大学物理 课件 第6章 热力学

大学物理§4-1.温度与温标§4-2.热力学第一定律§4-2.2热力学第一定律的应用§4-3.热力学第二定律§4-4.热工第6章热力学1研究热力学的意义最早利用，应用最广的能源是热能。从能量角度研究热力学过程服从的普遍规律：●涉及热现象的能量守恒——普遍能量守恒热力学第一定律●热力学过程的方向性——

热力学第二定律热能的最高利用效率；能量的品质……热力学是研究物质世界中有关热现象的宏观理论，它不涉及物质的微观结构，而是将一物质系统中大量粒子看作一个整体，研究系统所表现的各种宏观性质和规律。2大学物理第6章热力学4.1温度与温标1、状态参量在热学中，为了描述物体的状态，常采用一些表示物体有关特性的物理量作为描述状态的参数，称为状态参量。一般可用三个量来表征：（1）气体所占的体积V，（2）压强P，（3）温度T或t。2、平衡态：在没有外界影响，经过一定的时间后，系统将达到一个确定的状态，并且宏观性质不再随时间而变化的状态换句话说，气体处于平衡状态的标志就是表征这一气体的一组状态参量（P、V、T）各具有一定确定的值3大学物理4.1.2温度1、温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。2、热力学第零定律：如果两个热学系统中的每一个都与第三个系统的某一平衡态处于热平衡，则此两个系统必定处于热平衡3、温度计图4-2酒精温度计图4-3模具表面温度计4大学物理4、温标为了定量的描述温度，还必须用具体的数值来表示温度。温度的数值表示法叫温标（1）热力学温标

开尔文在热力学第二定律基础上引用了一种热力学温标，它完全不依赖于测温物质和测温属性，这种温标叫热力学温标，也叫开尔文温标。它的规定如下：单位是开尔文，简称开，用K表示，且1K=水的三相点温度之1/273.16。用热力学温标表示的温度叫做热力学温度，或叫绝对温度。（2）摄氏温标和华氏温标5大学物理视频观看：6-1绝对零度和开氏温标§4-2.热力学过程与准静态过程一.热力学过程系统和外界有能量交换时，系统的状态会发生变化，从一个状态不断变化到另一个状态，经历一个热力学过程。12217大学物理第6章热力学系统从一种状态变化到另一种状态所经历的过程中的每一中间状态都无限接近平衡态——准静态过程(平衡过程)。例1：气体被压缩的过程u实际过程不可能是真正的准静态过程。实际过程进行得无限缓慢时才可近似看作准静态过程。二.准静态过程系统T1T1+dTT1+2dTT1+3dTT2例2：系统的加热过程8大学物理第6章热力学对一定量气体,任何一个平衡态都对应于状态图(如P-V图，P-T图或V-T图)中的一点。反之亦然;VPo等温过程等容过程等压过程循环过程一定量气体的任何一个准静态过程都可用系统的状态图（如P-V图，P-T图或V-T图）中一条光滑连续曲线表示，反之亦如此。9大学物理第6章热力学说明(1)准静态过程是一个理想过程；(3)准静态过程在状态图上可用一条曲线表示,

如图。(2)除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程；OVp10大学物理第6章热力学一.作功和传热系统与外界交换能量的两种方式，可使系统状态变化焦耳热功当量实验证明:(JamesP.Joule,英,实验:1843～1878)

绝热

用各种绝热过程使物体升高一定温度,所需要的功是相同的。

证明了热能和其它能量间的守恒与转化定律,否定了热质说.微观本质不同：作功

有序;传热

无序§4-2.热力学第一定律11大学物理第6章热力学准静态过程中功的计算如图，dxpSdW:外界对系统作的元功从状态I(p1,V1,T1)变化到状态II(p2,V2,T2)II(U2)ppVV1V2dVoI(U1)热力学系统所作的功量值上等于p-V图中的准静态过程与V轴在始末态间围成的面积。12大学物理第6章热力学

作功与路径有关!过程量.

