大学普通物理18热一律.pptx

本章主要内容本章主要内容18-118-118-118-1 功功 热量热量 热力学第一定律热力学第一定律18-218-218-218-2 准静态过程准静态过程18-318-318-318-3 热容热容18-418-418-418-4 绝热过程绝热过程18-518-518-518-5 循环过程循环过程18-618-618-618-6 Carnot 循环循环18-718-718-718-7 致冷循环致冷循环第第1页页/共共41页页第十八章第十八章 热力学第一定律热力学第一定律研究物质的热现象的理论有两个分支，即研究物质的热现象的理论有两个分支，即统计物理统计物理统计物理统计物理（统（统计力学）和计力学）和热力学热力学热力学热力学。热力学热力学宏观理论，用实验的方法研究宏观热力学系统宏观理论，用实验的方法研究宏观热力学系统（特别是气体）所遵循的基本规律。它分为平衡态热力学和非（特别是气体）所遵循的基本规律。它分为平衡态热力学和非平衡态热力学。平衡态热力学。本章主要介绍平衡态热力学理论的基础知识，即热力学第本章主要介绍平衡态热力学理论的基础知识，即热力学第一定律。它其实是能量守恒定律在热学中的形式。一定律。它其实是能量守恒定律在热学中的形式。与统计物理不同，热力学不涉及微观领域的分子原子的运与统计物理不同，热力学不涉及微观领域的分子原子的运动规律，但它的一些结果与统计物理的一致。动规律，但它的一些结果与统计物理的一致。第第2页页/共共41页页18-1 18-1 功功 热量热量 热力学第一热力学第一定律定律Work and Quantity of Heat 第第3页页/共共41页页功、热量、热力学第一定律功、热量、热力学第一定律实验表明：对一个热力学系统，可以通过外界对其实验表明：对一个热力学系统，可以通过外界对其做功做功的的方式改变系统的宏观状态。方式改变系统的宏观状态。宏观功：系统的边界发生宏观位宏观功：系统的边界发生宏观位移。移。如：压缩活塞使汽缸内气体压强如：压缩活塞使汽缸内气体压强和温度升高等。表现为宏观的机械能和温度升高等。表现为宏观的机械能转换为内能。转换为内能。外界对系统做的宏观功外界对系统做的宏观功简称为简称为功功功功。A 微观功：系统的边界未发生宏观位移。微观功：系统的边界未发生宏观位移。如：热锅（外界）如：热锅（外界）的分子通过不断碰撞对冷水分子做功。表现为外界的内能传递的分子通过不断碰撞对冷水分子做功。表现为外界的内能传递给系统（前提是温度不同给系统（前提是温度不同)。这。这种内能传递的过程称为种内能传递的过程称为热传递热传递热传递热传递，而所传递的能量叫而所传递的能量叫热量热量热量热量。Q Q第第4页页/共共41页页由上述知，做（宏观）功和热传递都可以改变热力学系统由上述知，做（宏观）功和热传递都可以改变热力学系统的内能。这三者的关系在热力学领域中就是：的内能。这三者的关系在热力学领域中就是：热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律：在一给定过程中，外界对系统做的功在一给定过程中，外界对系统做的功和传给系统的热量之和等于系统的内能的增量。和传给系统的热量之和等于系统的内能的增量。如果以如果以A表示过程中系统对外界做的功，由于表示过程中系统对外界做的功，由于A=A，则，则或或说明：说明：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体表现。它适合于任何热力学系统的任何热力学过程。现。它适合于任何热力学系统的任何热力学过程。Q 0 表示系统吸热，表示系统吸热，Q 0 表示系统对外做正功，表示系统对外做正功，A 0时，时，0，(dx 0)；系统对外界作正功。；系统对外界作正功。当当 dV 0时，时，0，(dx 1，绝热线绝热线比比等温线等温线更陡更陡证证第第21页页/共共41页页 例例 一定质量的理想气体，从初态一定质量的理想气体，从初态(p1,V1)开始，经过准静态绝热过开始，经过准静态绝热过程，体积膨胀到程，体积膨胀到V2，求在这一过程中气体对外做的功。