大学物理第四版 祝之光 第五章 热力学基础ppt课件.ppt

第 五 章 热 力 学 基 础,前一章从物质微观结构的观点出发，运用统计平均的方法，讨论了平衡态下大量气体分子热运动的规律。,本章用能量的观点，从宏观上讨论物质状态变化时，热、功和内能的变化规律。,热力学过程：热力学系统从一个状态变化到另一个状态 ,称为热力学过程。,过程进行的任一时刻，系统的状态并非平衡态。,平衡态1,一系列非平衡态,平衡态2,一、准静态过程,准静态过程：系统的每一个状态都无限接近于平衡态的过程(理想化的过程)。,即准静态过程是由一系列平衡态组成的过程。,准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。,5-1 热力学第一定律及应用,非静态过程：当系统宏观变化很快，每一状态都是非平衡态。,非静态过程,准静态过程,所以，实际过程仅当进行得无限缓慢时才可看作是准静态过程。,统一于“无限缓慢”,矛盾,平衡即不变,过程即变化,只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。,非静态过程,准静态过程,定义弛豫时间 ：系统由非平衡态到平衡态所需时间。,怎样算“无限缓慢”,过程进行时间t 驰豫时间,定义“无限缓慢”：,例如，实际汽缸的压缩过程,过程进行时间 t = 0. 01秒 驰豫时间 = 10-3秒,可看作准静态过程,所以无限缓慢只是个相对的概念。,准静态过程可以用过程曲线来表示：,状态图(PV 图、PT 图、VT 图)上,二 功、内能、热量,如何改变系统的热力学状态呢？,焦耳实验,结论：,改变系统状态的方式有两种：, 作功、传热是相同性质的物理量，均是过程量,1 功 通过作功可以改变热力学系统的状态.,计算一准静态过程中，气体的体积变化所做的功.,设气体的压强P,活塞面积s,气体作用在活塞上的力,活塞移动dl距离时,气体作功,准静态过程（状态1到状态2）气体对外界做功与过程有关。,气体体积由V1变为V2时，系统对外作功,在P-V图上可表示为过程曲线与横坐标轴之间的曲边梯形的面积。,气体体积膨胀， W0，系统对外做正功；,气体体积压缩，W0，系统对外做负功。,功与过程曲线的位置有关，即与路经有关。功是过程量。,作功是通过宏观的、有规则的运动（机械运动)来完成的能量交换.,分子的有规则运动能量和分子的无规则运动能量的转化和传递。,通过作功改变系统内能的微观实质是：,2 热量,系统和外界之间存在温差时,就会有传热.热量传递也可以改变系统的状态.,传热的微观本质：是分子的无规则运动能量从高温物体向低温物体传递。,热量：传热过程中所传递的热运动能量的多少。,传热通过分子的无规则运动来完成的能量交换。,1）热量和功都是系统状态变化过程中伴随传递的能量，都与状态变化的中间过程有关，都是过程量，而不是状态量。,3）功与热量的物理本质不同 .,1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡,2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；,定向运动能量,无规运动能量,无规运动能量,无规运动能量,作功,传热,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 .,3 内能,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 .,当热力学系统的状态变化时，可以通过作功和传热等方式改变系统的内能。那么，在一个热力学过程中,系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加,一部分使系统对外界作功.,微小过程,四、热力学第一定律,对于任意过程,1）热力学第一定律是热现象中能量转换和守恒定律 .第一类永动机是不可能制成的 .2）热力学第一定律适用于任何系统的任何过程(非准静态过程亦成立),是自然界的普遍规律 .,热力学第一定律的符号规定,例1 理想气体从状态A沿直线变化到状态B，如图所示。求气体对外做功。,解：功的大小等于PV图上过程曲线下的面积,例2 系统从ABA经历一个循环，且 EBEA .(1)试确定AB，以及BA的功A的符号及含义；,W10:气体对外做功,W20:外界对气体做功,(2)Q的符号如何确定；,吸热,放热,总功：,EBEA,循环总功和热量的正负,例3 搅拌盛在绝热容器中的液体，液体温度在升高，若将液体看做系统，则（1）外界传给系统的热量（2）外界对系统做的功（3）系统的内能增量等于零，大于零还是小于零。