如图,顺时针循环一次W<0,系统所作净功等于阴影部分的面积，若循环方向相反，净功大小不变,但W>0。apVV1V2oIIIb

W>0,外界对系统作正功;

W<0,外界对系统作负功.说明系统对外界作负功.系统对外界作正功.13大学物理第6章热力学二.系统的内能

焦耳实验表明:在不同绝热过程中,一个热力学系统从状态I变化到状态II,外界对系统所作的功W只与状态I、II有关,与具体途径无关.

存在一种仅由系统状态决定的能量

内能U,其变化可以用绝热过程中外界对系统所作功来量度.即(类比:势能)第四章热力学第一定律14大学物理三.系统从外界吸收的热量传热:利用系统与外界温度不同来改变系统的内能.在无作功的过程中,系统内能的增加等于从外界吸收的热量：内能是状态量.只描述系统，与过程无关。作功与吸热共存时,内能如何?功和热量是过程量，不属于任何系统。强调：15大学物理第6章热力学性质实质内能热量功状态量过程量过程量是构成系统的全部分子的平均能量之和。是系统的宏观有序机械运动与系统内大量分子无规热运动的相互转化过程。是外界物质分子无规热运动与系统内物质分子无规热运动的相互转化过程。内能功热量

的国际标准单位都是焦耳（J）

16大学物理系统四.热力学第一定律

对任一热力学系统,从状态I变化到状态II的任一过程中,外界对系统作功W和向它传的热量Q之和等于系统内能的增量.即系统从外界吸收的热量,加上外界对系统所作的功等于其内能增加.微分形式: 积分形式: 吸收热量等价表述:第一类永动机是不可能造成的.与过程有关外界对系统作功(机/电/化/核…)QW——热力学第一定律17大学物理第6章热力学热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒与转换定律；“热量”不是能量,是因T不同而交换的能量的量度.此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经历的各状态则不一定是平衡态；适用于任何系统（气、液、固）。说明：18大学物理第6章热力学视频观看：6-2热力学第一定律例:在1atm下,1mol的水在100

C变成水蒸气,问其内能增加了多少?已知:汽化热摩尔体积:PQ解:水的汽化热是等温等压过程,可设想为如图装置.汽化过程中

摩尔水吸热为外界对系统作功为由热力学第一定律,水的内能增量为20大学物理第6章热力学§4.2.1.热力学第一定律在关于物体性质讨论中的应用一.物体的热容

热容

比热容热容是过程量，式中的下标x表示具体的过程注意:T范围内的平均值

温度为T时的热容和比热容21大学物理第6章热力学二.定体摩尔热容CV

和定压摩尔热容Cp1.定体摩尔热容CV2.定压摩尔热容Cp

22大学物理第6章热力学四.理想气体的内能和CV、Cp所以,不论对等体或等压过程均有:理想气体的定容摩尔热容为

温度T0和U(T0)可以任意选取对理想气体,内能仅是温度T的函数,是状态函数.23大学物理第6章热力学理想气体的定压摩尔热容为理想气体状态方程

则——迈耶公式即：理想气体的定压摩尔热容等于其定容摩尔热容与摩尔气体常数R之和。24大学物理第6章热力学或单原子分子

i=3 CV=3R/2刚性双原子分子

i=5CV=5R/2

刚性多原子分子

i=6CV=3R由气体分子动理论：则对M质量的理想气体,有理想气体的定容摩尔热容只与分子的自由度有关，与气体的温度无关。25大学物理第6章热力学比热容比：理想气体的定压摩尔热容只与分子的自由度有关，与气体的温度无关。理想气体的比热容比只与分子的自由度有关，与气体的温度无关。将

的理论值和实验值比较，常温下单原子气体和双原子气体符合很好，对多原子分子气体，二者差别较大。26大学物理第6章热力学*经典能量均分定理的实验检验经典热容量与T无关，但实验值与T有关。常温下经典理论、模型与实验相符量子理论：转动和振动能取分立值(量子化)，“高”温时才对热容量有贡献。氢气的Cp~T

关系T(K)2.53.54.5502505000500i=5i=7i=3平动平＋转平＋转＋振27大学物理§4.2.2.热力学第一定律对理想气体的应用一.理想气体的等值准静态过程等值:V,p,T,S(绝热).讨论依据:

过程中经历的任一状态都有:

过程中应满足热力学第一定律28大学物理第6章热力学二.等容(体)过程等容(体)过程中,理想气体吸收的热量全部用来增加它的内能.

