热力学第一定律课件

*

热力学第一定律（Firstlawofthermodynamics)*始平衡态

一系列非平衡态末平衡态

过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。

热力学中，为能利用平衡态的性质，引入

（Firstlawofthermodynamics)§3.1准静态过程（quasi-staticprocess）

热力学系统从一个状态变化到另一个状态,称为热力学过程（简称“过程”）。准静态过程的概念。*准静态过程：系统的每一状态都无限接近于平衡态的过程。态组成的过程。即准静态过程是由一系列平衡←快非平衡态←缓慢接近平衡态

准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。非准静态过程准静态过程*统一于“无限缓慢”矛盾平衡即不变过程即变化

只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。

如何判断“无限缓慢”？引入弛豫时间（relaxationtime）

：平衡破坏恢复平衡

t过程

>

：

过程就可视为准静态过程所以无限缓慢只是个相对的概念。*气体压强的弛豫时间：气缸线度：L~10-1m分子平均速率：

~10-3s容器的线度分子热运动平均速率~102m/s内燃机活塞运动周期

t~10-2s>所以汽缸的压缩过程可认为是准静态过程。例如分析内燃机气缸内的气体经历的过程：*(p2,V2)(p1,V1)(p,V)过程曲线准静态过程可以用过程曲线来表示：VOp改变系统状态的方法：1.作功

2.传热一个点代表一个平衡态*△§3.2功（work）体积功dA=pdV

─过程量摩擦功电流的功

一般元功

dA=fr

dl

dA=Udq

dA=广义力f×广义位移dq=UIdt

通过作功改变系统的热力学状态的微观实质：分子无规则运动的能量分子规则运动的能量碰撞V1

V

V+dVV2

VOpdA=pdV通过作功可以改变系统的状态。*§3.3内能，热量，热力学第一定律一.内能（internalenergy）1212A绝热ⅠA绝热Ⅱ绝热壁A绝热Ⅰ

R水绝热壁A绝热Ⅱ

RI水*实验表明：由此可定义系统内能

E，

令E的增量满足关系：实验和理论都表明：—与过程无关E—状态量，只要1和2状态确定，则*

(1)分子热运动的能量；

(2)分子间势能和分子内的势能；

(3)分子内部、原子内部运动的能量；

(4)电场能、磁场能等。

T不太大时，系统状态的变化主要是

热运动的能量变化和分子间的势能变化其它形式的运动能量不改变。气体动理论：（刚性）从微观上看，系统的内能包括：*二.热量（heat）：通过温度差传递的能量（定性）E1E2Q定义：Q>0系统吸热

Q<0系统放热分子无规则运动的能量传热的微观本质是：

dQ系统外界不作功Q从高温物体向低温物体的传递碰撞

在热力学中我们已经有了内能的定义，考虑一个传热不作功的过程：由此可进一步给出热量的定量的定义。*三.热力学第一定律

(firstlawofthermodynamics)

E1E2AQ对任意元过程：

A>0

系统对外界作功实验表明：

Q>0

系统从外界吸热

Q

─

过程量一般情况：（热一律）

系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界作功之和。*思考下列的静电永动机能否实现？V

E=0OpA=QQ“第一类永动机”不存在。循环过程：++--++--

++++绝缘杆绝缘杆带电杆带电杆*

热力学第一定律是热现象中的能量转化与守恒的定律。

热力学第一定律适用于任何系统的任何过程（非准静态过程亦成立）。*§3.4热容量（heatcapacity）一.摩尔热容（量）

定压热容量

定体热容量

（体积不变）（压强不变）定义系统温度升高1度所吸收的热量为系统的热容量，即：*

定压摩尔热容量

定体摩尔热容量一摩尔物质温度升高1度所吸收的热量叫摩尔热容量，

——摩尔数即：*二.理想气体的内能等体过程：(E,T)OV

pT+dTdEVV

dET=0任意元过程(E+dE,T+dT)

任意元过程：

若CV,m

=const.，则—理想气体内能公式*三.迈耶公式（Mayerformula）对理想气体，考虑一个等压过程：—迈耶公式（比热比）定义比热容比（热一）*由气体分子动理论，对刚性分子理想气体：*热容量是可以实验测量的。

