热力学第一定律热力学第二定律.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 热力学第一定律,1,1.热力学系统：,热力学研究的对象称为热力学,系统（研究气体系统），其它均称为外界。,一、基本概念,2.热力学过程:,状态随时间变化的过程,（1）,按过程中经历的各个状态的性质分类:,准静态过程（平衡过程）：初态、每个中间态、终态,都可近似地当作是平衡态的过程。,非静态过程（非平衡过程）：只要有一种状态不是平衡 态，整个过程就是非静态过程。,2,（2）按过程的特性分类:,等容过程：,d,V,=0,等压过程：,d,P,=0,等温过程：,d,T,=0,绝热过程：,d,Q,=0，,Q,=0,循环过程：,d,E,=0,E,终态,=,E,初态,3,PV 图上一条线，表达一种平衡过程。,PV 图上一种点，表达一种平衡状态。,3过程曲线,变化内能的办法,外界对系统,作功,（或反之）。,外界对系统,传热,（或反之）。,4功、热量、内能,P,V,非平衡态，非平衡过程不能在PV 图上表达！,4,二、功（准静态过程的功）,特点：,（不仅与始末两态有关，并且,与经历的中间过程有关）,过程量,气体对外界所做的,元,功,气体体积从V,1,变化到V,2,时，系统对外界,做的,总,功,5,外界对系统作功，A为负。,1,0,此过程所作的功反映在 P-V图,上，就是曲线下的面积。,1,V,2,V,1,2,系统对外界作功，A为正。,2,0,上图：系统对外界作了功，系统的状态,变了，内能也变了。,“功”,是系统,内能变化,的量度，,P,V,dV,符号法则：,注意：,功,不仅与初、末态有关，还与过程有关,是,过程量,。,6,三、热量,特点：,过程量,（有不同的摩尔热容量）,系统吸热，Q为正。,系统放热，Q为负。,符号法则：,（不同的过程有不同的热量）,摩尔热容量,C,m,：,一摩尔物质温度升高1K时系 统从外界吸取的热量。,7,四、内能,状态量,特点：,(只与始末两态有关，与中间,过程无关),气体的,内能,8,10 作功和传热对变化系统的内能效果是同样的。,（要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）,2,0,国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（J）。,（1卡=4.18 焦耳),3,0,功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身不 是内能。,内能：,态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。,功、热量：只有在状态变化过程中才故意义，状态不 变，无功、热可言。,注意,：,9,五、,热力学第一定律,微分形式,积分形式,1.数学表式,10,2.热力学第一定律的物理意义,（1）,外界对系统所传递的热量,Q,一部分用于,系统对外作功,，一部分,使系统内能增加,。,（2）热一律是涉及热现象在内的能量转换和守恒,定律。,问：经一循环过程,不要任何能量供应,不停地对外作功，,或较少的能量供应，作较多的功行吗？,第一类永动机是不可能制成的！,热一律可表述为：,热一律的合用范畴：任何热力学系统的任何,热力学过程。,注意：,11,3.热力学第一定律对抱负气体等值过程的应用,对平衡过程计算:,根据：,12,1.等容过程,（1）特性：V=恒量，dV=0，,参量关系:P/T=恒量,（2）,热一律表式：,对有限变化过程,系统吸取的热量全部用来增加系统本身的,内能。,意义：,13,（3）定容摩尔热容：1摩尔气体在等容过程中，,温度升高（或减少）1K所吸取（或放出）,的热量。,单原子分子,双原子分子,多原子分子,14,（4）,内能增量：,等容过程,（合用于任何过程）,15,2.,等压过程,（1）特性：P=恒量，dP=0，,参量关系:,（2）,热一律表式：,作功：,内能增量：,意义：系统吸取的热量，一部分对外作功，一部分增加本身的内能。,16,（3）定压摩尔热容：1摩尔气体在等压过程中，,温度升高（或减少）1K所吸取（或放出）,的热量。