大学物理PPT课件:热力学基础.ppt
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1、第二章 热力学基础,前一章气体分子运动论(统计物理)是研究热现象的微观理论。本章将从宏观上研究热现象及其规律。热学的宏观理论即热力学。 热力学的任务是从能量观点出发,研究系统状态变化过程及功热转换关系和条件,基础是热力学第一、二定律。 本章先介绍几个重要概念(热力学过程、功、热量、内能),再介绍热力学第一、二定律及其应用。,2-1 热力学过程,一、热力学过程,所谓热力学过程系统从一个平衡态到另一个平衡态,所经历的状态变化。,过程发生意味着变化,热力学过程的发生,必然是原平衡态被破坏,经过一段时间又将达到新的平衡。平衡态破坏后再达到新的平衡所经历的时间称为弛豫时间( )。,如果过程很快。还未达到
2、新的平衡,又发生了下一步变化。这样,在状态变化过程中系统经历了一系列非平衡中间状态,该过程叫做非静态过程。,1,2,密,稀,如果过程进行缓慢,在状态变化过程中的每一时刻,系统都无限接近于平衡态,该过程称为准静态过程。,准静态过程在热力学中有极为重要的意义,因为许多问题都当做准静态过程处理。,二、关于准静态过程的说明,1、无限缓慢的理想极限过程,举例1:气体压缩,因过程快,活塞附近 大,,系统性质不均匀,中间状态非平衡。,是非静态过程,1,2,设想:在活塞上丢砂子,砂粒质量无限小,经很长时间从1压缩到2.,1,2,无限缓慢(内外微小压力差),系统各处 一致, 性质均匀,中间状态平衡。过程越慢,中
3、间状态越接近平衡态。,举例2:热传导,气体由,中间过程中,气体各部分温度不同,近热源温度高,上部温度低。,是准静态过程,非静态过程,气体分别与无限多温差无限小的热源接触升温从 。无限缓慢。,气体各部分温差不计,温度均匀。,设想:,准静态,准静态过程,2、实际过程的抽象近似,实际过程并非无限缓慢,准静态过程有意义吗?许多情况下,可作准静态过程处理。“无限”只有相对意义! 主要标志:弛豫时间,例如:气体压缩后再达到平衡的时间约10-3秒,如果实验中压缩一次的时间为1秒(看起来快),完全可作准静态过程处理。一般气体趋匀过程以声速进行,活塞大于声速运动,才做非静态处理,通常都视为准静态过程。,3、准静
4、态过程才可以用状态图中的实线表示,状态图中的点代表确定的平衡态,统一的,故非静态过程(由非平衡态组成)不可用实线表示,只象征性用虚线表示。,一条连续曲线(实线)代表一个准静态过程(由平衡态组成)。这条曲线的方程称为过程方程。,非平衡态无统一的,不能用状态图中的点代表非平衡状态。,2-2 功 热量,在热学中,功、热量、内能是重要物理量。热力学定律的精确表达需要这些概念。功和热量有相似性,都是能量交换的量度,都与过程有关。内能是状态量,变化与过程无关。本节先介绍功和热量。,一、功,功的概念在力学中已有,热学中要进一步推广。,力学中:功=力 位移。做功使物体运动状态变化(机械能变化),能量发生交换(
5、一个物体 另一物体,一种形式 另一形式如摩擦生热)。,实际上,做功不仅使机械运动状态变化,也可使热运动状态、电磁状态变化,功的形式:机械功、电功、电极化功、磁化功等,功的举例:,(金属丝拉长 ,张力T),(液膜表面积扩大dS, 表面张力系数),(电功),(体积功),还有许多功,可以概括为,流体力学,在热学中,最重要的是准静态体积功,膨胀,压缩,正功,负功,准静态体积功,几何意义,强调:,(1)功是由于宏观的机械作用或电磁作用而交换能量的一种量度。(做功是能量传递的一种方式),(2)功是过程量,不是状态量。,不同过程,功不同,(3)做功必然伴随宏观位移,机械功有明显位移;电功中电荷定向移动也是宏
