热力学基础学习课件PPT电子教案.ppt

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1、雪花的形状与天空中的温度有关,3 8 针状,8 25 六角形或扇形,低于 30 凝成一簇一簇的棱柱，几个晶亮的棱柱聚在一起，就成为一朵美丽的雪花了。,蟒蛇的眼睛和鼻孔之间有能够感知温度变化的器官,金属和碳,可见光,暗红、赤红、黄、白、蓝白,第7章 热力学基础,本章内容：,7. 1 热学的研究对象和研究方法,7. 2 平衡态 理想气体状态方程,7. 3 功 热量 内能 热力学第一定律,7. 4 准静态过程中功和热量的计算,7. 5 理想气体的内能和 CV 、Cp,7. 6 热力学第一定律在典型准静态过程中 的应用,7. 7 绝热过程,7. 8 循环过程,7. 9 热力学第二定律,7. 10 可逆

2、与不可逆过程,7. 11卡诺循环 卡诺定理,7.1 热学的研究对象和研究方法,热学:,研究热现象的理论,宏观量,微观量,描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、熵等。,描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。,宏观理论（热力学）,微观理论（统计物理学）,热力学验证统计物理学,统计物理学揭示热力学本质,观察和实验,力学规律,统计平均方法,热力学,统计物理学,7.2 平衡态 理想气体状态方程,热力学系统,热力学所研究的具体对象,简称系统。,系统是由大量分子组成,如汽缸中的气体。,7.2.1 气体的状态参量,温度T 、压强p、体积V,温度是热力学所特有的,热力学温标T（与

3、测温物质无关）,状态参量,描写系统运动状态的物理量,水的三相点:,温标,单位：开尔文 （K）,摄氏温标 t,7.2.2 平衡态,宏观性质不变,不受外界影响,在没有外界影响的情况下,系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。,说明,(1) 不受外界影响是指系统与外界没有能量和粒子交换。如：,两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态,而不是平衡态；,处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度变化,但它是平衡态。,低温T2,高温T1,(3) 平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值 ( p, V, T ) 表示。,(4) 平衡态是一种理想状态。,(2) 平衡是热动平衡。,7.2.3 理想气体的状态方

4、程,气体的状态方程,其中,理想气体的状态方程,（克拉珀龙方程）,混合气体的理想气体的状态方程,(1) 理想气体的宏观定义。,(3) 实际气体在压强不太高,温度不太低的条件 下, 可当作理想气体处理。,说明,(2) 状态方程只与状态有关, 与过程无关。,系统的一个平衡态可在 ( p, V ) 上可用一 个点表示。,7.3 功 热量 内能 热力学第一定律,7.3.1 功 热量 内能,1. 功与内能的关系,对系统作绝热功：,结论：若初末态一定,则 绝热功相同。,1,2,内能:系统中存在一种与热运动状 态相关的能量内能。,内能是系统状态的函数,2. 热量与内能的关系,T,传递热量亦可以改变热力学系统的

5、状态,热量是物体之间存在温差时传递的内能,内能是系统状态的单值函数， E=E（状态）, 是状态量。,(2) 功和热量是过程量, 不属于任何系统。,(3) 功和热量的比较。,说明,7.3.2 热力学第一定律,外界与系统之间不仅作功, 而且传递热量, 则有,系统从外界吸收的热量,一部分使其内能增加,另一部分 则用以对外界作功。( 热力学第一定律),系统吸热 ：,系统对外作功 ：,；外界对系统作功 ：,；系统放热 ：,对于无限小的状态变化过程,热力学第一定律可表示为,(2) 第一类永动机是不可能实现的,这是热力学第 一定律的另一种表述形式。,热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的 能量守恒与转换定

6、律。,说明,7.4 准静态过程中功和热量的计算,7.4.1 准静态过程,系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。,1. 热力学过程:,1,2,2. 准静态过程:,在过程进行的每一时刻,系统都无限地接近平衡态。,无限缓慢进行的过程是准静态过程, 准静态过程是理想过程,准静态过程在状态图上可用一条曲线表示, 如图.,过程进行时间 t 弛豫时间,例如实际汽缸的压缩过程, = 10 -3 10 -2s,4. 实际过程的处理,准静态过程,3. 准静态过程的特点：可用状态参量的变化描述过程。,热力学第一定律可表示为,功是一个过程量, 见图,1,2,7.4.2 准静态过程中功的计算,V1,V

