大学物理第四版 祝之光 第五章 热力学基础ppt课件.ppt

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1、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

2、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

3、？,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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、,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

10、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

11、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,

12、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

13、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

14、：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

15、？,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

16、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

17、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）

18、,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

19、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,