6、观位移。,例题1:,1mol范德瓦尔斯气体,从体积 准静态等温(T)膨胀到体积 。求气体做的功。,解:,例题2:如图,求气体对外做的功,解:,过程,二、热量,1、历史回顾,除做功外,系统与外界交换能量还有另一种方式即传热。什么是热量?其本质如何?曾经是历史上长期争论的问题。 在17世纪,温度和热量两概念混淆不清。一些人认为温度计测出的不是热的程度,而是热的数量,因为等量的水混合后,温度取平均值(温度的变化即热量的变化?)。荷兰化学家布尔哈夫提出不同的物质等量混合后会怎样?“等量”是“等质量”,还是“等体积”?混合后的温度都不取平均值。称为“布尔哈夫疑难”。,英国化学家兼物理学家布莱克指出问题的
7、根源是把热的强度(温度)和热的数量(热量)搞混了。,布莱克和他的学生提出了比热、热容和潜热的概念,得出了量热学基本公式 ,区分了热的强度(温度)和热的数量(热量)。,但是热本质的究竟是什么?有许多观点。布莱克是“热质说”的倡导者,“热质说”曾一度占统治地位。认为热是一种看不见无重量的物质,热的物体热质多,冷的热质少,热质不能创造也不能消灭,只能从较热物体传导较冷物体,热质守恒。,热质说之所以占上风,是人们没有注意到热现象与其它物理现象之间的联系和相互转化,而热质说却能很好地解释一些现象如温度变化是吸放热质引起、热传导是热质流动、摩擦生热是热质被逼出的缘故。 18世纪末,热质说受到严重挑战。,英
8、国物理学家伦福德和化学家戴维做了机械功生热的实验。伦福德观察到大炮镗孔剧烈发热,将炮筒放入水中,水温快速上升。戴维用钟表机械使真空容器中两冰块摩擦融化成水。他们断言,热质不存在,热质守恒不成立,热是物质运动的一种形式,热是物体微粒的运动(“热动说”)。但他们的正确观点并未被同时代科学家接受。热质说没有被推翻。,焦耳从1837年到1878年用了41年的时间,先后用不同方法进行了400多次实验(如利用重力功搅拌水升温、通电使水升温等),精确地测出了热功当量。热质说才被人们所放弃。,热功当量 1卡=4.18焦耳,焦耳的实验说明:,热量不是传递的热质,而是传递的能量。一定热量的产生(消失)总伴随着等量
9、的其它某种能量(机械能、电能)的消失(产生),不存在单独的热质守恒。做功与传热是系统能量变化的两种不同方式(相当),做功与位移联系,传热与温差联系。焦耳实验也为能量守恒定律奠定了基础。,2、关于热量的说明 (1)热量本质,传热物体之间因温差而发生能量传递的过程。 热量因温差而传递能量的量度。,(2)热量是过程量。数值与具体过程有关。,非状态量,不能说某状态有多少热量,只能说某过程有多少热量。,(3)功和热量比较,相同:都是能量交换的量度,都是过程量,是系统与外界之间传递能量的两种方式。,不同:做功与宏观位移联系,传热与温差联系;做功是有规则运动能量(机械能、电磁能)之间或有规则运动能量与无规则
10、运动能量(热能或内能)之间的交换,传热是一个物体与另一物体无规则运动能量(内能)之间的交换。,3、热量计算,实验表明,不同物体在不同过程中温度升高1度所吸收的热量一般不同,为此引入热容量概念。,定义1:,热容量,定义2:,比热,定义3:,摩尔热容,热容量与过程有关,常见的有:,定义4:,(V不变过程),定容摩尔热容,定义5:,(P不变过程),定压摩尔热容,由以上定义可以计算热量:,2-3 内能 热力学第一定律,一、内能,先从宏观上定义内能,为此引进绝热过程概念:,绝热过程系统状态变化仅由做功引起的过程。,实验:水升温从 ,可以通过多种绝热过程进行:,搅拌,摩擦,通电,压缩,结果:各绝热过程功相