7、2,适合于任何的准静态过程,7.4.3 准静态过程中热量的计算 热容,比热容,摩尔热容,注意:,1. 摩尔热容：,摩尔热容是过程量与具体过程有关.,例:绝热过程、等温过程,2. 定容摩尔热容 CV 和定压摩尔热容 Cp,定容摩尔热容 CV,定压摩尔热容 Cp,3. 热量计算,（一般情况下 C x 是温度的函数）,若 C x 与温度无关, 则,7.5 理想气体的内能和CV , Cp,7.5.1 理想气体的内能,1. 实验装置:,膨胀前后温度计的读数未变,内能是状态的函数, 函数的具体形式怎样？ E (气体状态参量),焦耳实验（英国物理学家焦耳在1845年通过试验研究了这个问题）,2.实验结果：,

8、温度一样,3.分析：,气体自由膨 胀过程中,理想气体,焦耳定律,明说,(1) 焦耳实验室是在1845年完成的. 温度计精度为: 0.01 。,水的热容比气体热容大的多, 因而水的温度可能有变化, 由于温度计精度不够而未能测出。,(4)目前温度计（铂电阻）的精度可达到万分之一的变化。,通过改进实验或其它实验方法（焦耳汤姆孙实验） 证实仅理想气体有上述结论。,(2) 真实气体的内能与体积有关的微观解释：,由于分子间存在相互作用力，存在有相互作用势能。,绝热系统, 气体自由膨胀 气体温度升高？下降？,(3)焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。,根据热力学第一定律, 有,解,因为初、末两态是平衡态, 所以

9、有,如图, 一绝热密封容器, 体积为V0, 中间用隔板分成相等的两部分. 左边盛有一定量的氧气, 压强为 p0, 右边一半为真空。,例,求,把中间隔板抽去后, 达到新平衡时气体的压强,绝热过程,自由膨胀过程,7.5.2 理想气体的摩尔热容CV 、Cp 和内能的计算,1. 定容摩尔热容和定压摩尔热容(CV , Cp ),E = E (气体状态参量) = E ( T ),压强不变时, 将状态方程两边对T 求导, 有,迈耶公式,比热容比,为什么？ CpCV,2. 理想气体内能的计算,单原子分子,双原子刚性分子,多原子刚性分子,7.6 热力学第一定律对理想气体在典型准静态过程中的应用,结论,1. 热力

10、学第一定律,2. 焦耳定律,3. 状态方程,+ 具体过程,7.6.1 等体过程,等体过程方程,吸收的热量,内能的增量,V1,等体过程中气体吸收的热量,全部用来增加它的内能,使其温度上升。,7.6.2 等压过程,等压过程方程,功,功,吸收的热量,内能的增量,等压过程吸收的热量,一部分用来对外作功,其余部分则用来增加其内能。,7.6.3 等温过程,V1,V2,等温过程方程,内能的增量,功,吸收的热量,在等温膨胀过程中,理想气体吸收的热量全部用来对外作功,在等温压缩中,外界对气体所的功,都转化为气体向外界放出的热量。,7.7 绝热过程,7.7.1 绝热过程,系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。,良

11、好绝热材料包围的系统发生的过程,进行得较快, 系统来不及和外界交换热量的过程,1. 过程方程,对无限小的准静态绝热过程 有,2. 过程曲线,微分,A,绝热线,等温线,由于 1 , 所以绝热线要比等温线陡一些。,泊松方程,绝热过程中,理想气体不吸收热量,系统减少的内能,等于其对外作功。,3. 绝热过程中功的计算,测定空气比热容比 = Cp / CV 的实验装置如图所示。先关闭活塞B, 将空气由活塞 A 压入大瓶 C 中, 并使瓶中气体的初温与室温T0相同, 初压 p1略高于大气压 p0; 关闭活塞 A, 然后打开活塞 B, 待气体膨胀到压强与大气压平衡后, 迅速关闭 B, 此时瓶内气体温度已略有

12、降低. 待瓶内气体温度重新与室温平衡时, 压强变为p2。把空气视为理想气体。,例,A,B,C,证明 空气的 可以从下式算出,C,(p2,V,T0),(p1,V1,T0),(p0,V,T),绝热,证,等容升温,温度为25, 压强为1atm 的1mol 刚性双原子分子 理想气体经等温过程体积膨胀至原来的3倍。,(1) 该过程中气体对外所作的功； (2) 若气体经绝热过程体积膨胀至原来的3 倍, 气体 对外所作的功。,解,例,求,(1) 由等温过程可得,(2) 根据绝热过程方程, 有,有,7.8 循环过程,7.8.1 循环过程,循环过程:系统的状态经历一系列的变化后又回到了原状态,准静态循环过程:

13、在pV 图上是一闭合曲线,系统（工质）对外(外界对系统)所作的净功,正循环 ( P-V 图沿顺时针 方向进行),逆循环( P-V 图沿逆时针 方向进行),（系统对外作功）,Q1,Q2,a,b,（系统对外作负功）,正循环也称为热机循环,逆循环也称为致冷循环,Q1,Q2,a,b,7.8.2 循环效率,（正循环）热机效率：,（逆循环）致冷系数：,1 mol 单原子分子理想气体的循环过程如图所示。,(1) 作出 pV 图 (2) 此循环效率,解,例,求,a,c,b,(2) ab 是等温过程, 有,bc 是等压过程, 有,(1) pV 图,ca 是等体过程,循环过程中系统吸热,循环过程中系统放热,此循环

14、效率,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A（V1, T1）等温压缩到B（V2 , T1）状态, 再等体降温到C （V2, T2）状态, 然后经等温膨胀达到D（V1, T2）状态, 最后经等体升温回到初状态A, 完成一个循环。,该致冷循环的致冷系数。,解,例,求,在过程 CD 中, 工质从冷库吸取 的热量为,在过程中AB 中, 向外界放出的热量为,A,B,C,D,致冷系数为,温差越大, 致冷系数越低。,7.9 热力学第二定律,热机效率,第二类永动机、单热源热机,实验证明是不可能的。,?,?,?,地球,热机,Q1,A,若热机效率能达到100%,则仅

15、地球上的海水冷却1, 所获得的功就相当于1014t 煤燃烧后放出的热量。,热力学第二定律,1. 热力学第二定律的开尔文表述（1851年）,不可能只从单一热源吸收热量, 使之完全转化为功而不引起其它变化。,不可能制成一种循环热机, 它只从一个热源吸取热量, 使之完全转变为有用功（第二类永动机不可能制成）。,说明,(1) 吸收的热量可以转化为功（热机）。,(2) 吸收的热量可以完全转化为功（等温膨胀）。,(3) 热力学第二定律开尔文表述 的另一叙述形式:第二类永动 机不可能制成。 热功转化具有方向性。,(4) 热力学第二定律的开尔文表述实际上表明了,2. 热力学第二定律的克劳修斯表述（1850 年

16、）,不可能把热量从低温传向高温物体而不引起其它变化。,热量不能自动地从低温物体传向高温物体。,说明,(1) 热量可以从低温物体传向高温物体(致冷机)。,(2) 热力学第二定律克劳修斯表述 的另一叙述形式:理想致冷机不可能制成。 热传导具有方向性。,（不引起其它变化自动）,被制冷,高温热源,理想致冷机,(3) 热力学第二定律的克劳 修斯表述实际上表明了,热机、致冷机的能流图示方法,热机的能流图,致冷机的能流图,热力学第二定律的两种表述等价,假设开尔文 表述不成立,克劳修斯表述不成立,(1) 假设开尔文表述不成立,证明（用反证法）,(2) 假设克劳修斯表述不成立,开尔文表述不成立,类似证明,克劳修

17、斯表述不成立,7.10 可逆与不可逆过程,若系统经历了一个过程,而过程的每一步都可沿相反的方向进行,同时不引起外界的任何变化,那么这个过程就称为可逆过程。,概念,如对于某一过程,用任何方法都不能使系统和外界恢复到原来状态,该过程就是不可逆过程。,可逆过程,不可逆过程,1. 不可逆过程的实例,弹簧振子（无摩擦）,可逆,（有摩擦）,不可逆,（真空）,（有气体）,单摆（真空）,（有气体）,可逆,不可逆,功热转换:功向热转化可自动进行,热传导:热量从高温传到低 温物体可自动进行,自由膨胀：,一切与热现象有关的过程都是不可逆过程。,不平衡和耗散等因素的存在, 是导致过程不可逆的原因。,2. 过程不可逆的

18、因素,无摩擦的准静态过程是可逆过程（是理想过程）,自然界的一切自发过程都是单方向的不可逆过程,热力学第二定律的本质,（热力学第二定律的其它表述）,7.11 卡诺循环 卡诺定理,7.11.1 卡诺循环,卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成。,卡诺热机的效率,卡诺致冷机的致冷系数,7.11.2 卡诺定理,1. 在温度分别为T1与T2的两个给定热源 之间工作的一切可逆热机, 其效率相同, 都等于理想气体可逆卡诺热机的效率, 即,2.在相同的高、低温热源之间工作的 一切不可逆热机, 其效率都不可能大于可逆热机的效率, 即,减少热机循环的不可逆性,（减少摩擦、漏气、散热耗散因素）,要增大热源的温差,是任何热机效率的最高极限,