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1、第八章,热力学基础,宏观热力学,热力学第0定律 热力学第一定律 热力学第二定律 热力学第三定律,研究自然界与热现象相关的物理过程所遵循的基本原则。,研究对象：,研究宏观热力学系统的物理特征,状态参量：p, V, T 物理模型：理想气体,从能量角度出发,微观粒子,观察和实验,出 发 点,热力学验证微观动理论，微观动理论揭示热力学本质,二者关系,无法自我验证,不深刻,缺 点,揭露本质,普遍，可靠,优 点,统计平均方法 力学规律,总结归纳 逻辑推理,方 法,微观量,宏观量,物 理 量,热现象,热现象,研究对象,微观理论 （气体动理论）,宏观理论 （热力学）,一、热力学第零定律,6-1 热力学第零定律

2、和第一定律,平衡态：不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变的状态,绝热 器壁,两系统分别达平衡态,透热壁,两系统热平衡,两系统相互作用,两个相互处于热平衡的系统温度相同,当两系统都与第三系统处于热平衡，则两系统也热平衡,-热力学第零定律,实验表明：,二、热力学过程,平衡态：p、V、T 确定,系统变化：p、V、T 改变,热力学过程： 热学系统从一个平衡态变化到 另一个平衡态所经历的过程。,准静态过程在 p-V 图上用一条曲线表示。,准静态过程：如果过程进展得十分缓慢，使所经历的一系列中间状态，都无限接近平衡状态，这个过程称作准静态过程（平衡过程）。,三、功、热量、内能,系统,传递热量,作功,

3、1、功与热量,改变系统能量的两种不同方法：,钻木取火 通过做功的方式将机械能转换为物体的内能。,烤火 通过热量传递提高物体内能。,焦耳实验,功、热的等效性,通过传递热量升温,通过外界做功升温,1卡=4.186焦耳,传递热量和作功等效,作功和传热本质上的区别：,作功是通过物体宏观位移来完成，是物体的有规则运动与系统内分子的无规则运动之间的转换。,传热是通过分子之间的相互作用 来完成。是系统外分子的无规则运动 与系统内分子的无规则运动之间的转换。,2、内能,实验表明：,只要热力学系统初、末状态给定，则系统不论经历的过程有何不同，外界对系统所作的功和向系统传递的热量之和不变,A+Q =常数,内能,内

4、能是系统状态的单值函数。 与系统经历的过程无关,对理想气体：,一般气体：E(P、V、T),系统从外界吸收的热量 =其内能的增量+对外所作的功,Q：系统吸热为 + ，放热为 -,A：系统对外作功为+，外界对系统作功为-。,四、热力学第一定律,1、数学表述：,系统的内能增量。,对于一微小的过程 ，第一定律可表示为：,第一定律的实质是包含括热量在内的能量守恒和转换定律。,2、准静态过程功的表达式,功的几何意义: 功在数值上等于p -V 图上过程曲线下的面积。,M 和 N 过程所作的功不同，吸收的热量 也不同。所以功、热量和所经历的过程有关， 而内能改变只决定于初末态和过程无关。,热力学第一定律,3、

5、摩尔热容,1mol 物质，当温度升高 1K 时所吸收或放出的热量,与过程有关 不同过程有不同的热容量。,6-2 热力学第一定律对于理想气体准静态等值过程的应用,理想气体：,一、等体过程,特征：,过程方程：,第一定律：,摩尔定体热容：,定体过程吸收的热量：,内能：,二、等压过程,特征：,过程方程：,第一定律：,摩尔定压热容：,等压过程吸收的热量：,理想气体摩尔热容的两个重要关系：,三、等温过程,过程方程：,特征：,第一定律：,P,V,(l ),(atm),2,V1,1,a,b,c,d,0,3,V4,V3,已知,例质量为 的氢气经图示过程自状态a变化到状态d，求整个过程中内能的变化、作功和传递的热

6、量。,等温,解,摩尔数：,各状态的状态参量：,a,b,c,d,1),整个过程中内能的变化：,（内能增加）,2),整个过程中作功：,（系统对外作功),（外界对系统作功),（系统对外作功),(吸热),3),整个过程中传热：,热力学第一定律,四、绝热过程,1、过程特征,dQ = 0,当气体绝热膨胀对外作功时，温度降低，内能减少！,2、过程方程,两边除以 pVCv,联立两式消dT,绝热过程的过程方程：,两边积分：,3、等温线与绝热线比较,等温过程：,绝热过程：,膨胀相同的体积绝热过程比等温过程压强下降得快。,绝热线,物理解释：,等温过程：,绝热过程：,等温线,绝热线,.,P,V,0,V1,V2,例 质

