热力学第一定律

1、1,研究热力学的意义：,最早利用，应用最广的能源是热能。 从能量角度研究热力学过程服从的普遍规律： 涉及热现象的能量守恒普遍能量守恒 热力学第一定律 热力学过程的方向性 热力学第二定律 热能的最高利用效率； 能量的品质 ,2,第三章 热力学第一定律,准静态过程 功、热、内能 热力学第一定律 热容 绝热过程 循环过程和热机 致冷机 卡诺循环和卡诺机,3,弛豫时间： 系统由非平衡态趋于平衡态所需时间。 变化过程的时间驰豫时间 看作无限缓慢,物理上的“无限缓慢”,准静态过程： 过程中每一时刻可认为系统处于平衡态。,过程：经历状态的变化； “平衡态”：应不变 如何统一？ 过程进行“无限缓慢” “ 理想

2、化”,3.1准静态过程（ Quasi-staticprocess）,4,例1.气体的准静态压缩,过程时间1 秒,压缩所用时间为 1 秒 弛豫时间（ 10 -3 秒）。 过程中保持系统与外界的 压强差为 无穷小 。,10-3 秒,压缩: P由不均匀到均匀的弛豫时间,5,例2. 准静态传热,有限温差下的热传导， 非准静态过程！,无限小温差下的热传导 准静态过程!,状态图上准静态过程为连续曲线,系统T1和 外界T2为有限温差,保持系统与外界无限小温差,6,3.2 功、热、内能,一.做功和传热,作功和传热是系统与外界交换能量的两种方式；功、热量的大小是所交换能量的度量。,作功（机械功，电功）与分子的有

3、序运动相联系；传热：因系统与外界温度不同而引起，与分子无序运动相联系。,功A和热量Q不是状态量，而是过程量！,谈某状态的Q和A无意义； 初末状态确定后，Q和A还和经历的过程有关。,7,二. 准静态过程的体积功,微过程 系统对外作功（ 无摩擦时：,过程对外总功：,示功图,初末态相同，过程不同：过程曲线不同。,8,体现功与过程有关。,三.热量,微过程中系统从外界吸收的热量,0 表示系统从外界吸热 0 表示系统向外界放热,注意区分热量与热能（分子的无序运动能量）,积分与过程有关,9,定义：,四.内能,实验（焦耳）：绝热功值相同，与做功方式无关,*宏观上概念的建立： 封闭系统（与外界无质量交换）给定初

4、末态,10,内能E 态函数,*微观：气体动理论,理想气体内能,全部分子无序动能 （只与T有关）,11,3.3 热力学第一定律,*另一形式,普遍：作功、 传热兼有。,普遍能量守恒！,12,热力学第一定律的微分形式,适用条件：封闭系统 初、末态为平衡态 任意过程,*无限小过程,“第一类永动机” 不存在”,*Q, A 代数量！,只有体积功时：,13,N左N右，能拖动吗？,*重力永动机,（第一类）永动机能制成吗？,14,反射镜处弹性碰撞,*静电永动机,15,3.4 热容(Heat capacity),一.摩尔热容定义：,*C是过程量！,热容,摩尔热容,应用热一律讨论热容（量）,谈C必须指明相应的过程。

5、,例如：任意系统的绝热过程 C 0； 任意系统的相变过程（气、液、固态间的转换）温度不变 ，但吸放热，其C ,16,(1)定体摩尔热容,(2)定压摩尔热容,常用且最具实际意义的两种：,气体系统两种摩尔热容相差最大， 液体、固体系统两种摩尔热容相差甚微。,其值可由实验测定。,17,二.理想气体的摩尔热容和内能,(1)定体摩尔热容与内能的关系,数值上等于1摩尔理气温度升高1度内能的增量,18,结论：对经历 任意过程（包括非定体过程）的 n 摩尔理想气体,若在T1T2间CV 为常数,理想气体内能与定体摩尔热容的关系,内能增量,19,(2)定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系,CPCV 的物理解释。 证明

6、：（取定压微过程）,对理想气体有：,思考：为什么 液、固体的CP CV 相差很小？,20,比热比,(3)理气的经典热容： 由气体动理论，能量均分原理,分子 单 5/3 双 7/5 多 4/3,21,*经典能量均分定理的实验检验,经典热容量与T无关，但实验值与 T 有关。 常温下经典理论、模型与实验相符 量子理论：转动和振动能取分立值(量子化)， “高”温时才对热容量有贡献。,22,3.5 绝热过程(Adiabatic process),一.理想气体准静态,1.能量转换关系,系统对外界做功完全以消耗系统内能为代价,绝热过程：与外界无热交换的过程。,实际过程满足： “过程时间驰豫时间” 可看作 “

7、准静态” 绝热过程,23,g 为比热比,2. 绝热过程的过程方程,过程方程的导出：取微过程,24,热一律(绝热),状态方程,25,*绝热功的计算： P1V1（P2)V2,T2 T1,*过程曲线：,物理解释： V，A0 靠减少内能 E,T,绝热线比等温线陡,26,思考题：理想气体经历下述过程， 讨论吸热情况 。,27,二. 理想气体的绝热自由膨胀,(1)为非准静态过程：PVgC 不适用！ 无过程方程可言。 (2)能量转换关系： 绝热自由：Q=0, A=0 ；由热一律：E2=E1 理想气体：T末T初T,28,理想气体多方过程,过程中若相应摩尔热容 C为常量 有过程方程 PVn =常量,多方指数,C

8、此过程 的摩尔热容,概涵了各等值过程方程和绝热过程方程。 例如对绝热过程：C=0,n= 绝热方程,方程的导出：自己试试！,29,3.6 循环过程和热机、致冷机,一. 循环过程 系统(工质)经一系列变化回到初态的整个过程。 特征：系统 内能不变 DE =0,两类循环,30,实例：发电厂的热力循环,31,二.热机及其效率,A是系统对外做功， Q*是系统确实吸收的热量，即指 过程中Q0的热量 热机至少有两个温度不同的热源 （以后 证明）,热机效率定义,热源（热库）：与系统交换热量,一般温度不变,32,两热源热机的效率,适用条件,(1)两恒温热源 (2) 任意循环过程，其中 可包括非准静态过程。,33,3.7 卡诺（Carnot）循环和卡诺机,定义：只有 两个恒温热源 的准静态无摩擦循 环。是理想循环。 卡诺循环必然由“两个等温过程”和“两个绝热 过程”构成。,A,34,工质为理想气体的卡诺热机效率,证明：,35,36,卡诺热机的效率只由两热源