热力学基本定律.ppt
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1、,第9章 热力学基本定律,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,9.3 热力学第二定律,9.4 熵 熵增加原理,9.5 热力学第三定律,第9章 热力学基本定律,9.1 热力学第一定律,习题课,卷首页,大学基础物理(1)电子教案,2.1 热力学第一定律,热力学过程,(1)非静态过程:每一微过程所用时间弛豫时间,(2)准静态过程:每一微过程所用时间弛豫时间,弛豫时间,9.1 热力学第一定律,活塞与壁无摩擦,章首页,9.1 热力学第一定律,9.1.1 热力学中的基本概念,1.准静态过程,二、内能、功和热量,(1)内能,分子各种形式的动能以及分子与分子之间,,内能是态函数,对于理想气体,对于非理想气
2、体,9.1 热力学第一定律,指组成物体的所有,微观定义:,宏观定义:,分子内各原子之间相互作用势能的总和,章首页,2.内能、功和热量,2、功,(2)功(外界对系统做功可改变其内能),a、系统对外界作功是通过自身体积的变化来实现,b、功的大小不仅与系统的始末状态有关,而且还与系,9.1 热力学第一定律,热力学的功具有两个显著的特点:,作功改变系统内能的一种方式(举例),统经历的过程有关,即功不是态函数,例9.1:压缩功,外界对系统作功为,章首页,3、热量,(4)功与热量的比较,都可以改变系统的内能;但:改变系统内能的机理不同,9.1 热力学第一定律,(3)热量(外界对系统传热可改其内能),传热改
3、变系统内能的另一种方式,热量是传热过程中所传递能量,热量是过程量,都是过程量,都可量度系统内能的变化;作功和传热,热功当量 1cal=4.1858(J),的量度,例9.2:,章首页,三、热力学第一定律,9.1.2 热力学第一定律,1.绝热功及其特点,(T2)时内能的增量等于绝热功。即:,2.热力学第一定律,另一表述:第一类永动机是不可能造成的,只需初终两态是平衡态,其过程所经历的各态无,要求,对于无限小过程有:,9.1 热力学第一定律,初态(T1)经一绝热过程到终态,绝热功与实施绝热过程的手段无关,只由初终态决定,当系统从,章首页,重点关注,作业1,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,9.
4、2.1 等容过程,2.过程方程 两态间的参量关系,章首页,各种过程中的Q、A和E的计算,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,1.定义与 图,4.定容摩尔热容,章首页,系统mol热容,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,3.计算,9.2.2 等压过程,2.过程方程 两态间的参量关系,1.定义与 图,章首页,应用理气态方程微分式,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,3.计算,4.定压摩尔热容,5.比热容比,迈耶公式,章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,6.焓,式中H=E+PV称为态函数焓,即:气体在等压过程中吸收的热量等于系统态函数焓的增量,章首页,9.2 热力学第一定律对
5、理想气体的应用,7.气体热容、定容热容、定压热容,9.2.3 等温过程,2.过程方程 两态间的参量关系,章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,1.定义与 图,3.计算,9.2.4 绝热过程,1.定义,2.过程方程,系统在状态变化时与外界没有热交换的过程,可以证明:,章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,3.计算,4、绝热与等温线的比较,4.绝热线与等温线的比较,对绝热线与等温线求导,可分别得绝,5.过程方程式的推导,热线与等温线在点 处的斜率为,章首页,将热力学第一定律应用于绝热过程,可得:,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,5、方程式的推导,消去 可得:,或写成,利
6、用理气态方程,上式可改写为另外两种形式:,(理气态方程微分式),章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,四、多方过程(等热容过程),9.2.5 多方过程,1.定义,2.过程方程,系统在状态变化过程,中的一般过程,称为多方过程,章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,3.计算,4、方程式的推导,消去 可得:,4.过程方程式的推导,利用理气态方程微分式,章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,5、多方过程的特例,5.多方过程的特例,6.多方过程的摩尔热容,章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,2.3 循环过程卡诺循环,1.循环过程,(1)热机,的热转换为功的机械装