11、同,与具体绝热过程无关。,由此定义(类似力学中势能定义):,系统在平衡态时,存在一个态函数E,,叫内能。当系统从平衡态1经绝热过程到达平衡态2时,内能的增量等于外界对系统做的功。,当系统从平衡态1经绝热过程到达平衡态2时,内能的增量等于外界对系统做的功。,微观上定义:,内能是由物体内部状态决定的能量。广义地,包括分子、原子、电子、核子运动的能量。但在热运动范围,原子、电子、核子能量不变,只包括分子热运动能量和分子之间相互作用势能。,说明:,(1)E是状态的函数(状态量),非过程量。,与过程量A、Q不同。E也叫热能(一般不用该名词,以免与热量混淆)。,(2)E是相对量。,与参考态(规定E=0的状
12、态)选择有关。宏观定义只给出两态内能差,没有确定任意状态的内能数值(可以任加一个常数)。只有选择了参考态,内能才有确定值。(与力学中势能定义类似),二、热力学第一定律,一般过程并非绝热(传热Q),外界对系统还要做功( ),则根据能量守恒有:,外界对系统做的功,系统对外界做的功,功、热量、内能的概念明确以后,它们之间的关系?,表述:系统从外界吸收热量 ,一部分用于内能增加( ),另一部分用于对外做功( )。,符号约定:,元过程:,系统从外界吸热,系统向外界放热,系统对外界做功,外界对系统做功,系统内能增加,系统内能减少,人们有时说,热力学第一定律就是能量守恒定律,但仔细推敲,两者有别。确切地说:
13、,热力学第一定律是能量守恒与转化定律在涉及热现象的宏观过程中的具体表述。,历史上有人幻想制造一种机器,无需任何动力和燃料(或者很少的动力和燃料),能不断对外做功,这种机器叫“第一类永动机”。,热力学定律表明,做功必然由能量转化而来,不借助于外界供能而不断对外做功不可能。,热力学第一定律又可表述: 第一类永动机不可造成,三、关于能量守恒定律的发现,能量守恒定律是19世纪的一个伟大发现,科学界公认,其奠基人是:迈尔、焦耳、亥姆霍兹。还有其他人。,迈尔的贡献:德国医生,曾到爪哇考察。在给病人看病时发现,热带人静脉血比温带人的红得多。他想,可能因为热带高温,人体只需吸收食物中较少热量,人体中食物氧化减
14、弱,而在静脉中留下较多的氧所致。于是提出“力是不灭的,能够转化”(“力”即能量),又进一步提出“下落力”(即势能)“运动力”(即动能)和热的转化。而且根据气体比热数据得到热功当量为 1卡=3.57焦耳。(比焦耳早一年),迈尔的贡献未得到科学界承认,甚至同乡嘲笑,其精神压力大,1850年跳楼未遂,住院三年。10年后,科学界给予了他正确的评价。,焦耳(英国)做了40年的实验,证明了机械能、电能、热能的转换关系,即热功当量 1卡=4.18焦耳。,亥姆霍兹(德国)总结了许多人的工作,提出了普遍的能量守恒定律,把能量概念从机械能推广到热、电、磁乃至生命过程。坚信永动机不可能。,1853年,汤姆逊提出“能
15、量”名词,将“力的守恒”改为“能量守恒”。,2-4 热力学第一定律应用于理想气体典型过程,此处只讨论理想气体准静态过程中的功能转换关系。但在许多情况下,实际气体可以视为理想气体,实际过程可以视为准静态过程(P-V图实线)。故这一研究有实际意义。,一、等值过程(P、V、T分别不变),1、等容过程,吸热全部用于内能增加,与实验基本相符,能均分定理结果,与实验差别:单原子气体符合好,双原子气体明显不符。原因:能均分定理有缺陷。,与实验不符两个方面:,(1)按能均分定理,一切双原子分子应具有相同的,实际上不同气体 有别。,(2)按能均分定理, 与 无关,实际上双原子分子 随 而 。,实际上双原子分子
