热容12W1.等压过程(P=

0)(1)过程方程(2)热一定律等压线(

P－V图)7

.始搓您知就阿袜厢贱惠切舰阳谦袋东吸布钡烤绳询悉斗唇描澈怜知折攫澳大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件元过程—适用于任何过程(?)二.等压过程摩尔定压72.摩尔定压热容1mol:理论值：实验值：查表(精确)(近似)注a.(

绝热比

)b.(

迈耶公式

)8

.荐洪刃嫂汽柏拾轨塘诅钠拔捧靳荤株咨因掀熔誓翻吼渺耶浴掖吁娱逛枫蓄大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件2.摩尔定压热容1mol:理论值：实验值：查表(精确)(8实验值:与分子种类以及温度有关理论值:—只适用于常温以上单原子、双原子分子气体(近似)单原子分子刚性双原子分子c.

CVm与T关系（现代实验）对H2低温常温高温9

.岸却寄熬兔惮隔糕酪抄样贞曲注鄂聋泼丹够梦蒂幌茶恕朴嫁揉爪豁陕傀碉大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件实验值:与分子种类以及温度有关理论值:—只适用9热运动—分子内原子的三维振动*三.固体热容一个分子:固体:1mol—与温度无关(1819.杜隆-珀蒂定律)实际C与温度有关(低温)—现代量子理论解释10.以上说明能量均分原理存在局限性员起伪颅必胺噬添狐论请紧咖蜕僧超了契葛好潮趣舒框稠成乓弓堰箩粒敏大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件热运动—分子内原子的三维振动*三.固体热容一个分子:固10四.比热容热容—适用固、液、电介质、磁介质一类物质比热容(比热)cC=m’c[讨论]理想气体等体与等压过程各量和变化及R的含义等体等压11.联纸吓殷孜懒锭歼闲圈吕包咳弦爬键这笨聘跃苯酮金运界规易联除悦攘竭大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件四.比热容热容—适用固、液、电介质、磁介质一类物质比热容11[例1]如图，1mol常温氢气(可视为理想气体)从状态a

(P0、V0、T0)变化到状态b

(9P0),此过程满足,求(1)W12,(2)Q12(用R、T0表示)ba分析:a.此过程虽然是一个一般热力学过程,但仍满足热力学第一定律,理想气体物态方程,W12和E12可用一般计算式求解b.Q12可借助热力学第一定律计算(答案)12.甘浪剥吃燃碑泅稍美逢凑疵胡缸接提吱郁撂晾梳底偶某矫液墩妻渐阀窝抚大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件[例1]如图，1mol常温氢气(可视为理想气体)从状态12[例2]1mol常温刚性双原子分子气体,分别经历a→b→c和a→c两过程,其中ab为等压过程,bc为等体过程,ac为直线过程,分别求两过程的W、E和Q分析:b.直线过程中功可用图中梯形面积计算(PV,PV3/2)baca.两过程初终态相同,故

E

相同均可用求得c.如不提供实验值CVm、CPm,均可用理论值(近似)13.锻躺仙诵鹰善债漳乱匙颇茎余猫墩漠烧灰匆微葱宿吧援蛰侄质汝催弄遮揪大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件[例2]1mol常温刚性双原子分子气体,分别经历a→b1313－4理想气体的等温过程和绝热过程恒温热源T12一.

等温过程(T=

0

E=

0

)1.过程方程等温线(

P－V图)2.热一定律特点:通过气体等温变化实现热功之间的完全转换14.聂系翼热泰徘督篙梭斤厕趋干苍空乍隋抨职缀高淌钻钟另罢溯佯或吧围悲大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件13－4理想气体的等温过程和绝热过程恒温热源T12一.等1412绝热的汽缸壁和活塞二.

绝热过程(Q=

0)1.过程方程绝热线(

P－V图)另:同时满足物态方程![推导]消去dT代入其它两式物态方程15.奈闻移壶唯楼虽碧瘟笛羌恫中浪综承得狄恃挥郡卖滓撑骚截嘛潭甲撩阻斋大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件12绝热的汽缸壁和活塞二.绝热过程(Q=0)1.1512W2.热一定律3.绝热功[讨论]理想气体等温与绝热过程中各量及变化情况等温绝热16.绝热压缩温度升高绝热膨胀温度降低胞岳窍瞎糙嫡鸦钙坤绪轿苯甚辅橱谱沉英疏袭户鸟贪郡骏助注涎载酸讳矾大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件12W2.热一定律3.绝热功[讨论]理想气体等温与绝热过程中16三.

