《热学教程》第2 章热力学第一定律

1、1,当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个热力学过程，简称过程。,例如，在推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积，密度，温度或压强都将变化，在过程中的任意时刻，气体各部分的密度，压强，温度都不完全相同。此过程叫非静态过程,热力学系统：大量分子组成的宏观物质系统。,热力学系统,第2 章 热力学第一定律,2.1 热力学系统的过程,系统经历一个过程，状态发生变化，系统一定经历非平衡态,平衡态,每一时刻系统都无限接近于平衡态的过程。,由一系列依次接替的平衡态组成。,对 “无限缓慢” 的实际过程的近似描述。,为利用平衡态性质，引入准静态过程或平衡过程：,准静态过程,微小变化时间 驰豫时间,因内

2、燃机气缸一次压缩时间： 102 -101秒,则内燃机气缸压缩近似为准静态过程,无限缓慢：,弛豫时间：系统由非平衡态趋于平衡态所需时间,例. 气缸气体的弛豫时间103s,10-2s,10-2s,4,无摩擦准静态过程，设活塞与汽缸没有摩擦力，外界在准静态过程中对系统的作用力，可以用系统本身的状态参量来表示。 当气体作准静态压缩或膨胀时，若活塞与汽缸无摩擦，外界的压强Pe必等于此时气体的压强P，否则系统在有限压差作用下，将失去平衡，变为非静态过程。,准静态过程是一种理想的热力学过程。,准静态过程可用状态曲线表示,6,气体无摩擦准静态膨胀的功:,气体对外界做的功：,2-2 功,7,例 2-1 理想气体

3、准静态等温膨胀做的功,【思考】如何实现这一准静态过程？,8,等温膨胀 ，做正功；,等温压缩 ，做负功。,功不仅与系统的始、末状态有关，而且与所经历的过程有关。功是一个过程量。,10,绝热系统作功可改变系统的状态,绝热功的基本特征：,与所经历的过程无关，只与系统的始、末状态有关,2-3 系统的内能 热量,一. 内能,11,“内能”的一个可操作的定义,即以绝热方式做功，外界所做的“绝热功”等于系统内能的增量,U2 - U1 = - A绝（绝热过程）,内能是状态函数，与系统的始、末状态有关,某一过程，系统与外界绝热（无热量交换）对外界做功 A绝，由绝热功的特征可定义：,U1 ，U2 是系统始，末态的

4、内能,12,过程中保持不变的能量不必计入内能,温度不太高时，不考虑分子内部原子结合能，核能。,核能 106 eV，,分子原子结合能 1eV,1eV 热能相当温度 104 K,分子热运动的动能,分子间势能,分子内部原子结合能，核能,系统的内能微观解释,理想气体内能只与温度有关,13,传热条件：系统和外界温度不同，且不绝热。,微观本质：分子无规则运动能量从高温物体向低温物体传递。,即系统吸热或放热会使系统的内能发生变化。,除功外，传热也可改变系统的状态,二、热量,14,即在不对系统作功的传热过程中，系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量,“热量”的一个可操作的定义,Q = U2 - U1（无功过程

5、）,某一过程，外界对系统不做功，系统内能从初始态 U1 变为 U2 ，定义系统从外界吸热量 Q为：,传热与过程有关，热量也是一个过程量。,2-4 热力学第一定律,对于任何宏观系统的任何过程，系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和,规定：,系统对外界做功A0，外界对系统做功A0，放热Q0，温度降低U2-U10,16,第一类永动机：系统不断地经历一系列状态变化而仍回到初始状态（U2-U1=0），同时在这过程中，无需外界任何能量的供给，却能不断地对外作功。,能量守恒定律另一表述：第一类永动机是不可能的.,热力学第一定律是涉及热现象的能量守恒定律的表述,二 能量转化与守恒定律,17

6、,例 : 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）气体对外做的功； （2）气体内能的增加； （3）气体吸收的热量； (1atm=1.013105Pa).,18,实验结果：,水温不变,焦耳实验(1845),打开活门C，让气体向真空中自由膨胀。测量膨胀前后水温的变化。,验证了理想气体的内能与体积无关,只与温度有关。,但水的热容比气体的大得多，焦耳实验中气体温度变化不易测出。,绝热壁,2-5 理想气体内能 热容,一. 理想气体内能 焦耳实验,单位：J/K,二 理想气体的热容,1. 热容 摩尔热容,21,摩尔热容:,单位：J/(molK),1mol物质的热容

7、,理想气体的定体摩尔热容,理想气体的定压摩尔热容,理想气体内能与体积无关！,2、理想气体的定体.定压摩尔热容的关系,1）理想气体的定体摩尔热容,理想气体内能公式,若过程中 CV,m = 常数，有,因定体摩尔热容为,则对任意过程，理想气体内能为,2) 理想气体定压摩尔热容,迈耶公式,25,气体体积保持不变 ，等体过程中的功 A=0,在P-V图上，每一个等体过程对应一条垂直于V轴的直线。,1、等体过程,由热力学第一定律得,理想气体内能变化为,2-6 热力学第一定律对理想气体的应用,一、V,P,T分别保持不变的过程,整个过程无限缓慢 系统经历的是一个准静态传热过程。,系统温度从T1T2：,等体等压准

