大学物理热力学基础ppt课件.ppt

第七章 热力学基础,教学基本要求,一 掌握内能、功和热量等概念 .,二 掌握热力学第一定律，能分析、计算理想气体在等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量 .,三 理解循环的意义和循环过程中的能量转换关系，会计算卡诺循环和其他简单循环的效率 .,四 了解可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律和熵增加原理 .,一 功,功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动 状态的变化 .,准静态过程功的计算,注意：作功与过程有关 .,宏观运动能量,热运动能量,7-1 热力学第一定律,（过程量）,二 热 量（过程量）,通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递 .,1）过程量：与过程有关；2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；,3）功与热量的物理本质不同 .,1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡,系统和外界的分子之间通过杂乱碰撞交换能量的结果,实验证明系统从 A 状态变化到 B 状态，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变 .,三 内 能 （状态量）,系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关 .,理想气体内能 : 表征系统状态的单值函数 ,理想气体的内能仅是温度的函数 .,改变系统内能的两种等效方式: 作功, 传递热量,四 热力学第一定律,系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加, 另一部分使系统对外界做功 .,准静态过程,微小过程,1）能量转换和守恒定律 . 第一类永动机是不可能制成的 . 2）实验经验总结，自然界的普遍规律 .,3）对于循环过程:,吸收的热量全部用于对外作功,4）热力学第一定律适用于任何系统的任何过程, 不管是否是准静态过程,5）一个系统与外界的热传递不一定引起系统本身温度的变化.,计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础,（4） 各等值过程的特性 .,一、热容量与摩尔热容量,表示升高1K所吸收的热量,热容量：系统在某一无限小过程中吸收热量dQ与温度增量dT的比值称为系统在该过程的热容量（C）,摩尔热容量：1mol物质的热容量（Cm）,单位质量的热容量叫比热容(比热)。,7-2 气体的摩尔热容,热容量CY与过程有关:,热容量C的可能值:,吸热且升温,放热且升温,绝热过程,等温过程,稳定性要求,二、理想气体的摩尔热容量,1、理想气体的定体(定容)摩尔热容量,理想气体,理想气体的内能另一表述,理想气体的内能,梅逸公式,2、理想气体的定压摩尔热容量,单原子理想气体,双原子理想气体,多原子理想气体,3、比热容比,理想气体,P229 表7-1,例7-1 教材 P230,一 等体(定容)过程,热力学第一定律,特性 常量,7-3 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用,过程方程 常量,mol 理想气体:,定容过程中外界传给气体的热量, 全部用来增加气体的内能,二 等压过程,过程方程 常量,热一律,特 性 常量,功,mol 理想气体:,所吸收的热量的去向?,三 等温过程,热力学第一定律,特征 常量,四 绝热过程,与外界无热量交换的过程,特征,热一律,若已知 及,从 可得,由热力学第一定律有,绝热过程方程的推导,分离变量得,获取低温的一个方法,五 绝热线和等温线,绝热过程曲线的斜率,等温过程曲线的斜率,在数值上绝热线的斜率大于等温线的斜率(物理解释).,常量,常量,绝热,V=CA=0,P=C,T=CdE=0,dQ=0,例7-2 设有 5 mol 的氢气，最初的压强为 温度为 C，求经过1）等温过程，2）绝热过程 把氢气压缩为原体积的 1/10 需作的功; 3）并求经这两过程后，气体的压强各为多少？,例7-3 氮气液化， 把氮气放在一个绝热的汽缸中.开始时,氮气的压强为50个标准大气压、温度为300K; 经急速膨胀后,其压强降至 1个标准大气压,从而使氮气液化 . 试问此时氮的温度为多少 ?,解 氮气可视为理想气体, 其液化过程为绝热过程.,氮气为双原子气体由表查得,(近似值),例7-4 在一气缸内放有一定量的水，活塞与汽缸间的摩擦不计, 缸壁由良导热材料制成. 作用于活塞上的压强 . 开始时, 活塞与水面接触. 若使环境 (热源) 温度非常缓慢地升高到 . 求把单位质量的水汽化为水蒸汽 , 水的内能改变了多少?,已知水的汽化热为,水的密度,水蒸汽的密度,热机发展简介 热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .如蒸汽机,内燃机等. 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机 ，当时蒸汽机的效率极低 . 1765年瓦特进行了重大改进 ，大大提高了效率 . 