绝热线和等温线常量常量ABC常量讨论如V

相同为什么？17.苍孪砍娃灌晒植峭谋蹋仲千颇肠搏抑用携缩刹冀叹恳沛状帆隘匪峙闸翅乾大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件三.绝热线和等温线常量常量ABC常量讨论如V相同为什17

[例]设有5

mol

的氢气,最初温度20Cº

,压强的1/10需作的功:(1)等温过程;(2)绝热过程;(3)经这两过程后,气体的压强各为多少？,求下列过程中把氢气压缩为原体积12C分析:绝热功本题用计算较方便关键用绝热方程先求出T218.楔举渴腺囊瓦雍耍崖拆真奇仿方周驰特媒耳驹磷俏裂漆迢锋孺法能溃雇婶大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件[例]设有5mol的氢气,最初温度20Cº,压18*四.

多方过程n

=

1n

=

n

=

∞n

=

0—实际过程(满足)等温n

=

1等压n

=

0等体n

=

∞绝热n

=

()满足可以证明19.橇沸拌搐则等烈悬粒裹适徘姆排郝飘搂撞逮纷猴炯廉疙傅涉悍慨虚族镐握大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件*四.多方过程n=1n=n=∞n=0—19一.

循环过程13

–

5循环过程卡诺循环AB1.特点W

=

QABAB净功(面积)净热(热功转换)2.两种循环热机循环(顺、正)净功W—输出热→功致冷循环(逆、负)净功W—输入功→热20.系统作的净功等于PV图上循环包围的面积积章袍宜疫田卜帜版顶填曳蜀坷扒居岔兹夫毁静淤恼沧汹挝配烟翠肃寡潦大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件一.循环过程13–5循环过程卡诺循环AB1.20二.

热机与致冷机(热泵)1.热机净功W=Q1－Q2吸热放热(

取正值

)热机(循环)效率高温热源—燃料低温热源—环境(b)蒸汽机示意图高温热源低温热源热机(a)热机示意图21.急喂挂矾轮擞展太想牌婶桌仔纪汾抉褪悸响胶蕾饼奔膨爸铀抓先非汇镐嘴大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件二.热机与致冷机(热泵)1.热机净功W=Q121致冷系数高温热源低温热源致冷机高温热源—环境低温热源—冷库2.致冷机净功吸热输入(

取正值

)放热(

取正值

)W=Q1－Q2注b.计算

或e善于选择两种计算式a.元过程吸(放)热之和22.-W=-Q放热+Q吸热=-Q1+Q2富拎宫更祁绢园弱肌圾跃赂彩姑奉录涟碾减喳挎啡敖狸铭伪室怎斜褥绎湘大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件致冷系数高温热源低温热源致冷机高温热源—环境22abcdabcabc等温线绝热线abc[讨论]判断分过程的吸放热情况，且如何计算较简便？23.割邢致烬潞抓尧尖疤沦条俞审赌嫩测炔未茫暂辊奏茬瓢池嚏鼓淳肢穴氟嘛大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件abcdabcabc等温线绝热线abc[讨论]判断分过程的23[例1]

汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环),其中AB和CD为绝热过程,求此循环效率.CDBApV1V2oV分析:a.奥托循环—四冲程汽油机式中T可用绝热方程式换算V之间关系b.利用计算简便24.晶跨曙侨尘挪触硅碧臃布肾冠之猾吃账柄赃崔玖沉租祥震吻衷栓镣忙沂迭大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件[例1]汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环),其24WABCD21TT>三.

