大学物理 热力学 教学课件.ppt

1、同学们好,第三章 热力学基础,结构框图,第一节 热力学第一定律,一、热力学系统 外界,平衡态：无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为热力学平衡态。此时，状态参量有确定的值。,二、状态参量 平衡态,（1）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡,（2）平衡态和稳衡态 平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变 稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态,三、准静态过程,热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简称过程。按平衡性质分，热力学过程可分为：,非静态过程：至少有一个态是非平衡态的过程。,1.准静态过程,2.准静态过程的功,注意：非静态过程不适用,

2、示功图： p - V 图上过程曲线下的面积,结论：在准静态过程中，系统对外做的功在数值上等于P-V图上过程曲线下方的面积。,四、热力学第一定律,如果一个系统经过一个过程， 其状态的变化完全由于机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程。在绝热过程中外界对系统所做的功称为绝热功。 焦耳实验结果表明： 用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度， 所需的功在实验误差范围内是相等的， 如图所示。,1.焦耳实验,在绝热过程中，外界对系统所做的功仅取决于系统的初、末状态。,2、系统的内能 热量,（1）系统内能 E,狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能。,（2） 热量的计算,热量：物体间由于温度差别而

3、转移的能量,热量的传递称为传热。传热有三种方式： 热传导、对流、热辐射。,摩尔热容：,物质的比热容,摩尔热容：1摩尔物质在某一过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。,注意：热量也是过程量,等体摩尔热容：1摩尔理想气体在等容过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）,等压摩尔热容：1摩尔理想气体在等压过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）,3. A 与 Q 比较,3 热力学第一定律,准静态过程：,理想气体：,微变过程：,（1） 热力学第一定律的数学形式,第二节 热力学第一定律的应用,一、等容过程（ dV = 0 ，V = C ),（2） 热力学第一定律的

4、具体形式,（3）等体摩尔热容,吸热全部用于增加内能：,注意：,适用于一切过程,二、等压过程 ( dp = 0 p = C),（2）热力学第一定律的具体形式,（3）等压摩尔热容,由,可得,三、等温过程 ( dT = 0 T = C ),（2）热力学第一定律的具体形式,吸收的热量全部用于对外做功,（1） 过程方程,热力学第一定律,令,有,两边同除以,有,两边积分，得,过程方程的推导,（2）热力学第一定律的具体形式,*五、绝热线和等温线的比较,a.比较斜率,b.比较压强变化,使同一理想气体从相同初态压缩相同体积,*5. 多方过程(一般情况),小结：,练习1,答案：不可能发生的有: (1), (2),

5、 (3),例1.讨论理想气体在如图所示两过程中,T,E,A和Q的正负.,判定 的正负：,由图知:,例：有bmol理想气体，其定容摩尔热容为3R/2， 若按如图所示的无摩擦准静态过程由C状态变到 Z状态，求它对外所做的功和吸收的热量。,第三节 热力学第二定律,一、循环过程,1. 定义：系统经历一系列状态变化后又回到初始状态的过程叫循环过程。,参与循环的物质称为工作物质。,3. 正循环及其效率,净功,整个过程吸的净热,整个过程对外做的净功,d,和 取绝对值,由于,所以,热机的能量转换:,热机效率:,热机及其效率,热机：利用工作物质的正循环不断把热转化为功的装置。,实例：蒸汽机的循环,4. 逆循环及

6、致冷系数,和 取绝对值,由于,所以,外界对系统做的净功,注意：这里的Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量 衡量致冷的效力,致冷机及致冷系数,致冷机：利用工作物质的逆循环获取低温的装置。,致冷系数,实例：电冰箱,（1）高温热源与低温热源是相对的。,注意：对于热机和致冷机：,正循环中，把热量传递给工作物质的热源叫高温热 源；反之就是低温热源。逆循环与正循环正好相反。,（2）热量,逆循环,（3）功,正循环,逆循环,正循环,二、卡诺循环,18世纪末19世纪初，蒸汽机的效率很低，不能满足资本主义大工业的需要。提高热机效率，解决动力问题就成了当时的首要任务。法国工程师卡诺认为：“要最完整地研究由热得到

7、动力的道理，必须不依赖于任何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作”。在此思想的指导下，提出了一个十分重要的循环-卡诺循环。,1.卡诺循环及其特点：,卡诺正循环或卡诺逆循环 与两个恒温热源交换能量（两个等温过程） 2） 不与其它热源交换能量（两个绝热过程）,如何在 P-V 图中表示？,卡诺循环：工质只与两个恒温热源交换能量的循环过程。,卡诺循环过程：,正循环,逆循环,2. 理想气体的卡诺循环,1) 卡诺正循环的效率,等温过程：,绝热过程：,一般地，对于一个由 个分过程构成的循环有：,注意：,等

8、温过程：,2) 逆循环致冷系数,注意：,练习1:,20-16,解：1-2:,等温压缩,3-1:,练习2.,解：,(2)效率,(3) 与A内能相同的点必与A在同一条等温线上，而过 A 的 等温线必然与 CD 相交。设交点为F，则,所以，与A内能相同F点的状态为：,三、热力学第二定律,是否不违反热力学第一定律的过程就一定能发生？,1.自然现象的不可逆性,（1）可逆过程和不可逆过程,定义：,设系统经历,过程,自然界中存在大量不可逆过程：例如生物的生长发育过程、日月星辰的运行过程、化学反应过程等。,大量实验事实说明：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。,2.热力学第二定律的两种典型表述及其等效

9、性,从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限度。,* 不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。,* 单热源热机是不可能制成的。,*,1.开尔文表述 (K),注意理解：,热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功,热力学第二定律指出了热功转换的方向性, 热力学第二定律与能源危机,从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换 的方向和限度。,* 热量不能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。,2. 克劳修斯表述 (C ),注意理解:,3. 两种表述的等效性,用反证法证明后两项,可以证明，热力学第二定律的两种表述是完全等效的。, 假设K表述不成立。则存在单热源热机，可以将热量完全转化为功而不引起其它影响。建立如图联合循环，, 假设C不成立。则存在 A = 0 的致冷机，可以将热量从低温热源传向高温热源而不引起其它影响。建立如图联合循环,总效果：,二. 热力学第二定律的实质,从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律,溶解、扩散、生命