第4章 热力学基础.ppt

1、第1，4章热力学基础4.1热力学第一定律4.2以上气体等效过程和绝热过程4.3循环过程4.4热力学第二定律4.5熵增加原理4.6热力学第二定律的统计意义玻尔兹曼熵，2，3，4.1热力学第一定律，1，内功和热，实际气体内能量：所有分子热运动的动能和分子能量的总和。内部能量是状态量： E=E(T，V)，理想气体内部能量：是状态参数T的单值函数。系统中有两种更改方法，1 .工作可以变更系统的状态摩擦温度(机械工作)、电气加热(电气工作)工作，4是测量系统热和外部其他形式的能源转换。2 .传热可以改变系统的内部能量热。热量是流程量，热量是系统和外部热能转换的测量。系统状态更改、传热和操作是相同的。5，

2、2，准静态过程，热力学系统受到外部影响从一种状态到另一种状态的变化过程称为热力学过程，即过程。准静态进程：系统从一个平衡状态移动到另一个平衡状态，并且进程的所有中间状态都大致被认为是平衡状态的进程。1 .准静态过程是理想化的过程。6、如何判断“无限万”？李莞时间：系统从一个平衡状态变为相邻平衡状态的时间，T过程：过程可以被视为准静态过程，因此无限慢只是相对的概念。(David aser，Northern Exposure(TV)，Northern Exposure(TV)，非静态流程：当系统从一个平衡状态转移到另一个平衡状态时，所有中间状态都是不平衡的流程。2 .准静态过程可以用程序曲线表示。

3、在pV图中，点表示平衡状态，连续曲线表示准静态过程。7，3，准静态过程的操作和热，1。体积操作，活塞移动小位移dl时，系统对外部世界执行的圆孔，dA=Fdl，=pSdl，=pdV，dV0，dA0系统对外部世界执行的积极操作。图2过程的体积孔，8，操作改变了系统热力学状态的微观本质。分子有规则运动的能量，分子不规则运动的能量，操作是系统与外部交换的能量的测量，2。准静态过程中的热量计算，热容量(C):系统在一定的无限小过程中吸收热dQ和温度变化dT的比率称为系统，单位是JK-1热容量与比热的关系为C=Mc郑智薰，9，摩尔热容量(Cm)。1摩尔物质的热容量为摩尔热容量，单位为Jmol-1K-1，利

4、用热力学第一定律。传热的微观本质是分子的不规则运动的能量。E Q (-A)或Q E A规定，系统可以吸收热量，Q0、热量、Q0、外部对系统进行操作，A0、内部能量可以减少E0。如果系统经过小的变化过程，dQ dE dA可以针对静态过程分别用dQ dE pdV，11，热力学第一定律不可能，12，4.2以上气体等价过程和绝热过程，1，等体过程，dV来表示。理想气体的所有T1T2过程，如果CV接近常数，则为14，2，等压过程，静压摩尔热容量，dQp=dE dAp，=CVdT pdV，未导数，pdV=RdT，15=1.40大刚度多元2.绝对热线和等温线，pV C1，等温线pVrC2，绝对热线，等温线，

5、20，绝热过程：1，也就是说，还需要一些绝缘线。21，物理方法，A点处的等温膨胀过程V NP，(请注意绝热线各点处的温度不同)，A点处的绝热膨胀过程V NP，由于绝热，E T p，P3 p .22，3。绝热过程中功率值的计算，23，4.3正循环和逆循环，正循环： W净0，逆循环3360 W净0，24，2，循环效率，正循环3360系统循环，正循环W净热0净吸热Q净=Q1-Q2，热日定律q111，冷却系数：26，冰箱循环示意图，27，3。卡诺循环，冷质在两个恒定热源(T1T2)之间运行的准静态循环过程。由四个过程组成：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩。1 .卡诺热机等温线吸热，两条绝缘线，2

6、8，(1)一次完成卡诺循环需要一定的高温和低温两个热源。(2)卡诺循环的效率仅与两个热源温度相关。T1，T2实际上是T1 (3) T1，T2 0，因此不能大于1或大于1 (4)。在同样的高温热源和低温热源之间工作的所有热气中，可以证明卡诺热机的效率最高。29，2。卡诺冷却器，冷却系数一般冷却器的冷却系数约为： 27。30，自动循环，31，是： 1毫升氧气，如图所示。求循环效率。32，4.4热力学第二定律，问题：热力学第一定律33366但是满足能量守恒的过程一定能进行吗？热力学第二定律：满足能量守恒的过程不一定是可能的！过程的进行还有方向性问题。33，1。热力学第二定律的两种表述，1Kelvin

7、表达的另一种说法是，不能创造：的第二种永久动机。第二个永久动机也称为单热源打开，其效率为100。也就是说，所有列都已成功切换。2 .克劳乌斯说，不能自动将热量从低温物体传递到高温物体。34，灵机一动的构想，35，3。两种表达的等价性，36，2，可逆过程和非可逆过程，1。自然过程的方向性，孤立系统的情况下，从不平衡状态到平衡状态的过剩是自动进行的，这种过程称为自然过程。，空热转换的方向性，空热可以自然进行，热空可以自然进行吗？热传导的方向性，热量可以从高温自动传递到低温区域。但是，不能发生相反的过程。37，气体自由膨胀的方向性，气体自由膨胀可以自动进行，但没有人见过自动收缩过程。扩散的方向性不同