人们一直在为提高热机的效率而努力， 从理论上研究热机效率问题， 一方面指明了提高效率的方向， 另一方面也推动了热学理论的发展 .,7-4 卡诺循环,工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质, 可以是气体, 液体等 .,冰箱循环示意图,系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程 .,热力学第一定律,特征,一 循环过程,二 热机效率和致冷机的致冷系数,热机效率,热机（正循环）,从高温热源吸取的热量有多少用于对外作功,致冷机致冷系数,致冷机（逆循环）,外界对工质作的功A中, 用于从低温热源提取热量Q2的多少,例 7-5 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其中 , 求12、23、34、41各过程中气体吸收的热量和热机的效率 .,卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成 .,三 卡诺循环,1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环卡诺循环. 给出了热机效率的理论极限值; 他还提出了著名的卡诺定理.,理想气体卡诺循环热机效率的计算,A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩,卡诺循环,A B 等温膨胀吸热,C D 等温压缩放热,D A 绝热过程,B C 绝热过程,卡诺热机效率,卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高 . 热机效率不可能大于1.,提高热机效率的途径?,卡诺致冷机（卡诺逆循环）,卡诺致冷机致冷系数,T2越小, 致冷系数越小,图中两卡诺循环 吗 ？,例7-6 一台电冰箱放在室温为 的房间里 ，冰箱储藏柜中的温度维持在 . 现每天有 的热量自房间传入冰箱内 , 若要维持冰箱内温度不变 , 外界每天需作多少功 , 其功率为多少? 设在 至 之间运转的致冷机 ( 冰箱 ) 的致冷系数, 是卡诺致冷机致冷系数的 55% .,保持冰箱在 至 之间运转, 每天需作功,功率,1 开尔文表述：不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化 .,第二定律的提出,1 第一定律无法说明功热转换的条件.,2 第一定律无法说明热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性等问题.,一 热力学第二定律的两种表述,7-5 热力学第二定律,等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它非循环过程.,卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.,虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化 .,2 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化 .,1 热力学第二定律是大量实验和经验的总结.,3 热力学第二定律可有多种表述，每一种表述都反映了自然界过程进行的方向性 .,2 热力学第二定律的开尔文表述与克劳修斯表述具有等效性 .,可逆过程 : 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态, 而不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程 .,二 可逆过程与不可逆过程,不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程 .,可逆过程的条件,自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 .,热力学第二定律的实质,1） 在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相同的效率 .,三 卡诺定理,2） 工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率 .,可逆循环 不可逆循环,可逆热机 不可逆热机,分析:,1) 是热机效率的上限.,2) 提高热机效率的途径: 使实际的不可逆热机尽量地接近可逆机,消除摩擦, 准静态过程.,3) 从热源的角度, 应尽量提高高温热源温度.,讨论 个粒子在空间的分布问题,可分辨的粒子集中在左空间的概率,一 热力学第二定律的统计意义,7-6 熵 热力学第二定律的统计意义,粒子集中在左空间的概率,粒子均匀分布的概率,可分辨粒子总数 N = 4,各种分布的状态总数,第 种分布的可能状态数,二 熵与热力学概率 玻尔兹曼关系式,2）熵是孤立系统的无序度的量度.（平衡态熵最大）（ 愈大，S 愈高，系统有序度愈差 .）,1）熵的概念建立，使热力学第二定律得到统一的定量的表述 .,熵,3）熵是状态的单值函数.,玻尔兹曼墓碑,为了纪念玻尔兹曼给予熵以统计解释的卓越贡献 ，他的墓碑上寓意隽永地刻着 . 这表示人们对玻尔兹曼的深深怀念和尊敬.,三 克劳修斯不等式,克劳修斯不等式: 等号对应可逆过程, 不等号对应不可逆过程,四 熵增加原理：孤立系统中的熵永不减少.,对于孤立系统或绝热过程: dQ=0,热力学理论证明:,孤立系统中的可逆过程，其熵不变；孤立系统中的不可逆过程，其熵要增加 .,熵增加原理成立的条件: 孤立系统或绝热过程.,熵增加原理的应用 ：给出自发过程进行方向的判据 .,热力学第二定律亦可表述为 ： 一切自发过程总是向着熵增加的方向进行 .,五 热力学第二定律的适用范围,不适用于少数原子或分子组成的系统,不能任意外推到无限的宇宙,