北京化工大學普通物理學8熱力學第一定律.ppt

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熱力學系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化的過程。,熱力學過程：, 3.1 準靜態(tài)過程 quasi-static process,熱力學系統(tǒng)：工作物質(zhì),（氣、液、固）,準靜態(tài)過程：,狀態(tài)變化過程進行得非常緩慢，以至于過程中的每一個中間狀態(tài)都近似于平衡態(tài)。,微小變化時間 馳豫時間,因內(nèi)燃機氣缸一次壓縮時間：10－2秒,則內(nèi)燃機氣缸壓縮近似為準靜態(tài)過程,無限緩慢：,弛豫時間：系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)所需時間,例. 氣缸氣體的弛豫時間～10－3s,…,10-2s,10-2s,對 “無限緩慢” 的實際過程的近似描述。,功的單位：J,膨脹 →dV ＞ 0，dA ＞ 0,壓縮 →dV ＜ 0，dA ＜ 0,系統(tǒng)體積由V1增大到V2，系統(tǒng)對外作功為:,→ 系統(tǒng)對外作功(正功),→外界對系統(tǒng)作功(負功),,一、 功（體積變化所做的功 ） 1. 功的表示式, 3.2 功 熱量 內(nèi)能,熱力學系統(tǒng)與外界傳遞能量的兩種方式:,,作功,傳熱,2. 功的圖示法：,(1) 曲線AB下的面積即表示系統(tǒng)在AB過程中作的功。,(2) 功是與過程有關(guān)的物理量。,??曲線AB下的面積,例：,二、熱量 Heat,是傳熱過程中所傳遞能量的多少的量度；,系統(tǒng)吸熱 ：,系統(tǒng)放熱 ：,三、內(nèi)能 Internal energy,實驗證明系統(tǒng)從 A 狀態(tài)變化到 B 狀態(tài)，可以采用做功和傳熱的方法，不管經(jīng)過什么過程，只要始末狀態(tài)確定，做功和傳熱之和保持不變 .,系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關(guān) .,理想氣體內(nèi)能 : 表征系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù) ,理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù) .,一般氣體：,1,外界僅對系統(tǒng)作功，無傳熱，則,絕熱壁,四、功與內(nèi)能的關(guān)系,2,絕熱過程,說明,,(1) 內(nèi)能的改變量可以用絕熱過程中外界對系統(tǒng)所作的功來量度；,(2) 此式給出過程量與狀態(tài)量的關(guān)系,五、 熱量與內(nèi)能的關(guān)系,外界與系統(tǒng)之間不作功，僅傳遞熱量,系統(tǒng),,說明,,(1) 在外界不對系統(tǒng)作功時，內(nèi)能的改變量也 可以用外界對系統(tǒng)所傳遞的熱量來度量；,(2) 作功和傳熱效果一樣，本質(zhì)不同,The first law of thermodynamics：系統(tǒng)在任一過程中吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能增量和系統(tǒng)對外作功之和。, 3.3. 熱力學第一定律,外界與系統(tǒng)之間不僅作功，而且傳遞熱量，則有,討論,微小過程,1、熱力學第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律 。它指出 第一類永動機是不可能制成的。,物理意義,第一類永動機：不需消耗內(nèi)能，也不需對系統(tǒng)傳熱，卻能不斷對外作功的機器。,2、此定律只要求系統(tǒng)的初、末狀態(tài)是平衡態(tài)，至于過程中經(jīng)歷的各狀態(tài)則不一定是平衡態(tài)。,結(jié)論：“要科學，不要永動機！”—焦耳,例題 一系統(tǒng)由圖所示狀態(tài)a沿acb到達狀態(tài)b，系統(tǒng)對外作功為126J，吸熱為336J。 (1) 若在adb過程中系統(tǒng)作功為42J，問此過程中系統(tǒng)是吸熱還是放熱？熱量是多少？ (2) 若系統(tǒng)從b態(tài)出發(fā)，沿ba曲線返回a態(tài)時，外界對系統(tǒng)作功為84J。問此過程中系統(tǒng)是吸熱還是放熱？熱量是多少？,3.4 熱容（Heat capacity）,一、熱容,單位：J/K,熱容是一個過程量。,三、理想氣體的摩爾熱容,二、摩爾熱容,單位：J/(molK),1、定體摩爾熱容,1mol物質(zhì)的熱容,,,2、理想氣體內(nèi)能公式（宏觀）,若過程中 CV,m = 常數(shù)，有,因定體摩爾熱容為,則對任意過程，理想氣體內(nèi)能為,理想氣體內(nèi)能與體積無關(guān)！,3、邁耶公式（理想氣體定壓和定容摩爾熱容的關(guān)系）,,證明：,物理解釋？