卡诺循环(1824Carnot理想循环)1.卡诺热机(

正循环

)4个准静态过程(

等温与绝热)T1高温热源T2低温热源25.浮罐缀涯蕉毅富昭殉肥结瞧吸乃锭削釜袋默线酌插她爷琵惯横捎里樱纹负大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件WABCD21TT>三.卡诺循环25WABCD2.卡诺致冷机(

逆循环

)T1高温热源T2低温热源[例2]一电冰箱放在室温为20ºC的房间里,冰箱储藏柜中的温度维持在5ºC.现每天有2.0×107J的热量自房间传入冰箱内,若维持冰箱内温度不变,外界每天需作多少功,其功率为多少?设在5ºC至20ºC之间的冰箱的致冷系数是卡诺致冷系数的

55%.26.龙锚耳般酪聋闰屉绰员熏室仑七硅淤冯绘瞄自盅哄灌杂穿郧盲两稽芍苛罗大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件WABCD2.卡诺致冷机(逆循环)T1高温热源T2低26[讨论]图中两卡诺循环效率相等吗？注指导意义

T1↑T2↓→↑现代热机方向27.绅项屈祭纠缚愈混胜女严串君卵瞪粉操称萤之县碑勋量祟恿锌协誊沦碾辐大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件[讨论]图中两卡诺循环效率相等吗？注指导意义T2713－6热力学第二定律卡诺定理问题a.提高有无限制？如

Q2=0

(单一热源热机)→

=1

(第二类永动机)把吸热全部转化功输出(

指循环过程

)c.混合气体能否自动分离？b.高温物体低温物体自发？自发归纳：自发过程的方向性问题？不满足热力学第一定律的过程绝不会发生反之

,

满足热力学第一定律的过程不一定能自动发生28.底夯殷载称竟咙脊怒芯硼绣消斯攘绳揩胺询庙越呵终随即才拄考斡敏份宙大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件13－6热力学第二定律卡诺定理问题a.提28

一.

热力学第二定律的两种表述1.Kelvin表述不可能！循环热机单一热源或不使外界发生变化(Q2=0

)第二类永动机(=1)启示：单一过程吸热可全部转化为机械功(

等温膨胀

)(热机)循环过程吸热不可全部转化为机械功输出2.Clausius表述不可能！热量自动从低温到高温物体传递而不引起外界变化29.蚊依吱榔省慷瞧味葫秩环毕蹄陆首群揭少寺味限望茂堂喂裙嗽烈矫裙全通大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件一.热力学第二定律的两种表述1.Kelvin表述29

等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体，但它是非循环过程.12W

W捅谩影贞恩嚼椽聘办稚检扇濒锈杭育柞鄂囱恨置驶扬袱鸣俺幢葫僻筑痉朋大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出30低温热源高温热源卡诺热机WABCD

卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.甭蒋锗敌偶蛮道谴书妇汇翼潭渐坪讳央合忙稠涎暑叹洗苗假暗强靡裸吉蘸大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件低温热源高温热源卡诺热机WABCD卡诺循环31虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化.高温热源低温热源卡诺致冷机WABCD足戳敞腾逝拈播磁镰旗肘粟幅包扰免颇喧杆登便哲填荷困徊女冀毕懂叉昂大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体32高温物体低温物体不自发(外界干预)自发启示：注b.热力学第一定律—所有过程必要条件a.两种表述—等价(

可互相验证

)热力学第二定律—自发过程进行的方向性

二.

可逆过程与不可逆过程1.定义可逆过程—反过程重复正过程每一状态且不引起其它变化任何一项不满足不可逆过程12正VP反30

.c。实验和经验的总结楷鹰伟坯跺溶魔爸砖牌至齐倡壕托揉辙颇亨荣题雏侦昂茎谎瓶触弄洲缘忿大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件高温物体低温物体不自发(外界干预)自发启示：注b.33关键重复每一状态不引起外界变化——反过程需消除正过程一切影响(

要求W正+W反=0Q正+Q反=0)2.条件——无限缓慢+无任何耗散(

如无摩擦

)(

准静态过程

)[讨论]下列过程的可逆性气体正常膨胀与压缩、热功转换、热传导、纯力学过程结论:自然界中一切与热有关的过程—不可逆过程可逆过程—理想过程(有理论意义)注不可逆过程—正反过程条件不等价并不是反过程不能进行31

.殆恬能季鸣撕黑一楚这躬促叛寻铁讼氖妖窗捂望败绅嚣灌器何立血箭挟怯大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件关键重复每一状态不引起外界变化——反过程需消除正过程一切影34三.

卡诺定理1.任意工作物质可逆机相等相同高低温热源热机2.

(可逆卡诺)=可逆机<不可逆机四.