,等于零,大于零,大于零,第一定律对于热力学过程的应用,质量为m，摩尔质量为M的气体，微小过程中的热力学第一定律可写成：,对于理想气体，由平衡态I(p1,V1,T1),经历准静态过程到达平衡态II(p2,V2,T2),由热力学第一定律有,过程方程 常量,由热力学第一定律,过程特征 常量,第一定律对于热力学过程的应用,1 等容过程,等容过程系统对外不做功,一、三个等值过程,气体的摩尔定容热容量,等容升压,等容降压,外界传给气体的热量全部用于增加气体的内能,气体放出的热量为气体内能的减少,过程方程 常量,过程特征 常量,2 等压过程,系统对外做功,内能的改变量,吸收的热量,由热力学第一定律,气体的摩尔定压热容量,0,等 压 膨 胀,等 压 压 缩,气体吸收的热量，一部分用于内能的增加，一部分用于对外作功,外界对气体作的功和内能的减少均转化为热量放出。,摩尔热容比,3 等温过程,热力学第一定律,过程特征 常量,由功的定义,过程方程写成(等温过程),所以,等温过程的热量,W,等温膨胀,等温压缩,等温膨胀中系统吸收的热量全部用来对外作功。,等温压缩中系统放出的热量全部来自外界所作的功。,二 绝热过程,绝热过程：系统与外界无热交换，系统状态变化的过程。,过程特征,热力学第一定律,过程方程未知,无法计算,绝热过程的功,推导绝热过程方程,泊松公式,两边积分,联立求解得,对于微小绝热过程,利用理想气体状态方程还可以得,再由定义计算功,问题： 在绝热膨胀和绝热压缩过程中，温度如何变化？,讨论绝热线和等温线,绝热过程曲线的斜率,等温过程曲线的斜率,绝热线的斜率大于等温线的斜率.,常量,常量,等温线,绝热线,例1 如图，对同一气体，I为绝热过程，那么J和K过程是吸热还是放热?,解：对绝热过程,对J过程,吸热,对K过程,放热,例2 如图，同一气体经过等压过程AB, 等温过程AC，绝热过程AD。问(1)哪个过程作功最多?,解：,(1)由过程曲线下面积知,(2) 哪个过程吸热最多？,等温过程：,等压过程(理想气体状态太方程)：,绝热过程：,等压过程吸热最多,例3 一气缸中贮有氮气，质量为1.25kg。在标准大气压下缓慢地加热，使温度升高1K。试求气体膨胀时所作的 功W、气体内能的增量E以及气体所吸收的热量Q。,因i=5,所以Cv=2.5R，可得,解： 因过程是等压的，得,（1） 理想气体状态方程,总结,（2）理想气体的内能,（3）准静态过程的体积功,物质系统经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程，简称循环。,循环工作的物质称为工作物质，简称工质。,循环过程的特点：E=0,若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用p-V 图上的一条闭合曲线表示。,5-2 循环过程,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,（取绝对值）,净功,特征,一 循环过程,二、正循环和逆循环,热机效率,热机（正循环）,1.正循环,热机:通过工质使热量不断转换为功的机器。,热机 热机的效率,奥托循环（热机的一种循环）,热机效率,工质为燃料与空气的混合，利用燃料的燃烧热产生巨大压力而作功。,热机发展简介 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 .,冷凝塔,发电机,水泵,除尘器,涡轮机,传送带,锅炉,空气,碾磨机,烟筒,水管,喷射给水器,火力发电厂结构示意图,火力发电厂外貌,热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .,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 .,热机的三个要素:,1) 工作物质,2) 两个或两个以上温度不同的热源,3) 对外作功的机械装置,致冷机致冷系数,致冷机（逆循环）,2.逆循环,冰箱循环示意图,1,4,2,3,例 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 .,解 由理想气体物态方程得,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.,W,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 .,1) 卡诺热机的效率只与T1、T2 有关，与工作物无关,与气体的质量无关，与P、V的变化无关。