第八章-热力学(上课用)..ppt

1、第 八 章,热 力 学 基 础,2020/8/2,2,一 准静态过程（理想化的过程）,准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程 .,8 1 准静态过程 功 热量,系统：所研究的宏观物体；外界：相互作用的环境。,2020/8/2,3,二 功（过程量）,功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动 状态的变化 .,准静态过程功的计算,注意：作功与过程有关 .,8 1 准静态过程 功 热量,2020/8/2,4,三 热 量（过程量）,通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递 .,1）过程量：与过程有关； 2）等效性：改变系统热运动状态作

2、用相同；,3）功与热量的物理本质（能量转换）不同 .,1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡,8 1 准静态过程 功 热量,2020/8/2,5,8 2 内能 热力学第一定律,2020/8/2,6,实验证明系统从 A 状态变化到 B 状态，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变 .,一 内 能 （状态量）,8 2 内能 热力学第一定律,2020/8/2,7,系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关 .,理想气体内能 : 表征系统状态的单值函数 ,理想气体的内能仅是温度的函数 .,8 2 内能 热力学第一定律,2

3、020/8/2,8,二 热力学第一定律,系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加, 另一部分使系统对外界做功 .,准静态过程,微小过程,8 2 内能 热力学第一定律,2020/8/2,9,8 2 内能 热力学第一定律,2020/8/2,10,计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础,（4） 各等值过程的特性 .,8 3 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,2020/8/2,11,单位,一 等体过程 摩尔定体热容,过程方程 常量,热力学第一定律,特性 常量,摩尔定体热容: 理想气体在等体过程中吸收的热量 ，使温度升高 , 其摩尔定体热容为,8 3 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,

4、2020/8/2,12,热力学第一定律,8 3 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,2020/8/2,13,二 等压过程 摩尔定压热容,过程方程 常量,热一律,特 性 常量,功,摩尔定压热容: 理想气体在等压过程中吸 收的热量 ，温度升高 ，其摩尔定压热容为,8 3 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,2020/8/2,14,可得摩尔定压热容和摩尔定体热容的关系,摩尔热容比,8 3 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,2020/8/2,15,8 3 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,2020/8/2,16,理想气体内能变化,定体摩尔热容,定压摩尔热容,摩尔热容比,理想气体摩尔

5、热容理论计算,8 3 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,2020/8/2,17,一 等温过程,热力学第一定律,特征 常量,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,18,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,19,二 绝热过程,与外界无热量交换的过程,特征,热一律,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,20,若已知 及,从 可得,由热力学第一定律有,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,21,绝热过程方程的推导,分离变量得,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,22,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程

6、,2020/8/2,23,三 绝热线和等温线,绝热过程曲线的斜率,等温过程曲线的斜率,绝热线的斜率大于等温线的斜率.,常量,常量,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,24,例1 设有 5 mol 的氢气，最初的压强为 温度为 ，求在下列过程中，把氢气压缩为原体积的 1/10 需作的功: 1）等温过程，2）绝热过程 . 3）经这两过程后，气体的压强各为多少？,解 1）等温过程,2）氢气为双原子气体,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,25,3）对等温过程,对绝热过程, 有,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,26,例2 氮气液化， 把氮

7、气放在一个绝热的汽缸中.开始时,氮气的压强为50个标准大气压、温度为300K; 经急速膨胀后,其压强降至 1个标准大气压,从而使氮气液化 . 试问此时氮的温度为多少 ?,解 氮气可视为理想气体, 其液化过程为绝热过程.,8 4 理想气体的等温过程和绝热过程,2020/8/2,27,热机发展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低 , 1765年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率 . 人们一直在为提高热机的效率而努力， 从理论上研究热机效率问题， 一方面指明了提高效率的方向， 另一方面也推动了热学理论的发展 .,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,

8、28,热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .,工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质 .,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,29,冰箱循环示意图,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,30,系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程 .,热力学第一定律,特征,一 循环过程,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,31,二 热机效率和致冷机的致冷系数,热机效率,热机（正循环）,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,32,致冷机致冷系数,致冷机（逆循环）,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,33,例 1 1 m

9、ol 氦气经过如图所示的循环过程，其中 , 求12、23、34、41各过程中气体吸收的热量和热机的效率 .,解 由理想气体物态方程得,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,34,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,35,三 卡诺循环,1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环 卡诺循环. 给出了热机效率的理论极限值.,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,36,理想气体卡诺循环热机效率的计算,A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩,卡诺循环,A B 等温膨胀吸热,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,37

10、,C D 等温压缩放热,D A 绝热过程,B C 绝热过程,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,38,卡诺热机效率,卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高 .,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,39,卡诺致冷机（卡诺逆循环）,卡诺致冷机致冷系数,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,40,图中两卡诺循环 吗 ？,8 5 循环过程 卡诺循环,2020/8/2,41,1 开尔文说法：不可能制造出这样一种循 环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而 不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任 何变化 .,第二定律的提

11、出,1 功热转换的条件第一定律无法说明.,2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可 逆性问题第一定律无法说明.,一 热力学第二定律的两种表述,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理,2020/8/2,42,等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它非循环过程.,卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理,2020/8/2,43,虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温 物体，但需外界作功且使环境发生变化 .,2 克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体自 动传到高温物体而不引起外界的变化 .,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理

12、,2020/8/2,44,1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结.,3 热力学第二定律可有多种说法，每一种说 法都反映了自然界过程进行的方向性 .,2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说 法具有等效性 .,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理,2020/8/2,45,准静态无摩擦过程为可逆过程,可逆过程 : 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态, 而不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程 .,二 可逆过程与不可逆过程,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理,2020/8/2,46,不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必

13、然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程 .,可逆过程的条件,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理,2020/8/2,47,自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .,热力学第二定律的实质,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理,2020/8/2,48,1） 在相同高温热源和低温热源之间工作的任 意工作物质的可逆机都具有相同的效率 .,三 卡诺定理,2） 工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率 .,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理,2020/8/2,

14、49,四 能量品质,可利用的能量越多，该能量品质越好，反之则差.,8 6 热力学第二定律的表述 卡诺定理,2020/8/2,50,1. 准静态过程 从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程 . 准静态过程在平衡态 p V 图上可用一条曲线来表示,摩尔热容：1mol理想气体温度升高1度所吸收的热量. （与具体的过程有关）,热力学小结,2020/8/2,51,理想气体内能变化与 的关系,热力学小结,2020/8/2,52,热力学小结,2020/8/2,53,6. 循环: 系统经过一系列状态变化后，又回到原来的状态的过程叫循环. 循环可用 pV 图上的一条闭合曲线表示.,热力学小结,2020/8/2,54,热力学第二定律的实质：自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .,热力学小结,2020/8/2,55,热力学小结,2020/8/2,56,8-7，8-8，8-10，8-12，8-16，8-18,热力学习题,2020/8/2,57,答：（ B