设该气体的比热比，求在这一过程中气体对外做的功。设该气体的比热比为为 。解：由解：由Poisson方程，有方程，有由热力学第一定律，有由热力学第一定律，有第第24页页/共共41页页 例例3 3 设有摩尔数为设有摩尔数为 n 的理想气体，定体摩尔热容和定压摩尔热容为的理想气体，定体摩尔热容和定压摩尔热容为 CV 和和 Cp(g=CV/Cp)，其初态和终态的状态参量用，其初态和终态的状态参量用(p1,V1,T1)和和(p1,V1,T1)表表示。示。试完成下列表格（所有过程均为准静态）：试完成下列表格（所有过程均为准静态）：过程方程过程方程等体等体过程过程等压等压等温等温绝热绝热第第25页页/共共41页页 气体的自由膨胀过程气体的自由膨胀过程 2.2.绝热自由膨胀和绝热节流过程绝热自由膨胀和绝热节流过程绝热自由膨胀和绝热节流过程是非准静态的绝热过程。绝热自由膨胀和绝热节流过程是非准静态的绝热过程。绝热壁绝热壁对于理想气体：对于理想气体：E=E(T)，有，有 T1=T2。对于实际气体：对于实际气体：E=E(T)？气体的绝热节流过程气体的绝热节流过程多孔塞多孔塞节流阀节流阀 通过节流过程，实际气体温度通过节流过程，实际气体温度改变的现象叫改变的现象叫Joule-ThomsonJoule-Thomson效应。效应。正正 J-T效应：即节流后气体温效应：即节流后气体温度降低。以此来掷去液态度降低。以此来掷去液态 CO2、空、空气等气等。第第26页页/共共41页页18-5 18-5 循环过程循环过程Cyclic Process第第27页页/共共41页页 所谓所谓热机热机热机热机（Engine）就是把热量转化为有用的功的装置。）就是把热量转化为有用的功的装置。热机中必须有热机中必须有工作物质工作物质工作物质工作物质（即热力学系统），靠工作物质从热（即热力学系统），靠工作物质从热源吸收热量，再利用系统的体积膨胀对外做功。源吸收热量，再利用系统的体积膨胀对外做功。蒸汽机的水蒸汽机的水蒸气、内燃机的雾化的燃油和助燃气体混合物等。蒸气、内燃机的雾化的燃油和助燃气体混合物等。循环过程循环过程循环过程循环过程系统（即工作物质）经历一系列变化后回系统（即工作物质）经历一系列变化后回到初始状态的整个过程。到初始状态的整个过程。热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发展起来热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发展起来的。的。热机（蒸汽机）热机（蒸汽机）工作原理图：工作原理图：泵泵锅炉锅炉汽缸汽缸冷凝器冷凝器水箱水箱第第28页页/共共41页页 准静态的循环过程在准静态的循环过程在 p-V 图上的表示：图上的表示：对于正循环，闭合曲线的面积表对于正循环，闭合曲线的面积表示示净功净功净功净功 A。正循环的一般特征如图，。正循环的一般特征如图，因此因此 A=Q1-Q2（净吸热）净吸热）正循环正循环顺时针（热机）顺时针（热机）逆循环逆循环逆时针（致冷机）逆时针（致冷机）低温热库低温热库高温热库高温热库其中其中 Q1=|Q1|吸热吸热（从高温热库）（从高温热库）Q2=|Q2|放热放热（向低温热库）（向低温热库）A 0 A 0冰箱原理示意图：冰箱原理示意图：abcd散热器散热器高高压压缩缩机机蒸发器蒸发器冷库冷库节节流流阀阀 Q1Q2第第37页页/共共41页页以理想气体为工作物质的准静态以理想气体为工作物质的准静态 Carnot 逆循环的致冷系数：逆循环的致冷系数：定义：定义：致冷系数致冷系数致冷系数致冷系数 w w实例：冰箱（致冷），空调机（致冷、致热实例：冰箱（致冷），空调机（致冷、致热热泵）热泵）制冷剂一般为氨制冷剂一般为氨室内作为高温热库，室室内作为高温热库，室外作为低温热库。外作为低温热库。证明略证明略第第38页页/共共41页页本章结束本章结束The End of This Chapter第第39页页/共共41页页第第40页页/共共41页页第第41页页/共共41页页