8、静态过程分析,27,2.等压过程,系统压强保持不变 等压过程中的系统对外作的功,吸收的热量为:,由热力学第一定律：,由此可证明：,28,3. 等温过程,理想气体等温传热准静态过程分析,29,理想气体内能不变，吸收的热量等于系统对外作的功：,理想气体做的功：,理想气体准静态等温膨胀,二. 理想气体的绝热过程,系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程，称为绝热过程。,如何实现绝热过程 ？,1)、用理想的绝热壁把系统和外界隔开。,2)、过程进行得很快，以至于系统来不及与外界进行显著的热交换。,例.内燃机气缸内气体的膨胀、压缩；,空气中声音传播引起局部膨胀或压缩。,理想气体准静态绝热过程,热传导时间

9、过程时间 驰豫时间,1、在准静态绝热过程中，理想气体的状态参量满足下面关系：,状态方程：,由热力学第一定律：,32,由（a）（b）消去dT可得：,用CV,m , V,P 除上式得：,既泊松公式,绝热方程的推导,将 式两边微分得：,33,g 比热比常数; C1、C2、C3 常数。,等温膨胀：内能不变（ 吸的热全做功） 绝热膨胀：系统不吸热，对外做功，内能减小 温度降低，T1 T2 ，p1p2.,2、理想气体的绝热线比等温线陡,3、准静态绝热过程理想气体对外做的功,36,n=1 等温过程 n= 绝热过程 n=0 等压过程 n= 等容过程,三、多方过程,1.多方过程的过程方程 理想气体的实际过程，常

10、常既不是等温也不是绝热的，而是介于两者之间的多方过程,PV n =常量 （n 称为多方指数）,一般情况 1 n ，多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。,37,2. 多方过程理想气体对外做的功：,证明：对状态方程和过程方程求微分,3. 多方过程理想气体摩尔热容：,热力学第一定律：,38,理想气体在各种过程中的重要公式,2-7 循环过程,一、循环过程,系统(工质)经一系列变化回到初态的整个过程。,工质复原，内能不变D U = 0,循环过程的特征：,40,如果循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用闭合曲线表示：,正(热)循环,逆(致冷)循环,系统对外界做净功A,外界对系统做净功A,A = Q

11、吸Q放,Q吸= Q放A,二 正循环的效率,效率：在一次循环中，工质对外做的净功占它吸收的热量的比率,工质经历循环是任意的，包括非准静态过程。,三 致冷循环,将待冷却物体作为低温热源，反向进行热机循环，可实现致冷循环。,Q2追求的效果,A付出的“成本”,致冷系数：对工质做一份功可从低温热源提取多少份热,43,例2-9：一定量的理想气体经历如图所示的循环过程。AD、BC是绝热过程。 AB、CD是等压过程. 试求此循环的效率? 已知,解：分析,AD、BC是绝热过程吸、放热仅在AB、CD,44,AD、BC是绝热过程,45,2-8 技术上的循环实例,一 . 内燃机,吸气过程,压缩过程,作功过程,排气过程

12、,1. 定体加热循环-奥托 (Otto)循环,46,四冲程汽油内燃机,四冲程汽油内燃机采用奥托循环(Otto),47,汽油机效率计算,1-2 , 3-4 是绝热过程，由泊松公式,48,由泊松公式化简,49,Otto 循环效率与压缩比,比热比的关系,50,2. 定压加热循环-狄塞尔(Diesel)循环,51,(1)吸气过程 01,(2)压缩过程 12,(3)作功过程 23,(4)排气过程 41,四冲程柴油内燃机采用狄塞尔循环 (Diesel),52,柴油机效率计算,53,1-2 , 3-4 是绝热过程由泊松公式,54,Diesel 循环效率与压缩比,定压膨胀比的关系,Diesel 循环效率,55

13、,家用电冰箱工作原理图,二 电冰箱和空调机,56,冬季,使被压缩的蒸汽先通过室内换热器经凝结而向室内空气(高温热源)放热,然后变成低压液体通过室外换热器经蒸发而从室外空气(低温热源)吸热,把设备用作热泵,给室内供热.,空调机工作原理,逆向循环也可用于一种称为热泵的供热装置，热泵与致冷机的原理相同,只是用于不同的目的。后者是从低温热源吸热使其致冷,前者则用于给高温热源供热.空调机就是集两种用途于一身的设备.,57,例 2-10 逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示，该循环由四个过程组成，先把工质由初态 c 等温压缩到 d 状态，再等体降温到 a 状态，然后经等温膨胀达到 b 状态，最后经等体升温回到初态 c ，完成一个循环。试求该致冷循环的致冷系数。,bc、da 是等体过