,（迈耶公式）,17,比热容比,单原子分子,双原子分子,等压过程,多原子分子,18,3.,等温过程,（1）特性：T=恒量，dT=0，dE0,参量关系：PV=恒量,（2）,热一律表式,意义：系统吸取的热量全部用来对外作功。,功：,19,等,温,过程,20,4.,绝热过程,（1）特性,参量关系（泊松方程）,（2）,热一律表式,绝热,21,意义：,当气体绝热膨胀对外作功时，气体内能,减少。,功：,内能变化：,绝热膨胀靠的是内能减少。,（温度减少）,（2）,（1）,22,推导绝热方程：,（用第一定律,微分,形式）,23,24,绝热过程方程（泊松方程）,（3）,“绝热摩尔热容”,25,等温线,斜 率,绝热线,斜 率,（4）,绝热线,与,等温线,的比较,26,结论,：,绝热线比等温线,陡峭,同一点 斜率之比,绝热,等温,27,过程 特性 参量关系 Q A E,等容,等压,等温,绝热,V,常量,P,常量,T,常量,P,/,T,=常量,V,/,T,=常量,PV,=常量,常量,常量,常量,=,=,=,g,-,-,g,-,g,g,T,P,T,V,PV,1,1,28,例1（4346）试证明 刚性分子抱负气体,作等压膨胀时，若从外界吸取的热量为,Q，则其气体分子平均动能的增量为,Q/(NA),式中为比热容比。,证明:,抱负气体分子平均动能的增量,29,对等压过程,一摩尔刚性分子,抱负气体,30,例2（4694）某抱负气体在P-V图上等温线与绝热线相交于A点，如图，已知A点的压强P1=2105Pa，体积V1=0.510-3m3，并且A点处等温线斜率与绝热线斜率之比为0.714，现使气体从A点绝热膨胀至B点，其体积V2=110-3m3。求,（1）B点处的压强,（2）在此过程中气体对外作的功,31,解：,（1）B点处的压强,由绝热过程方程,32,（双原子分子）,33,（2）在此过程中气体对外作的功,34,例3（4693）如图所示，一种四周用绝热材 料制成的气缸，中间有一固定的用导热 材料制成的导热板C把气缸分成A、B两 部分。D是一绝热的活塞。A中盛有 1mol氦气，B中盛有1mol氮气（均视为 刚性分子的抱负气体）。今外界缓慢地 移动活塞D，压缩A部分的气体，对气体作,功为A，试求在此过程中B部分气体内能的,变化。,氦气,氮气,35,解：,取（A+B）两部分的气体为研究系统，,在外界压缩A部分气体、作功为A的过程,中，系统与外界交换的热量,氦气,氮气,36,因此A、B两部分气体的温度,始终相似。,系统内能的变化为,氮气,氦气,C是,导热板,，,即：,37,例4（4313）一定量的抱负气体，从P-V图,上初态a经历（1）或（2）过程达成末,态b，已知a、b两态处在同一条绝热线,上（图中虚线是绝热线），问两过程中,气体吸热还是放热？,（A）（1）过程吸热 （2）过程放热,（B）（1）过程放热 （2）过程吸热,（C）两种过程都吸热,（D）两种过程都放热,（1）,（2）,38,（1）,（2）,解：,由于气体膨胀，,内能,增量,与过程无关，只与始末两态有关。,放热,吸热,（B）对,39,补充作业（4692）如图所示，C是固定的绝热壁，,D是可动活塞，C、D将容器分成A、B两部分。,开始时A、B两室中各装入同种类的抱负气体，,它们的温度T、体积V、压强P均相似，并与大,气压强相平衡。现对A、B两部分气体缓慢地,加热，当对A和B予以相等的热量Q后来，A室,中气体的温度升高度数与B室中气体的温度升,高度数之比为7:5。求:,40,（1）求该气体的定容摩尔热容CV和定压摩,尔热容CP,（2）B室中气体吸取的热量有百分之几用于,对外做功？,41,练习（4692）解答,A室气体经历的 是过程,B室气体经历的是 过程,等容,等压,依题意有：,42,解得：,又,（2）,43,六、循环过程及卡诺循环,1.,循环过程：,物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样,周而复始,的变化过程称为循环过程，简称为循环。,过程按,顺时针,进行叫,正,循环，反之，叫逆循环。,（1）特性 dE=0,E=0,（3）热功计算：按各不同的分过程进行，总合起来求得,整个循环过程的净热量、净功（两者相等）。