16、随 而 。,可以认为:低温只有平动,常温开始转动,高温才有振动。用经典理论不能解释,只有量子统计物理才可解释,连续曲线,2、等压过程,,,吸热,由上得:,迈尔公式,1,2,单原子分子,刚性双原子分子,3、等温过程,恒温热源,1,2,吸热全部用于对外做功,1,2,恒温热源,说明:,(1)对理想气体非静态等温过程,(2)对非理想气体等温过程,对理想气体非静态等温过程,(3)两等温线不相交,Q,不同等温线,二、理想气体绝热过程,任何绝热过程,1.准静态绝热过程方程,(2),(1),做功全来源于内能减少,Q=0,积分得:,理想气体准静态绝热过程方程,注意:,(1)绝热线比等温线陡,斜率,或比较曲线在交
17、点的斜率:,(2)两绝热线不相交,1,2,2、绝热过程中功能转换关系,Q=0,Q=0,(只涉及到初末两态,故适用于理想气体任何绝热过程,不一定准静态),3、绝热自由膨胀,非静态过程,准静态过程,1,2,不是准静态绝热过程,理想气体混合后温度?,绝热,抽隔板,例题:,按摩尔数加权平均,同种物质等量混合,温度平均,三、多方过程,再求热容:,等压,等容,绝热,等温,热容量一定大于0吗?,1,3,2,等温,绝热,(1),(2),(3),(2)-(1),放热,升温,(3)-(1),吸热,升温,或,思考,四、例题,例题1:,绝热,如图,3.2g氧气经历1234过程, 求:,(1)初态内能,(2)各过程热量
18、、功、内能变化,(3),总过程热量、功、内能变化,解(1),(2),绝热,(3),例题2:,如图,单原子理想气体经历 过程,求:,(1),(2) 过程总吸热吗?,解:(1),(2),中有,关键求出 点,上式微分,记住理想气体准静态过程主要公式:,(任何过程),等容,等压,等温,绝热,其它,等值过程,绝热过程,单原子,双原子,等容,等压,等温,绝热,2-5 循环过程,历史上,热力学的发展与改进热机的实践分不开。热机即工作物质吸热对外做功的装置。各种热机中,工作物质经历的过程都是循环过程。,一、循环过程,1、循环及其特征,吸热,放热,水泵,水池,冷凝器,汽缸,锅炉,废汽,做功,系统(工质)由某平衡
19、态出发经历一系列变化又回到初始状态的全过程叫循环过程,简称循环,右图为蒸汽机工作循环示意图,工作物质水。,吸热,放热,水泵,水池,冷凝器,汽缸,锅炉,废汽,做功,水泵从水池抽水入锅炉加热;水吸热 变高温高压蒸汽,内能 增加;蒸汽输送到汽缸膨胀推动活塞对外做功, 减小(内能变机械能);活塞推回蒸汽变废汽排入冷凝器放热 ,内能 减小,冷却成水进水池。完成一循环,如此往复。,高温高压蒸汽,内燃机类似但有别:可燃物质气体压入汽缸,在缸内燃烧,工作气体吸热,内能增加,膨胀做功,废气排除,热量散入大气放热(非汽缸外加热,一个循环),吸热,放热,水泵,水池,冷凝器,汽缸,锅炉,废汽,做功,高温高压蒸汽,循环
20、特征:,一部分对外做功A,另一部分以 放出,净热=净功,一般循环常常视为准静态循环处理(每一微小过程都是准静态的,闭合曲线),正循环顺时针(P-V图),逆循环逆时针,闭合面积净功,2、热机效率,热机吸热转变为功装置,正循环。吸热 有多少比例变为功?是热机效能的标志热机效率。,定义:热机效率,吸热越少,做功越多,效率越高。,3、制冷机与制冷系数,制冷机通过外界做功利用工质从物体中取热降温的设备。逆循环。,制冷原理:液体蒸发成汽体,吸热制冷。如酒精涂手上蒸发吸热,感觉凉。若形成循环,蒸发吸热后使之再变成液体,又蒸发吸热,循环往复,便是制冷机。,氨蒸汽压缩制冷装置:,氨蒸汽,热交换器,冷库,蒸发,节