的理论值可以与

的实验值比较。对双、多原子分子气体符合稍差；对单原子分子气体理论值与实验值符合

·

在大的温度范围上看热容与温度有关。（比较情况见书P112表3.1）·

常温下：即CV,m，Cp,m和

都并非常量。得相当好；这是经典理论无法解释的。*分子能量是量子化的：转动振动平动

t连续kT

>

r时转动能级才能激发（转动起作用）kT

>

v时振动能级才能激发（振动起作用）特征温度：*

常温下，不易发生振动能级的跃迁，分子可视为刚性（振动自由度被“冻结”）。对H2分子：3.502.50H2气体505005000T(K)（对数坐标）1.500H2：t=3r=2v=1*§3.5绝热过程（adiabaticprocess）绝热过程：过程。特点：由例如：系统和外界没有热量交换的过程。·

良好绝热材料包围的系统发生的过程；·

进行得较快而来不及和外界交换热量的*①

②③①②③：一.理想气体的准静态绝热过程dAdE过程时间<<传热时间*

常温下──

绝热过程方程∴或

自己推导*2等温12′绝热OVp绝热功：等温膨胀（E不变）

V

n

E

T

p2>p2

p

V

n

p

绝热线比等温线陡，p=nkT绝热膨胀因为：*▲理气的多方过程：热容量C=const.的过程。可证明（自己证）

n称多方指数对绝热过程：习题3.17要求对多方过程作进一步讨论。*二.绝热自由膨胀（非准静态绝热过程）真空绝热刚性壁隔板T1T2对理想气体：器壁绝热：Q=0向真空膨胀：A=0热一律E1=E2T1=T2对真实气体：分子力以引力为主时T2<T1分子力以斥力为主时T2>T1（是否等温过程？）**三.节流过程（throttlingprocess）

通常气体是通过多孔塞或小孔向压强较低区域膨胀—节流过程。实际气体通过节流过程温度可以升高或降低，这称为焦耳—汤姆孙效应(Joule-Thomsoneffect)。温度降低叫正焦耳—汤姆孙效应，可用来制冷和制取液态空气。p1p2多孔塞*当p1和p2保持一定，且过程绝热时：设气体通过多孔塞前：内能E1、体积V1内能E2、体积V2气体通过多孔塞后：由于Q=0，A=p1V1

p2V2，由热一律有：定义：H=E+pV

称为“焓”（enthalpy）气体的绝热节流过程是等焓过程。p1p2多孔塞令*焓是态函数，它是等压过程中系统吸的热量。即：和内能相比，内能是等体过程中系统吸的热量。即：内能E和焓H与系统热容量的关系分别为：

可以证明（自己完成），理想气体因为内能实际气体却都存在该效应，这说明它们的内能还只是温度的函数，不存在焦耳—汤姆孙效应。和体积有关而（即气体分子间必存在相互作用力）。*§3.6循环过程

(cycleprocess)，热机循环过程：实例：火力发电厂的热力循环变化后又回到初态的整个过程叫循环过程。系统(如热机中的工质)经一系列水泵A1

A2

Q1锅炉

汽轮机冷凝器电力输出

Q2

绝热VO|Q2|

p饱pQ1A*冷凝塔发电机水泵除尘器涡轮传送带锅炉空气碾磨机烟筒水管喷射给水器现代火力发电厂结构示意图*现代“火力发电厂”外貌*定义热循环效率pQ1A|Q2|VO热循环（正循环）工质

如果循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用状态图(如P--V图)上的闭合曲线表示。*§3.7卡诺循环（Carnotcycle）卡诺循环：工质只和两个恒温热库交换热量的准静态、无摩擦的循环。低温热库T2|Q2|A工质Q1高温热库T1热机循环示意图卡诺（Carnot

，法国人，1796-1832）pOQ12134A|Q2|T1T2V绝热线等温线V1V4V2V3*对理想气体工质：1→2：3→4：

等温过程绝热过程2→3：4→1：（闭合条件）书P105(3.3)式*卡诺热机循环的效率说明：①