热力学基础.ppt
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1、开尔文开尔文克劳修斯克劳修斯卡诺卡诺.电源电源R本章对热力学系统,从能量观点出发,本章对热力学系统,从能量观点出发,分析、说明热力学系统热、功转换的关分析、说明热力学系统热、功转换的关系和条件。系和条件。.内容内容一、热力学第一定律一、热力学第一定律二、气体摩尔热容二、气体摩尔热容三、绝热过程三、绝热过程四、循环过程四、循环过程 卡诺循环卡诺循环五、热力学第二定律五、热力学第二定律六、热力学第二定律统计意义六、热力学第二定律统计意义七、卡诺定理七、卡诺定理 克劳修斯熵克劳修斯熵八、小结八、小结.一、热力学第一定律一、热力学第一定律一、热力学第一定律一、热力学第一定律安徽工业大学应用物理系安徽工
2、业大学应用物理系.热力学过程热力学过程热力学过程热力学过程 热力学系统:热力学系统:在热力学中,一般把所研究的在热力学中,一般把所研究的物体或物体组称为热力学系统,简称系统。物体或物体组称为热力学系统,简称系统。热力学过程:热力学过程:热力学系统(大量微观粒子组热力学系统(大量微观粒子组成的气体、固体、液体)状态随时间变化的过程。成的气体、固体、液体)状态随时间变化的过程。A、非静态过程、非静态过程 系统从平衡态系统从平衡态1 1到平衡态到平衡态 2,经过一个过程,经过一个过程,平衡平衡态态 1 必首先被破坏,系统变为非平衡态,从非平衡态必首先被破坏,系统变为非平衡态,从非平衡态到新的平衡态所
3、需的时间为弛豫时间。到新的平衡态所需的时间为弛豫时间。当系统宏观变化比弛豫更快时,这个过程中每一当系统宏观变化比弛豫更快时,这个过程中每一状态都是非平衡态。状态都是非平衡态。B、准静态过程、准静态过程 当系统弛豫比宏观变化快得多时,这个过程中当系统弛豫比宏观变化快得多时,这个过程中每一状态都可近似看作平衡态,该过程就可认为是每一状态都可近似看作平衡态,该过程就可认为是准静态过程。准静态过程。在过程中每一时刻,系统都处于平衡态,这是在过程中每一时刻,系统都处于平衡态,这是一种理想过程。一种理想过程。热力学过程热力学过程热力学过程热力学过程当气体进行准静态膨当气体进行准静态膨胀时,胀时,气体对外界
4、作气体对外界作的元功为:的元功为:1、功、功 A系统对外作正功;系统对外作正功;系统对外作负功;系统对外作负功;系统不作功。系统不作功。活塞与汽缸无摩擦活塞与汽缸无摩擦PSdl功、热量、内能功、热量、内能功、热量、内能功、热量、内能.功的大小等于功的大小等于PV 图上过程曲图上过程曲线线P=P(V)下的面下的面积。积。功与过程的路功与过程的路径有关。径有关。PABV0.系统和外界温度不同,就会传热,或称系统和外界温度不同,就会传热,或称能量交换,热量传递可以改变系统的状态。能量交换,热量传递可以改变系统的状态。做功、传热都是过程量。做功、传热都是过程量。功、热量、内能功、热量、内能功、热量、内
5、能功、热量、内能2、热量、热量 Q3、内能、内能 E 热力学系统在一定的状态下,具有一定热力学系统在一定的状态下,具有一定的能量,称为热力学系统的的能量,称为热力学系统的内能内能。内能的变化只决定于出末两个状态,与所经内能的变化只决定于出末两个状态,与所经历的过程无关,即历的过程无关,即内能是系统状态的单值函数。内能是系统状态的单值函数。若不考虑分子内部结构,系统的内能就是系若不考虑分子内部结构,系统的内能就是系统中所有分子的热运动能量和分子间相互作用的统中所有分子的热运动能量和分子间相互作用的势能的总和。势能的总和。功、热量、内能功、热量、内能功、热量、内能功、热量、内能热力学第一定律热力学
6、第一定律法法卡诺,工程师,第一个把热与功联系卡诺,工程师,第一个把热与功联系起来。(起来。(34岁)岁)迈耶,医生,第一个作出热功当量的迈耶,医生,第一个作出热功当量的定量计算。(定量计算。(28岁)岁)德德焦耳,工业管理家,精确求出热功焦耳,工业管理家,精确求出热功当量的关系。(当量的关系。(25岁)岁)英英赫姆霍兹,生理学家。多方面论证赫姆霍兹,生理学家。多方面论证了能量转化和守恒定律。(了能量转化和守恒定律。(32岁)岁)德德.热力学第一定律:热力学第一定律:外外界界传传给给系系统统热热量量内内能能增增量量系系统统对对外外作作功功得到的得到的=留下的留下的+付出的付出的P、V、T 第一类
7、永动机第一类永动机不可能实现。不可能实现。.系统从外界吸热;系统从外界吸热;系统向外界放热;系统向外界放热;系统对外界做功;系统对外界做功;外界对系统做功;外界对系统做功;系统内能增加;系统内能增加;系统内能减少。系统内能减少。热力学第一定律,是包含热量在内的能量守恒定热力学第一定律,是包含热量在内的能量守恒定律。律。.对微小的状态变化过程对微小的状态变化过程 热力学第一定律适用于任何热力学系统热力学第一定律适用于任何热力学系统所进行的任意过程。所进行的任意过程。.一定量的理想气体经历一定量的理想气体经历acb过程时吸过程时吸热热500J,则经历则经历acbda过程时吸热为过程时吸热为?P(1
