热学 第三章__热力学第一定律.ppt

1、第二章 热力学第一定律, 2.1 准静态过程 2.2 功、热、内能 2.3 热力学第一定律 2.4 热容量 2.5 理想气体的绝热过程 2.6 循环过程 2.7 卡诺循环 2.8 致冷循环,本章讨论热力学系统的状态发生变化时在能量上所遵循的规律热力学第一定律,2.1 准静态过程,系统状态发生变化的过程,热力学过程,准静态过程：,过程中任意时刻，系统都无限接近平衡态,要求：,过程无限缓慢,“无限”过程进行的时间远大于由非平衡态到 平衡态的过渡时间（驰豫时间）,气缸实际时间约为10-2 s，可初级近似为准静态过程,弛豫时间 约 10 -3 秒,实现：外界压强总比系统压强大一小量 P ， 就可以 缓

2、慢压缩。,例 气体的准静态压缩,实际压缩一次 1 秒,举例：系统（初始温度 T1）从外界吸热,系统温度T1直接与 热源T2接触，最终达到热平衡，不是准静态过程。,因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如P-V图（或P-T图，V-T图）中一条曲线表示，反之亦如此。,几种等值过程曲线,2.2 功、热、内能,一、功,做功可以改变系统的状态 摩擦升温（机械功）、电加热（电功）,以气缸内气体的准静态膨胀做功为例：,准静态过程的体积功,准静态过程中体积功的计算,系统对外界做的总功,功的几何表示,例如：,体积功的特点,做功与过程有关 功是过程量,对相同的初末态，不同过程

3、，A不同,二、热量 : Q,1）系统和外界温度不同， 就会传热，或称能量交换， 热量传递可以改变系统的状态。,如：夏天的车胎膨胀现象,功、热 都能改变 系统状态,热量传递的方向用Q的符号表示：,规定：,dQ0表示系统从外界吸热 dQ0表示系统向外界放热,2）热量是过程量,总热量：,积分与过程有关 。,三、系统的内能E,对理想气体、处于温度为T的平衡态：,系统的内能是状态量，如同 P、V、T等量,1)改变系统状态的方式有两种,2)作功、传热是相同性质的物理量均是 过程量,系统的内能是状态量,2.3 热力学第一定律,系统在过程中能量守恒,热 源,热力学第一定律,功是过程量，内能是状态量, 热量也是

4、过程量,适用于任何热力学系统（气、液、固）的任何热力学过程，各量单位：J,E1,E2,热一律对理想气体的应用,对理想气体：,对理想气体准静态过程：,对无限小过程：,一、等容过程 V=C,A=0,等容过程吸收的热量全部用于改变系统的内能,几种典型的等值准静态过程,二、等温过程：T=C,等温过程吸收的热量全部用于对外做功,一个系统与外界的热量传递不一定引起系统本身温度的变化,等温过程(相变） 熔化；凝固；汽化；液化时。,等压过程吸收的热量一部分用于对外做功，一部分用于改变内能。,三、等压过程 p=C,例 1: 一定质量的理想气体,由状态a经b到达c,（如图,abc为一直线）求此过程中。 （1）气体

5、对外做的功； （2）气体内能的增量； （3）气体吸收的热量； (1atm=1.013105Pa).,摩尔热容量 C 1 mol 理想气体温度升高1度， 所吸收的热量。,比热(容) c ， 单位：J/kg K,摩尔热容量 C ， 单位：J/mol K,2.4 热容量,定体摩尔热容量 C V，m: 1 mol 理想气体在等容过程中温度 升高1度，所吸收的热量。,定压摩尔热容量 C p，m : 1 mol 理想气体在等压过程中温度 升高1度，所吸收的热量。,一、 定体摩尔热容,理想气体等容过程：,对m 克理想气体的等容过程：,等容过程：,二、 定压摩尔热容,理想气体等压过程：,比热（容）比 ：,迈耶

6、公式,思考：,刚性多原子分子,的取值与气体分子的种类有关,单原子分子,刚性双原子分子,室温下与实验基本符合,热力学第一定律在各等值过程的应用,3. 等压过程：,2. 等容过程：,1. 内能:,4. 等温过程：,例: 0.02kg 的氦气（视为理想气体）,温度由 17C 升为27 C ,若在升温过程中,（1）体积保持不变；（2）压强保持不变；（3）不与外界交换热量,试分别求出气体内能的改变、吸收的热量、外界对气体作的功。,2.5 理想气体的绝热过程,过程中，不能或来不及与外界 交换热量。,绝热层,对m克气体，, 当A0， T2 T1, 绝热膨胀使温度降低, 当A T1, 绝热压缩使温度升高,打气

7、筒,不定积分,一、理想气体准静态绝热过程,绝热方程, 泊松公式,由 A 点处斜率判断：,绝热线与等温线的比较,系统从 A 点出发，经历等温与绝热过程,绝热线比 等温线更陡,等温,绝热,1）若理想气体绝热膨胀对外做正功：,2）若理想气体绝热压缩对外做负功：,由,及,可知：,Q=0， A=0，E=0,二、气体绝热自由膨胀：,气体绝热自由膨胀为一非准静态过程,即：,膨胀前后,气体的绝热自由膨胀并非等温过程,作业：3.9; 3.10,例：汽缸内有一种刚性双原子分子的理想气体，若经过准静态绝热膨胀后，气体的压强减小了一半，求变化前后气体的内能之比E1:E2=？,解：,对双原子分子g =7/5,例 2:

8、温度为 25C、压强为 1 atm 的 1 mol 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)计算这个过程中气体对外的功. (2)假设气体经绝热过程体积膨胀至原来的, 3倍那么气体对外做的功又是多少?,解：（1）等温过程气体对外作功为,（2）绝热过程气体对外作功,2.工作物质：将热转换为功的物质系统（可为固、液、气），简称工质。,3.循环过程：工质经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程，简称循环。, 2.6 循环过程,一、热机及其效率的一般概念,1.热机：利用热做功的机器。如蒸汽机、内燃机等。,R,B,P,C,热电厂内水的循环过程：,内能不变,净功等于曲线包围面

9、积,正循环：过程顺时针进行,逆循环：过程逆时针进行,循环以吸热对外做功为目的，称为热机循环,循环以从低温热源吸热为目的，称为制冷循环,循环过程的特征：,由若干个分过程组成,4.热机循环效率：,能流图,1） Q1表示循环过程中吸热分过程吸收热量的和， Q10;,2） Q2表示循环过程中放热分过程放出热量的和， Q20;,3） A净表示热机循环一次系统对外做净功。,例1 1mol O2进行如图所示循环，其中A B为等温过程，求：1)一次循环对外所做净功A、吸收的热量Q1；2）此循环的效率h。,解：,1）,2）,2.7 卡诺循环,准静态循环，工质为理想气体，只和两个恒温热库交换热量。,AB：等温膨胀

10、T1,BC：绝热膨胀,CD：等温压缩T2,DA：绝热压缩,卡诺循环效率只与热源温度有关,实际热机的最大效率,指明了实际热机提高效率的途径,300MW发电机组的主蒸汽温度约为T2=600 C, T1=30 C，卡诺效率为65，实际效率约为30左右。,习题指导 26； 18 ；19,1.工作原理：,2.致冷系数,2.8 致冷循环（逆循环）,3.卡诺致冷循环,致冷机（冰箱）的工作过程：,作业: 3.20; 3.25; 3.27习题指导：12；15；24,例：一定量理想气体，从初态A开始，经历三种不同过程，B、C、D处于同一条等温线上，AC为绝热线。 问 1. A B 过程吸热还是放热？ 2. A D

11、 过程是吸热还是放热？,1.若以A B C A构成循环过程,为逆循环过程,A B放热,2.若以A D C A构成循环过程,为正循环过程,A D吸热,1.一定量的理想气体，经历某过程后，它的温度升高 了则根据热力学定律可以断定： （1）该理想气体系统在此过程中吸了热 （2）在此过程中外界对该理想气体系统作了正功 （3）该理想气体系统的内能增加了 （4）在此过程中理想气体系统既从外界吸了热，又对 外作了正功 以上正确的断言是：,(A) (1)、(3). (B) (2)、(3). (C) (3).(D) (3)、(4). (E) (4)., C ,2.某理想气体分别进行了如图所示的两个卡诺循环：I（

12、abcda）和 II（abcda），且两条循环曲线所围面积相等。设循环的效率为 ，每次循环在高温热源处吸的热量为 Q，循环 II 的效率为 ，每次循环在高温热源处吸的热量为Q，则,（A）,QQ,（B）Q,（C）,QQ ,（D）,QQ ., B ,3.理想气体卡诺循环过程的两条绝热线下的面积大小（图中阴影部分）分别为S1和S2，则二者的大小关系是：,（A）S1S2； （B）S1=S2； （C）S1S2； （D）无法确定。, B ,A,D,C,B,4. 一定量的理想气体从体积 V1 膨胀到体积 V2 分别经历的过程是：AB 等压过程； AC 等温过程； AD 绝热过程,其中吸热最多的过程。, A

13、,（A）是 A B ； （B）是 A C ; （C）是 A D ； （D）既是 A B 也是 A C,两过程吸热一样多。,做功最多？内能增加最多？,5.一定的理想气体,分别经历了上图的 abc 的过程,（上图中虚线为 ac 等温线）,和下图的 def 过程（下图中虚线 df 为绝热线）,判断这两个过程是吸热还是放热。, A ,（A）abc 过程吸热, def 过程放热； （B）abc 过程放热, def 过程吸热； （C）abc 过程和 def 过程都吸热； （D）abc 过程和 def 过程都放热。,6.一定量某理想气体所经历的循环过程是：从初态（V0，T0）开始，先经绝热膨胀使其体积增大

14、1 倍，再经等容升温回复到初态温度 T0，最后经等温过程使其体积回复为 V0，则气体在此循环过程中：,（A）对外作的净功为正值； （B）对外作的净功为负值； （C）内能增加了； （D）从外界净吸的热量为正值。, B ,7.汽缸内贮有 36g 水蒸汽(视为理想气体),经abcda 循环过程如图所示.其中 a-b、c-d 为等容过程, b-c 等温过程, d-a 等压过程.试求:,(1) Ada= ? (2) DEab= ? (3) 循环过程水蒸 气作的净功 A= ? (4) 循环效率 h = ?,解:,水的摩尔质量:,水的质量,(2) DEab= ?,(3) 循环过程水蒸气作的净功 A= ?,(4) 循环效率 h = ?,8.1mol 单原子分子理想气体的循环过程如T-V图所示，其中C点的温度为 Tc=600K .试求