8、的气体自发混合，不能自动分离。自然过程不接受外来干预(孤立系统)，因此所有与热现象相关的自然过程都在一定的方向上进行，相反方向的反向过程不能自动进行。热力学第二定律进一步指出，自然过程不仅具有方向性，而且在非孤立系统中，所有实际宏观热力学过程都是不可逆转的。38，2。可逆过程和不可逆过程，系统从一个状态通过一个过程到达另一个状态。如果有其他过程，可以同时还原系统和外部世界。这是可逆过程。可逆过程是一个理想的过程，无耗散准静态，可逆过程必须沿着原路径的反方向进行，系统和外部世界的变化是完全可以消除的过程。(David aser，Northern Exposure，成功)，39，不可逆转的过程，无

9、法用任何方法同时将系统和外部世界恢复到原始状态的过程。注意：不可逆过程不能逆进行，而是当过程逆进行时，逆过程在外部留下的痕迹不能完全消除原始正过程的痕迹。40，(1)实际热力学过程是不可逆的。因为实际宏观过程都是从热功转换、热传导、不平衡状态转换到平衡状态。(2)不可逆过程是相互依赖的，一种不可逆过程的存在(或消失)，另一种不可逆过程也存在(或消失)，热转换不可逆过程消失，热传导不可逆过程消失，所有与热现象相关的实际宏观过程都是不可逆转的。任何不可逆转过程的表达都可以用作热力学第二定律的表达！41，4.5熵增原理，1 .卡诺定理，逆环：构成循环的所有过程都是逆流，这称为逆环。热机可分为：可逆热

10、机和不可逆热机卡诺循环，可逆卡诺循环和不可逆卡诺循环，1。在相同的冷热热源之间工作的所有可逆热机，其效率相同，与工作物质无关。42，所有在相同的高温、低温热源之间工作的不可逆热机其效率为可逆热机的效率，43，2，克劳修斯不等式，1。两个热源之间的循环是卡诺定理，表达式中的Q1，Q2是绝对值，45，3，克劳修斯熵，可逆周期，所以常识表明，当系统通过超状态A的不同可逆过程，变成最终状态B时积分的值是相同的。与可逆过程路径无关，46，克劳斯根据这个特性引入状态函数S定义了3360，超状态A和最终状态B是系统的两种。对于小可逆过程，(1)熵是系统的状态函数。(2)熵只是相对意义，48，4，熵增原理，热

11、力学第二定律可以用熵增原理解释。1可逆过程熵保持不变。这是熵增的原理。(1)不可逆过程中热源的温度。熵变化仅由草末状态决定，可逆过程和非可逆过程是相同的。(2)熵的最大值是在对应于平衡状态的孤立系统内发生的自发过程(不可逆过程)，(3)此时，系统熵变化可以分为两部分。DSI=DSI DSE，DSI :系统内部不可逆过程生成，熵生成项，所有系统的DSI，51，DSE 3360系统和外部质量与能量交换生成，熵流项，(4)熵增加原理是第二列法则的数学表示。熵增原理和热力学2，52，4.6热力学第二定律的统计意义玻尔兹曼熵，1，热力学第二定律的统计意义，共价转换，机械能(或电能)热秩序运动无序运动，热

12、传导，动能分布有序，动能分布更无序。所有的自然过程总是以无序的增长方向进行，玻尔兹曼首先以热力学概率计算系统的无序性，53，1。热力学概率，热力学系统，只有A，B，C，D，D，4个分子在A，B的两部分讨论4个分子的分布。微观和宏观状态宏观状态：表示A，B中各有几个分子微观状态：表示A，B中各有哪些分子，54，55，等概率原理，统计理论的“等概率”基本假设。对于孤立的系统，各微观状态出现的概率是相同的。所有微观状态的数量为16，每个微观状态的发生概率，如果总分子数，每个微观状态的发生概率，但是，由于每个宏观状态中包容的微观状态的数量不相等，热力学宏观状态的发生概率不相等。热力学概率，对应于某宏观

13、状态的微观状态的数量称为宏观状态。上表显示宏观状态1热力学概率：=1宏观状态2热力学概率：=4宏观状态3热力学概率：=6，微观状态数最多的宏观状态是系统的平衡状态。理论表明，随着分子总数的增加，包含在平衡状态中的热力学概率急剧增加，微观状态的比率也急剧增加。一般热力学系统N的数量级约为1023。N=NA(1摩尔)时，所有分子都自动收缩到左边的宏观状态，57，左右半平衡状态及其附近宏观状态的热力学概率占整个微观状态数的很大一部分。58，2。热力学第二定律的统计意义，孤立系统：小宏观状态，大宏观状态，不平衡状态，最大平衡状态，孤立系统内发生的所有自然过程总是从热力学概率较小的宏观状态到热力学概率较大的宏观状态。注：热力学第二定律的应用条件(1)适用于大量分子的系统是统计定律。(2)适用于孤立系统。59，2。玻尔兹曼熵，无序增长(定性)大小(定量)，1877年玻尔兹曼引入了熵，系统无序的大小，S=k ln，玻尔兹曼熵公式，K玻尔兹曼常数，(1)熵是系统分子热运动的无序性如果玻尔兹曼熵，S=k ln，60，两个子系统的热力学概率分别表示为1和2，那么代入玻尔兹曼熵公式就能得到61。例如，乒乓球瘪了，泡在热水里再膨胀，是违反热力学第二定律的“在单一热源吸热系统外工作的过程”吗？球内气体的温度改变了。例如，