,3)现代热电厂：T1 = 900K；T2 = 300K理论上： 65%，实际上： 40% ， 原因：非卡诺循环，非准静态，有摩擦。,热机至少要在两个热源中进行循环。从高温热源吸热然后释放一部分热量到低温热源去，因而两个热源的温度差才是热动力的真正源泉.,讨论,2) 提高效率的途径：提高T1 ；降低T2，实用上是提高 T1 。,卡诺致冷机（卡诺逆循环）,B A等温压缩 CB绝热压缩DC等温膨胀 A D 绝热膨胀,卡诺致冷机致冷系数,卡诺制冷机的制冷系数与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越小，则卡诺循环的效率越高 .,结论：低温热源的热量是不会自动地传向高温热源的，要以消耗外功为代价。,* 致冷系数,T2 越低， w越小；T1-T2 越大， w越小。,例1 图中两卡诺循环 吗？,已知,已知,例2 如图，MT为等温线，MQ为绝热线，则在AM,BM,CM三种准静态过程中，温度升高的是 过程；气体吸热的是 过程。,答： BM, CM, CM,P,V,A,C,O,B,M,T,Q,类似地，可判定BM, AM是放热过程。,理由：(TB, TC)TT=TM,理由: 考虑循环CMQC. W0 吸热. 但Q=QCM+QQC ,而QC放热, 故CM吸热 .,例1mol氧气作如图循环，AB为等温过程，BC为等压过程，CA 为等容过程。试计算循环效率.,解：,吸热,放热,例 一定量的理想气体，分别经历a b c、d e f过程。这两过程是吸热还是放热？,解：,吸热,d e f与绝热线组成一个制冷机循环，系统在一次循环过程中吸收的净热量,放热,5-5 热力学第二定律,热力学第二定律告诉我们，过程的进行还有个方向性的问题，满足能量守恒的过程不一定都能进行。,由热力学第一定律知道：,一切热力学过程都应该满足能量守恒。,但是满足能量守恒的过程都能进行吗?,这是热力学第二定律要表达的内容。,热力学第二定律是关于自然过程方向的一条基本的、普遍的定律，它是较热力学第一定律层次更深的规律。,一、可逆过程和可逆过程,1.可逆过程,系统由一初态出发，经某过程到达一末态后，如果能使系统回到初态而不在外界留下任何变化(即系统和外界都恢复了原状)，则此过程叫做可逆过程.,八宝山,“今天的你我怎能重复昨天的故事!”,生命过程是不可逆的：,出生,童年,少年,青年,中年,不可逆！,老年,落叶永离，覆水难收,生米煮成熟饭,二、自然过程的不可逆性,重物自动下落，叶片转动使水温升高，功全部转化成热。,水自动冷却使叶片旋转，从而提升重物，则不可能自然进行。,1.功热转换是不可逆过程,热自动地转换为功的过程不可能发生.,2.热传导是不可逆过程热量可以自动地从高温物体传向低温物体，但相反的过程却不能发生。 热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。,3.气体绝热自由膨胀是不可逆过程,在绝热容器中抽去隔板，分子将自动膨胀充满整个容器，最后达到平衡态。,一切与热现象有关的实际宏观过程都不可逆。(热力学过程方向性）,只有无摩擦的准静态过程才是可逆过程。,自然过程是有摩擦损耗的非准静态过程。摩擦使功转换为热，非平衡态向平衡态的过渡与气体自由膨胀有关，这两个都是不可逆过程。,注意：热完全变成功可以，例等温膨胀，但引起其它变化，例如体积增大。,三、不可逆的相互依存,一切不可逆过程都是相互沟通的。,如果一种实际过程的不可逆性消失了，其他的实际过程的不可逆性也就随即消失了。,若功热转换的方向性消失,热传导的方向性也消失.,若热传导的方向性消失则功热转换的方向性也消失。,低温热源,高温热源,Q2,Q1,W,高温热源,低温热源,W,若理想气体等温自由膨胀的方向性消失,功热转换的方向性也消失.,四、热力学第二定律,开尔文表述：不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只从单一热源吸收热对外作功而不产生其它影响。,1 热力学第二定律的两种表述,开尔文,各种宏观过程的方向性的相互沟通,说明宏观过程的进行遵从共同的规律热力学第二定律。,克劳修斯表述：不可能把热量从低温物传到高温物体而不引起外界的变化.,克劳修斯,热力学第二定律是研究热机效率和制冷系数时提出的。对热机，不可能吸收的热量全部用来对外作功；即第二类永动机（单源热机）不可实现。对制冷机，若无外界作功，热量不可能从低温物体传到高温物体。热力学第二定律的两种表述形式，解决了物理过程进行的方向问题。,2. 两种表述的等价性,违反开尔文表述也就违反克劳修斯表述,违反克劳修斯表述也就违反开尔文表述,任何一种不可逆过程的表述，都可作为热力学第二定律的表述！,作业：5-11,