,,4、比熱比：,5、經(jīng)典熱容：由經(jīng)典能量均分定理,,得,在絕熱過程中，內(nèi)能的增量仍為,3.5 絕熱過程 adiabatic process,特征：,根據(jù)熱力學第一定律：,系統(tǒng)在絕熱過程中始終不與外界交換熱量。,良好絕熱材料包圍的系統(tǒng)發(fā)生的過程,進行得較快，系統(tǒng)來不及和外界交換熱量的過程,,過程方程,對無限小的準靜態(tài)絕熱過程 有,,,,討論：,絕熱膨脹,——對外作功,——內(nèi)能減少,——溫度降低,絕熱壓縮,——外界作功,——內(nèi)能增加,——溫度升高,,絕熱過程的過程方程,(1) 從數(shù)學角度：,等溫線在A點的斜率為：,絕熱線在A點的斜率為：,(2) 從物理方面：,體積增加時，壓強降低,等溫：體積增加。,絕熱：體積增加,溫度降低。,從圖中看出：絕熱線比等溫線陡些。,微分,,過程曲線,絕熱過程中 ，理想氣體不吸收熱量，系統(tǒng)減少的內(nèi)能，等于其對外作功 。,絕熱過程中功的計算,絕熱自由膨脹,非準靜態(tài)過程，則PV g ＝C 不適用,服從熱力學第一定律，因 得,氣體經(jīng)絕熱自由膨脹，內(nèi)能不變！,【思考】溫度變嗎？,思考：,初態(tài)和末態(tài)溫度相同,真實氣體？,內(nèi)能還與體積有關(guān) 焦、湯實驗,,例題 1.210-2kg的氦氣（視為理想氣體）原來的溫度為300K，作絕熱膨脹至體積為原來的2倍，求氦氣在此過程中所作的功。如果氦氣從同一初態(tài)開始作等溫膨脹到相同的體積，問氣體又作了多少功？ 解：氦氣的摩爾質(zhì)量 Mm=410-3kg/mol, m = 1.210-2kg , T1= 300K , V2=2V1 , CV,m=3/2R , ? =1.67.,說明從同一初態(tài)開始膨脹相同體積，等溫比絕熱過程作的功多。,一 、 循環(huán)過程,循環(huán)過程的特征：內(nèi)能不發(fā)生變化。,如果系統(tǒng)從某一平衡態(tài)開始，經(jīng)過一系列的變化過程，又回到初始狀態(tài)，這樣的周而復始的變化過程稱為循環(huán)過程，簡稱循環(huán)。,熱力學第一定律,,3.6 循環(huán)過程 cyclical process,正循環(huán)(循環(huán)沿順時針方向進行),（系統(tǒng)對外作功）,,,,,,Ⅰ,Ⅱ,,Q1,Q2,a,b,根據(jù)熱力學第一定律，有,正循環(huán)也稱為熱機循環(huán),,,,二、正循環(huán)、逆循環(huán),熱機的效率：,,,,逆循環(huán)(循環(huán)沿逆時針方向進行),（系統(tǒng)對外作負功）,逆循環(huán)也稱為致冷循環(huán),,,,,,Ⅰ,Ⅱ,,Q1,Q2,a,b,,,,致冷機的致冷系數(shù)定義為：,致冷系數(shù)的意義：外界每消耗一個單位的功能從低溫熱源吸取多少熱量。,,,,重要說明： 在熱機、制冷機部分 由于實際中的需要或 說是習慣 無論是吸熱還是放熱一律取正值 則熱機效率和制冷系數(shù)寫成：,例題、1mol單原子氣體氖經(jīng)歷圖示循環(huán)求其效率,解:,吸熱,放熱,3.7 卡諾（Carnot）循環(huán)（1824）,卡諾循環(huán)：工質(zhì)只和兩個恒溫熱庫交換熱量的準靜態(tài)循環(huán)。,按卡諾循環(huán)工作的熱機—卡諾熱機,以理想氣體工質(zhì)為例，計算卡諾循環(huán)的效率,從高溫熱庫吸熱,向低溫熱庫放熱,因此,,卡諾循環(huán)的效率只由熱庫溫度決定：,以后將證明：在同樣兩個溫度T1和T2之間工作的各種工質(zhì)的卡諾循環(huán)的效率都由上式給定，而且是實際熱機的可能效率的最大值，即,令吸(放)熱為正(負)，上式為,其中 “?”:卡諾循環(huán)；“?”:不可逆循環(huán)。,“熱溫比”之和滿足:,討論,（1）這是完成一個循環(huán)所需的最少熱源（高溫熱源 和低溫熱源 ）,（2）提高熱機效率的途徑 或降低,（提高 ）,即熱機效率不能達到100%,（3）卡諾熱機的效率,實際上約30%！,例如：鄭州發(fā)電廠某臺機組,則其效率為,卡諾定理,1、在相同的高溫熱源和低溫熱源之間工作的任何工作物質(zhì)的可逆機，都具有相同的效率。,2、工作在相同的高溫熱源和低溫熱源之間的一切不可逆熱機的效率都不可能大于可逆熱機的效率。,這一定理指出要想提高熱機的效率，必須提高高溫熱源的溫度和降低低溫熱源的溫度；并使熱機盡量接近于可逆熱機。,實際最高效率：,例.熱電廠,按卡諾循環(huán)計算：,非卡諾循環(huán)、耗散（摩擦等）,原因：,3.8 致冷循環(huán),將待冷卻物體作為低溫熱源，反向進行熱機循環(huán)，可實現(xiàn)致冷循環(huán)。,,致冷機,Q2—追求的效果,A—付出的“成本”,致冷系數(shù)：對工質(zhì)做一份功可從低溫熱源提取多少份熱,所以，吸熱越多，做功越少，制冷機性能越好。,卡諾致冷機致冷系數(shù),思考題 試討論理想氣體經(jīng)下列兩圖中各個過程后，?E、?T、A 和Q 的正負：,,,,,,,,,,,,,,,,,熱力學第二定律,下次上課內(nèi)容：,謝謝大家,