,（2）通过多个平衡过程组合起来实现。,44,(,1,),热机,运用工作物质持续不停地把热转化为功,的装置。,2.热机 致冷机,什么过程能将热能变成功？,等压,等温,绝热,什么过程最佳？,0,事实上，仅仅等温过程是不行的！,系统从外界,吸取的热量,系统对外界,所作的,净功,热,功,45,热机循环,运用工作物质持续不停地把热转化为功的循环。,热,机循环的循环箭头是,顺,时针的,（,正,循环）,系统对外界所作的,净功,=,循环,曲线包围的,面积,是正循环,以确保,46,热机循环效率,（2）致冷机：将热机的工作过程反向运转（逆,循环），就是致冷机。,热机效率：,（Q,1,Q,2,为绝对值）,T,1,T,2,热机,Q,1,A,Q,2,投入,产出,47,致冷机,通过对系统做功，从而从,低,温热源,吸取,热量的装置。,致冷机循环,（,逆,循环）,热,系统吸取的,热量,功,外界对系统,所作的,净功,致冷,机循环的循环箭头是,逆,时针,运用工作物质持续不停地把功转化为热,的循环。,外界对系统所作的,净功,=,循环,曲线包围的,面积,48,制冷机制冷系数,T,1,T,2,致冷机,Q,1,A,Q,2,投入,产出,制冷系数：,49,卡诺循环是由两个等温过程和两个,绝热过程相间构成,特点：,3.卡诺循环,1824年28岁的工程师卡诺提出最抱负的循环,50,卡诺,热,机循环,蓝色,等温线,红色,绝热线,（1）1,2，等温膨胀（）,特点：,系统从外界,吸,热,系统对外界作功,Q,吸,T,1,T,2,膨胀,51,（2）2,3，,绝热膨胀,过,程，温度下降至,低,温热源温度,特点：,系统对外界作功,膨胀,52,（3）3,4，,等温压缩,（）,特点：,外界,对,系统,作功,系统向外界,放,热,Q,放,被压缩,53,（4）41，绝热压缩过程，,经此过程，系统回到,原来状态，完毕一种,循环。,特点：,外界,对,系统,作功,被压缩,54,一种循环完毕：,系统对外界作的,净功,系统内能增量,系统从外界吸取的净热量,系统从外界吸取的净热量,=,系统对外界做的,净功,55,热机的工作原理,系统所吸取的热量，不能全部用来对外作净功，必须有一部分传给冷源，才干进行循环。,T,1,T,2,净,卡诺,热,机循环效率,56,1,0,卡诺热机的效率只与,T,1,、,T,2,有关，与工作物无关。,2,0,不可能,讨论,57,卡诺,制冷,机循环,（1）14，,绝热膨胀,过程，,系统温度下降至,低,温,热源温度,（2）4,3，等温,膨胀,（）,系统,吸,热,58,（3）3,2，,绝热压缩,过,程，温度上升到,高,温热源,（4）21，等温压缩（）,经此过程，系统回到,原来状态，完毕一种,制冷循环。,系统,放,热,59,卡诺,制冷,机制冷系数,卡诺致冷机,原理：,工作物质从低温热源吸热，又接受外界所作的功，向高温热 源放出热量。,T,1,T,2,卡诺,制冷,机循环,60,例.一定质量的抱负气体循环过程分析Q、A 的正负,12：等压，升温,23：等温，升压,31：,等容、降温,大,大,小,小,小,大,小,大,61,七、可逆过程和不可逆过程,在某过程 ab 中系统由 a态 b态。如能使系统由 b 态回到 a 态，周边一切也各自恢复原状，那么，a b 过程称为可逆过程。,1.可逆过程,2.不可逆过程,如1.所述，若系统恢复不了原态，ab就是不可逆的。若系统恢复了原态却引发了外界的变化ab也是不可逆的。,例：,（1）,功变热的过程,（2）,热量从高温物体传到低温物体的过程,（3）,气体的自由膨胀过程,（4）,水自动地从高处向低处流。,（5）,生命过程,P,V,b,a,62,“”号表达T1、T2间的不可逆卡诺机。,“=”号表达T1、T2间的可逆卡诺机。,3.卡诺定理,可逆机：由可逆循环构成的热机。,“一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的”！,63,八、热力学第二定律,（1）开尔文描述：不可能制成一种,循环动作,的热机，只从单一热源吸取热量，使之,完全变为有用的功而不产生其它影响。,或：第二种永动机是不可能造成的。,（2）克劳修斯描述：,热量不能自动地从低温物体传向高温物体。,64,