7、置,(2)循环及其特点,9.2.6 循环过程 卡诺循环,通过工作物质(热力学系统)将燃料产生,系统对外界做的功,经过一循环后,工作物质的内能变化零,,其整个变化过程称为,工作物质经过一系列变化后又回到了原来的状态,,系统从外界吸收的热量与向外界放出的热量之差为,章首页,循环过程,特点:,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,4、循环效率与制冷系数,(4)循环效率与制冷系数,外界向系统传热为正,系统对外界做净功为正,逆时针为逆循环,系统对外界做的净功为负(致冷机),顺时针为正循环,系统对外界做,(3)正循环和逆循环,正循环中的Q,A,章首页,的净功为正(热机),9.2 热力学第一定律对理想气体
8、的应用,逆循环中的Q,A,致冷系数的定义:,循环效率的定义:,章首页,外界对系统作功A,使系统从低温热,源吸热Q2,并向高温热源放热Q1,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,二、卡诺循环,2.卡诺循环,(1)定义:,过程构成的循环称为卡诺循环,(2)卡诺循环效率的计算,等温膨胀系统从高温热源吸热,对应的热机为卡诺热机,由两个等温及两个绝热,章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,续卡诺循环,(系统与热源无能量交换),等温压缩放热,章首页,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,例2,例9.3,已知某蒸气机锅炉内的温度为,解:,(3)理想气体逆向卡诺循环的致冷系数,静态的卡诺循环计算
9、其热机效率,240,冷却温度为25,按理气准,章首页,T1 通常为大气温度,致冷温度T2 越低,制冷系数越小,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用,2.4 热力学第二定律,9.3 热力学第二定律,1.克劳修斯表述,热量由低温物体自动转移到高温物体而不引起其他,问题:实现理想致冷机有可能吗?,2.开尔文表述,不可能从单一热源吸收热量,使之,变化是不可能的,完全变为有用功而不产生其他影响,章首页,9.3 热力学第二定律,热力学第二定律的表述,序热力学第二定律,3.定律简述,第二类永动机是不可能造成的,并把所吸收的热量转变为,其他影响:指“从单一热源吸收热量,,单一热源:,指温度恒定不变的热源,功
10、”以外的任何其他变化,指在一循环中能从单一热源吸热,,第二类永动机:,并使之完全转变为功,而不产生其它影响的机器。,章首页,9.3 热力学第二定律,4.两种表述的等价性,分解装置1,(1)若违反开氏表述,则也违反克氏,联合装置循环结束时,唯一效果是有热量从低温热源自动不断地传到高温热源,显然违反克氏表述,(2)若克氏表述不对,则开氏表述亦不对,分解装置2,联合装置循环结束时,唯一效果是可从单一热源,导致第二种永动机出现,吸热,并完全转换为有用功而不产生其他影响,即可,表述,联合装置11,联合装置22,章首页,9.3 热力学第二定律,三、可逆与不可逆过程,1.定义,9.3.2 可逆过程与不可逆过
11、程,一个系统从某一状态出发,经过,界都复原,则为不可逆过程,此过程称为可逆过程。若用任何方法都不能使系统外,切也都复原,即消除了原过程对外界引起的一切影响,,另一过程,他能使系统回到原来的状态,同时周围的一,某一过程变化到另一状态,若存在,章首页,9.3 热力学第二定律,3、气体的迅速膨胀过程分析,3.例9.5 气体的迅速膨胀过程(绝热过程),特点:,小;在逆过程中,则反之。经逆过程系统复原,内能,活塞迅速向外移动,靠活塞愈近,气体压强愈,热交换;系统内能不变。在逆过程中,外界对系统作压,缩功将转换为系统向外界放热,特点:,2.例9.4 理想气体向真空的自由膨胀,的过程(绝热过程),不对外界做
12、功;与外界无,章首页,不变,压缩时外界所做的功大于膨胀时气,9.3 热力学第二定律,4、实现可逆过程的条件,5.实现可逆过程的条件,6.定律的实质表述,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的,准静态过程,无摩擦过程,不是绝热过程),体所做的功,外界对系统多做的功,章首页,将转换为系统向外界放热(逆过程,4.例9.6 气体的膨胀过程无限缓慢,且活塞与气缸壁,之间无摩擦,9.3 热力学第二定律,2.5卡诺定理,9.3.3 卡诺定理,1.卡诺定理,热机要能做功,必须工作于至少两个具有不同温度,(1)热力学第二定律断言,(2)卡诺定理,(b)在两个给定温度的热源之间工作的一切可逆热,不可逆热机的效
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