8、05Pa)V(10-3m3)abc1414de(A)-1200J(B)700J(C)-700J(D)1000J思路思路:.二、气体摩尔热容量二、气体摩尔热容量二、气体摩尔热容量二、气体摩尔热容量安徽工业大学应用物理系安徽工业大学应用物理系.气体的摩尔热容量气体的摩尔热容量热容量:热容量:(J K-1)摩尔热容摩尔热容Cm:当物质的量为当物质的量为1mol时的热容。时的热容。比热比热 C比比:当:当1Kg物质温度每升高物质温度每升高1摄氏所摄氏所吸收的热量。吸收的热量。(J K-1 kg-1)单位:单位:(J mol-1 K-1)单位:单位:.二、二、定压摩尔热容定压摩尔热容 等压过程,等压过程
9、,1摩尔摩尔物质温度升高物质温度升高1K时所吸收的热量时所吸收的热量 等容过程,等容过程,1摩尔摩尔物质温度升高物质温度升高1K时所吸收的热量时所吸收的热量一、一、定容摩尔热容定容摩尔热容.依据:依据:以及以及1、等体过程:等体过程:(1)特征:)特征:dV=0 dA=0(2)计算:)计算:系统从外界吸收的热量全部用来增加气体内能。系统从外界吸收的热量全部用来增加气体内能。三、三、热力学第一定律热力学第一定律对等体、等压和等温对等体、等压和等温过程过程的应用的应用.可见:可见:Cv只与自由度只与自由度i有关,与有关,与T无关。无关。对于理想气体:对于理想气体:任何过程任何过程.2、等压过程、等
10、压过程(1)特征:)特征:dP=0(2)计算:)计算:等压过程中,系统从外界吸热,一部等压过程中,系统从外界吸热,一部分用来增加气体内能,一部分用来对分用来增加气体内能,一部分用来对外作功。外作功。.迈耶公式迈耶公式说明:说明:在等压过程中,在等压过程中,1mol理想气体,温度升理想气体,温度升高高1K时,要比其在等体过程中多吸收时,要比其在等体过程中多吸收8.31的热量,用于对外作功。的热量,用于对外作功。.理想气体的热容与温度无关。这一结理想气体的热容与温度无关。这一结论在低温时与实验值相符,在高温时论在低温时与实验值相符,在高温时与实验值不符。与实验值不符。摩尔热容比:摩尔热容比:.3、
11、等温过程、等温过程:PV恒恒温温热热源源QTTP(1)特征:)特征:T不变。不变。dE=0(2)计算:)计算:.等温过程中,系统从外界吸热全部用等温过程中,系统从外界吸热全部用来对外作功。来对外作功。.分别计算分别计算A与与Q。(1)a b等温,等温,(2)a c等容,然后等容,然后c b等压,等压,例:有例:有1mol理想气体理想气体P(atm)V(l)abc22.444.812解:解:.三、绝热过程三、绝热过程三、绝热过程三、绝热过程安徽工业大学应用物理系安徽工业大学应用物理系.绝热过程绝热过程一、特征:一、特征:dQ=0二、二、绝热过程的功:绝热过程的功:.1、准静态准静态绝热过程的过程
12、方程绝热过程的过程方程对其微分得对其微分得:联立(联立(1)、()、(2),得:),得:理想气体状态方程理想气体状态方程(1)(2).将将 与与 联立得联立得:说明:说明:(3)、()、(4)、)、(5)式称为式称为绝热绝热方程,方程,但式中的各常数不相同。但式中的各常数不相同。.绝热线比等温线陡绝热线比等温线陡dT=0dQ=00VPA(1)、等温:、等温:A点的斜率:点的斜率:(2)、绝热:、绝热:A点的斜率:点的斜率:绝热线比等温线陡绝热线比等温线陡.绝热过程功:绝热过程功:压缩气体:压缩气体:T,E。气体膨胀:气体膨胀:T ,E。.一定量的理想气体在一定量的理想气体在PV图中的等温线图中
13、的等温线与绝热线交点处两线的斜率之比为与绝热线交点处两线的斜率之比为0.714,求,求Cv。解:解:由由例例2:.1mol理想气体的循环过程如理想气体的循环过程如TV图所示,图所示,其中其中CA为绝热线,为绝热线,T1、V1、V2、四个四个量均为已知量,则:量均为已知量,则:Tc=Pc=0VTABCT1T2V1V2例例3:.64g氧气,温度为氧气,温度为300K,体积为,体积为3l,(1)绝热膨胀到)绝热膨胀到12l(2)等温膨胀到)等温膨胀到12l,再等容冷却到同,再等容冷却到同一状态一状态试作试作PV图并分别计图并分别计算作功。算作功。解:解:例例4:Pa0VcbV1V2.若若1mol刚性
14、分子理想气体作等压膨胀刚性分子理想气体作等压膨胀时作功为时作功为A,试证明:,试证明:气体分子平均动能的增量为气体分子平均动能的增量为 ,其中其中NA为阿伏伽德罗常数,为阿伏伽德罗常数,为为0VPA12例例5:.四、循环过程四、循环过程四、循环过程四、循环过程 卡诺循环卡诺循环卡诺循环卡诺循环安徽工业大学应用物理系安徽工业大学应用物理系.一、循环过程一、循环过程1 1、系统经历一系列状态变化过程以后又回、系统经历一系列状态变化过程以后又回到初始状态。到初始状态。2、在在P-V图上图上,循环过程是一条闭合曲线。,循环过程是一条闭合曲线。0VP特征:特征:内能不变。内能不变。.顺时针循环(正循环)
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