状态方程:

或V=常量Vpp1p2V1III根据热力学第一定律：l不变lS29大学物理第6章热力学Vpp1V1IIIV2三.等压过程状态方程:外界作功:根据热力学第一定律：及得：等压过程中,理想气体吸收的热量,一部分用于对外作功,另一部分用于增加系统的内能.S

lV1V230大学物理第6章热力学例：质量为2.8g，温度为300K，压强为1atm的氮气，等压膨胀到原来的2倍。求氮气对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量解：根据等压过程方程，有因为是双原子气体31大学物理第6章热力学四.等温过程Vpp1p2V1IIIV2在p-V图中

双曲线等温过程中系统吸收的热量全部用于对外作功。恒温热源

lSV1V2S等温过程中外界对系统所作功全部转化为传给恒温热源的热量.

32大学物理第6章热力学p2p0p0VV02V0IIIabc解：理想气体(a)等体过程不作功，故(b)等温膨胀作功,其一般公式:本例中，求：计算沿路径a,b,c时外界对气体所作的功。例:如图，理想气体,33大学物理第6章热力学(c)

与(a)类似，也可用面积法求:p2p0p0VV02V0IIIabc由上可见，，可见作功与路径有关.34大学物理第6章热力学五.绝热过程Vpp1p2IIIV1V2即:由,有代入上式,消去dT:

,积分得绝热过程方程:

35大学物理第6章热力学等温:

不变,但膨胀使V

,n

.单位时间内分子与器壁碰撞次数减少,压强p降低.绝热:除上述原因外,T

,

,使每次碰撞时给予 器壁的冲量减小.Vp等温绝热系统在绝热过程中始终不与外界交换热量:进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程良好绝热材料包围的系统发生的过程p-V图中绝热线比等温线陡分子动理论解释:36大学物理第6章热力学绝热过程中，理想气体不吸收热量，系统减少的内能，等于其对外作功。绝热过程中功的计算37大学物理第6章热力学一定量氮气，其初始温度为300K，压强为1atm。将其绝热压缩，使其体积变为初始体积的1/5。解例求压缩后的压强和温度.根据绝热过程方程的p﹑V关系，有根据绝热过程方程的T﹑V关系，有氮气是双原子分子38大学物理第6章热力学温度为25℃，压强为1atm的1mol刚性双原子分子理想气体经等温过程体积膨胀至原来的3倍。(1)该过程中气体对外所作的功；(2)若气体经绝热过程体积膨胀至原来的3倍，气体对外所作的功。解例求VpO(1)由等温过程可得39大学物理第6章热力学将热力学第一定律应用于绝热过程方程中，有(2)根据绝热过程方程，有VpO40大学物理第6章热力学六.多方过程满足这一关系的过程称为多方过程可见:n越大，曲线越陡根据多方过程方程，有VpO

多方过程方程

多方过程曲线41大学物理第6章热力学功内能增量热量摩尔热容多方过程中的功﹑内能﹑热量﹑摩尔热容的计算42大学物理第6章热力学

多方过程曲线与四种常见基本过程曲线43大学物理第6章热力学如图，一容器被一可移动、无摩擦且绝热的活塞分割成Ⅰ,Ⅱ两部分。容器左端封闭且导热，其他部分绝热。开始时在Ⅰ,Ⅱ中各有温度为0℃，压强1.013×105Pa