21、流阀,高压液体,低压液体,低温低压气体,压缩机,液化,氨蒸汽被压缩,高温高压气体,高温高压气体,热交换器中冷凝,高压液体,节流阀降压降温,低压液体,冷库中吸热蒸发,低温低压气体,进汽缸膨胀后再压缩,再循环,总之,通过外界做功,从低温物体吸热传给高温物体。,电冰箱类似:低温物体(冷冻室),高温物体(冷却管周围室温空气)。,电冰箱,如何衡量制冷机的制冷效能?外界做功越小,从低温物体取热越多,制冷效能越高。,定义:制冷系数,取热是外界做功的多少倍数,二、卡诺循环,18世纪末、19世纪初,蒸汽机效率极低,仅35%。人们在不断探索提高热机效率的途径,促使科学家对热机效率进行理论上的研究,寻求理想热机效率
22、。法国青年工程师卡诺,1、卡诺循环,工作物质在循环中只与两个恒温热源交换热量,其余不散热、不漏气。该循环称为卡诺循环。按卡诺循环工作的热机卡诺热机。按卡诺循环工作的制冷机卡诺制冷机,提出了一种理想热机,使得提高热机效率有了一个正确目标。,卡诺热机,卡诺制冷机,2、卡诺循环效率,P-V图中:两等温+两绝热,=,理想气体,3、卡诺制冷系数,取9倍于A的热量,三、热机效率计算举例,方法,例题1:,绝热,绝热,如图,证,证:,吸热,放热,对外做功,外界对系统做功,非卡诺循环,例题2:,a,b,c,d,1,2,3,4,(atm),1,2,如图,氧气经历abcd循环,求循环效率。,解:三个过程吸热,一个过
23、程放热。,a,b,c,d,1,2,3,4,(atm),1,2,止,例题3:,a,300K,(600K),b,c,20,T(K),V(l),如图,单原子分子经历循环abca(V-T图),求循环效率。,解:,画P-V图,a,b,c,20,40,(600K),(600K),300K,逆循环?,V1,2V1,P1,2P1,P,1,2,3,例题4:,单原子分子气体经历图示1231循环,求循环效率。,解:,面积,或,2-6 热力学第二定律,热力学第一定律指出,任何热力学过程的进行必须遵守能量守恒定律, 的热机不存在。 那么, (能量守恒)的热机(第二类永动机)可能吗?事实证明,也不可能。 无数事实证明:凡
24、是与热现象有关(或涉及内能与其它能量转换)的过程都有方向、限度,反映了内能与其它能量的差别。,落叶永离,覆水难收,死灰不能复燃,破镜不会重圆,生米煮成熟饭,人生易老,返老还童只是幻想。这些成语说明,自然现象、历史、人文大多不可逆(有方向)。,一、自然过程的方向性,现举例说明热力学过程的方向性:,1、热传导,热量可以自动地从高温物体传向低温物体,相反过程不可能(并不违背热一定律)。(非平衡 平衡),(非均匀到均匀),2、功热转换,实质是机械能变成内能。摩擦生热。如转动的飞轮,因摩擦发热逐渐停下来,反方向不可能(不违背热一)。,摩擦生热,渐停。反过程不可。,热可以变成功吗?能!但内能即热全变为功无
25、其它影响,不可能(用热机,必然向低温处放热),机械能可自动变为内能,相反不行。(耗散过程),3、气体自由膨胀,气体不能自动收缩,(非平衡 平衡),(非均匀到均匀),4、扩散,两种流体混合后不会自动分离。炒菜盐扩散不会再聚集。,(非平衡 平衡),(非均匀到均匀),以上例子说明,凡是与热现象有关的的过程都是有方向的。究竟向哪个方向进行,是热力学第二定律解决的问题。,二、热力学第二定律表述,1、开尔文表述,基本表述两种:,热力学第二定律创始人,不可能只从单一热源吸热,使之完全变成有用功而不产生其它影响。,不可能只从单一热源吸热,使之完全变成有用功而不产生其它影响。,“单一热源”,各部分温度相同的热源
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