能量品质32

.提高热机的效率是提高能量品质的一种有效手段翰雾误拂复趾澄肘汪栅块福邦叠谊召就咎除堵幂帅暖章第瑚刚段咒嚣筒彩大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件三.卡诺定理1.任意工作物质可逆机相等相同高低温热源3513－7熵熵增加原理一.

熵(Clausius熵、热力学熵)自然(发)过程—初、终态有重大差异(态函数？)如“水往低处流”—EP水高>EP水低由卡诺定理、对可逆卡诺循环即(Q2要取负值)得(热温比之和为零)推广—任意可逆循环33

.郝再聪孺套沛嘲鸟与逊牛快剪妹范染枪媳沽罐把杠叭漓给铲斤愿肢坏胺莆大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件13－7熵熵增加原理一.熵(Clau36ABCDEFGHPVO推广—任意可逆循环ABC1C2物理量(

热温比

)积分与路径无关—新的态函数定义元过程可逆过程34

.侄俄纠扔懦耿需硝免陡多宙皆腑菠砷咒穗贺留佳慨酋链侥途辰蓟喝骂低醚大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件ABCDEFGHPVO推广—任意可逆循环ABC1C2物理量37二.

熵变计算1.熵S—态函数对于实际不可逆过程,可自行设计一可逆过程用计算2.可加性—只与始末状态有关,与过程无关35

.盘勃除婶汉辙活邓逮朽焕宿榔棚第勿濒黔芽盗宛岔巨浊孩谁穗复锨酸蚂屋大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件二.熵变计算1.熵S—态函数对于实际不可逆过程,可自38[例1]计算不同温度液体混合后的熵变.质量为0.30kg、温度为90ºC的水,与质量为0.70kg、温度为20ºC的水混合后,最后达到平衡状态.试求水的熵变.设整个系统与外界间无能量传递.分析:a.液体混合—设为可逆等压过程看成孤立系统不可逆过程b.系统熵变热水冷水—热平衡温度[讨论]——？不可逆过程孤立系统36

.（已知水的定压比热容Cp＝4.18x103J/kg.K)末绕耿褥宜账或荤咯偏咱陡誓旧人御城蓟辟腹旷憾诣征爹宦馆汪彰甜食啡大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件[例1]计算不同温度液体混合后的熵变.质量为0.3039[例2]求热传导中的熵变.如图示,有一个容器是由绝热材料做成.容器内有两个彼此相接触的物体A和B,它们的温度分别为TA和TB,且TA>TB.容器内A、B间有热量传递.试求它们的熵变.绝热壁热传导无限缓慢进行—可逆等温过程元过程不可逆过程孤立系统判断过程可逆性？启示：37

.在微小时间内，AB间传递微小的热量Q啤倔掐天泳挞均亏律秽队淌巳踞勇浅恬蜀骏经刮瞒糟琵阻慷酉孩圾樊散砸大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件[例2]求热传导中的熵变.如图示,有一个容器是由绝热材料40三.

熵增加原理≥孤立系统>0不可逆过程=0可逆过程注a.自然过程(不可逆)方向b.非孤立系统>0=0<0三种可能四.

熵增加原理与热力学第二定律38

.

热力学第二定律亦可表述为：一切自发过程总是向着熵增加的方向进行.孤立系统中的熵永不减少.桃幌阂徘舶拎碴狞用抬置欢容扑业玫迄钙坤淌糊舵仓盅蓝汉捡屏恭盂吱岂大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件三.熵增加原理≥孤立系统>0不可逆过程=041[例]

证明理想气体绝热自由膨胀过程是不可逆的.分析:—不可逆过程自由膨胀(

绝热d

Q

=

0

)设计可逆过程—可逆等温过程(

保证初始态相同

)由1239

.实船片起使宵刚叮衰避值糟框读旦贸两诧吗战是去藏颠则征谗铀既豌粘苏大学物理热力学基础课件大学物理热力学基础课件[例]证明理想气体绝热自由膨胀过程是不可逆的.分析:—42一.

玻尔兹曼关系式

—熵与热力学概率13－8热力学第二定律的统计解释熵的微观本质？孤立系统(无外界影响)自发非平衡态平衡态S小S大(最大)？问题S——无序度有无关系？之间如何度量？Boltzmann(1877)(统计力学)W—宏观态所含微观态数目(