的刚性双原子分子的理想气体。两部分的容积均为36升。现从容器左端缓慢地对Ⅰ中气体加热，使活塞缓慢地向右移动，直到Ⅱ中气体的体积变为18升为止。(1)Ⅰ中气体末态的压强和温度。解例求ⅠⅡ(1)Ⅱ中气体经历的是绝热过程，则(2)外界传给Ⅰ中气体的热量。44大学物理第6章热力学又由理想状态方程得刚性双原子分子45大学物理第6章热力学根据热力学第一定律，Ⅰ中气体吸收的热量为(2)Ⅰ中气体内能的增量为外界对Ⅰ中气体作的功为46大学物理第6章热力学

v摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的热力学过程,例··V02V0p0VpO2p0在该过程中，放热和吸热的区域。解求从图中可以求得过程线的方程为将理想气体的状态方程代入上式并消去p，有对该过程中的任一无限小的过程，有47大学物理第6章热力学由热力学第一定律，有由上式可知，吸热和放热的区域为吸热放热48大学物理第6章热力学视频观看：6-3热力学第一定律的综合应用热力学主要目的之一:研究热机及其效率.

循环:系统经一系列变化过程回到初始状态一.循环过程的概念、性质和效率VpVp正循环热

功:热机逆循环功

热:制冷机“热一”各项中：

研究W和Q的变化§4-2.3.循环过程和卡诺循环50大学物理第6章热力学热机效率:制冷系数:例:1mol理想气体,如图斯特林循环，其中ab和cd各为等温过程，da和bc各为等体过程，求其效率。该循环的净功的大小正好是两等温过程中作功的代数和的绝对值,即pV1VV2abcdO解：分析循环特点，先求W和Q•

,w与工作物质多少无关.注意：•

这里、、W取绝对值!51大学物理第6章热力学ab过程等温膨胀,吸热:da过程等体升温,吸热:(bc过程等体冷却,放热,cd过程等温压缩,放热)pV1VV2abcdO反方向？逆向斯特林循环(制冷机)pV1VV2abcdO52大学物理第6章热力学例:如图,已知,求.TpOabc解:在p-V图中有:VpObcaQ3Q1Q2

53大学物理第6章热力学例:如图,已知求.解:由,及QVp2Obcapp1V2V1得:54大学物理第6章热力学工作物质二.理想气体的卡诺循环及其效率(法)1796-1832

热源用得最少(2个)、没有耗散的理想循环(模型)。由两个等温过程和两个绝热过程组成:

abT1dT2VpOc高温热源T1低温热源T2Q1|Q2|W'ab,cd:等温bc,da:绝热55大学物理第6章热力学Q1Q2T1abdT2VpOc循环效率:又

卡诺热机的效率只与热源和冷源之间的温差有关,温差越大,效率越高,但总小于1.

56大学物理第6章热力学视频观看：6-4卡诺循环室外室内G卡诺制冷机:若卡诺循环的方向相反,即成为卡诺制冷机.制冷系数:T1abdT2VpOcQ1Q2热泵(暖空调)：Q1Q2W各类热机中,卡诺热机/制冷机效率最高(无耗散)58大学物理第6章热力学A1Q2Q求？例卡诺致冷机使1kg0C的水变成0C的冰，需作多少功？解法提要：2Q2Q1Q2TT12Tw卡10.11kg0C的水变0C的冰需取出热量2Q3.3510

513.35105（J）A外界需向致冷机作功2Qw卡3.3210(J)4工质工质低温热源2T

0+273=273（K）高温热源T127+273=300(K)环境温度27C冰的溶解热为3.3510Jkg51已知1Q1Q2Q2Q被致冷的0C水变0C的冰59大学物理地球上的人要在月球上居住，首要问题就是保持他们的起居室处于一个舒适的温度，现考虑用卡诺循环机来作温度调节，设月球白昼温度为1000C，而夜间温度为

1000C，起居室温度要保持在200C，通过起居室墙壁导热的速率为每度温差0.5kW，白昼和夜间给卡诺机所供的功率解例求在白昼欲保持室内温度低，卡诺机工作于致冷机状态，从室内吸取热量Q2

，放入室外热量Q1则每秒钟从室内取走的热量为通过起居室墙壁导进的热量，即60大学物理第6章热力