7、量8克的氧气从V1=0.41升，T1=300k 分别经等温膨胀和绝热膨胀体积增大10倍。求氧气在这两个过程中分别作了多少功？,等温膨胀：,解,绝热膨胀：,.,P,V,0,V1,V2,绝热膨胀：,T1=300k,练习. 一定量的理想气体，由物态a经b到达c（图中abc为一直线）。求此过程中：,（1）气体对外做的功；,（2）气体内能的增量；,（3）气体吸收的热量。,解:,系统从某一状态出发，经历一系列状态变化过程后又回到初始状态，为循环过程。,一、循环过程,热机-通过循环过程，持续不断地将热转换为功的装置。,系统经过一个循环后状态不变。,工作物质-参与循环的物质,550C,0,过 热 器,锅 炉,

8、给水泵,冷凝器,冷 却 水,气 轮 机,发电机,Q,Q,1,2,A,发电厂蒸汽动力循环示意图,20C,0,热机-持续不断地将热转换为功的 装置。,550C,0,过 热 器,锅 炉,给水泵,冷凝器,冷 却 水,气 轮 机,发电机,Q,Q,1,2,A,发电厂蒸汽动力循环示意图,A,Q,Q,1,2,高温热源,低温热源,热机工作示意图,20C,0,循环过程,特点：,（1）内能无改变 E=0,（2）p-V 图 上 为一闭合曲线,净功： A = 循环过程曲线所包围的面积,循环效率：,计算热机效率的普适公式,1824年，法国青年科学家卡诺（1796 1832）提出一种理想热机，工作物质只与两个恒定热源（一个

9、高温热源，一个低温热源）交换热量。整个循环过程是由两个绝热过程和两个等温过程构成，这样的循环过程称为卡诺循环。,二、卡诺循环,（1）循环组成：2个等温过程 + 2个绝热过程。,分析过程的吸、放热情况：,ab:,吸热；,b c：,绝热；,c d:,放热；,d a:,绝热.,bc：绝热,da：绝热,ab：吸热 Q1,cd：放热 Q2,净功：,A,（2）循环效率,卡诺热机的效率只与两热源的温度有关。,说明：,、要完成一次卡诺循环，必须有一个高温热源、一个低温热源；,、两热源温差越大， 效率越高，但 1。,、 只适用于卡诺循环,致冷系数：,系统向外界放热：,致冷机能流图,循环过程沿逆时针方向进行（致冷

10、循环）。,三、逆循环,对于卡诺逆循环致冷系数为：,低温热源温度越低，温差越大，致冷系数越小。,例1 1mol 氢气作如图所示的循环过程 （1）判别各过程吸、放热情况； （2）求此循环的效率。,解： ,ab:,b c：,c d:,d a:,等压膨胀,吸热,等容降压,放热,放热,吸热,循环过程线包围 的面积,例2 1mol 氧气作如图所示的循环。 求：循环效率,解：,分析各过程的 吸、放热：,ab:,吸热；,b c：,放热；,c a:,放热。,c a: 等温过程,4 热力学第二定律,第一定律指出不可能制造成功 1 的热机。,问题：,能否制造成功 =1 的热机？,(也就是热将全部变为功的热机),1、

11、热力学第二定律的开尔文(Kelven)叙述：,不可能制造一种循环动作的热机，只从单一热源吸热，使之全部变为有用的功而其它物体不发生任何变化。,一、热力学第二定律的两种叙述,讨论: (1)将热量全部变为功是可能的。如等温膨胀时有Q=A，但这一定要引起其他的变化，如体积增大 (2)使其回到初始状态的循环过程则要放热 (3)开尔文说法反映了功热转换的不可逆性,2、 热力学第二定律的克劳修斯 (Clausius)叙述：,热量不可能自动地从低温物体传给高温物体。,3、两种叙述是等价的。,违背了克劳修斯叙述也 就是违背了开尔文叙述,T,T,1,2,Q,Q,2,2,E,T,T,1,2,2,Q,Q,Q,Q,1

12、,1,2,2,2,A=,Q,Q,E,B,违背了克劳修斯叙述也 就是违背了开尔文叙述,违背了开尔文叙述也就 是违背了克劳修斯叙述,T,T,1,1,2,Q,Q,1,1,2,2,Q,Q,A=,Q,C,D,+,讨论： 热力学第一定律说明了任何过程中能量守恒,热力学第二定律说明了并非任何能量守恒过程都能实现，即变化过程有方向性,设在某一过程 P 中，一物体从状态 A变化 到状态 B，如果使物体进行逆向变化，从状态B变化到状态A，当它返回到状态 A 时，周围一切都恢复原状，称此变化过程为可逆过程。如果不能恢复原状就称为不可逆过程。,一、可逆与不可逆过程,5 可逆与不可逆过程,1.功热转换是不可逆的 功可以全部转变为热，热不能全部转变为功,2.热传导是不可逆的 热量从高温物体传向低温物体的过程是不可逆的,3.气体自由膨胀是不可逆的,4.无摩擦、无机械能损失的、无限缓慢的平衡过程才是可逆过程 5.一切实际过程都是不可逆的 6.自然界自发进行的过程都是不可逆的 落叶永离，覆水难收 生米煮成熟饭 逝者如斯,二、卡诺定理,1. 工作于高温