探究熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

1、 探究熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用摘要：熱力學(xué)第一定律即為能量守恒定律，在各個(gè)學(xué)科各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，熱力學(xué)第一定律的發(fā)展和應(yīng)用極大的改變了我們的生活。關(guān)鍵字：熱力學(xué)第一定律 熱機(jī) 能量守恒 卡諾循環(huán)引言：曾經(jīng)有人想著制造一種機(jī)器，只需提供初始能量使其運(yùn)動(dòng)起來(lái)就可以永遠(yuǎn)地運(yùn)動(dòng)下去，可以源源不斷自動(dòng)地對(duì)外作功，現(xiàn)在人們稱其為第一類永動(dòng)機(jī)。隨著熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識(shí)到：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同的形式，可從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞的過(guò)程中能量的物體內(nèi)能的增加等于物體從外界吸收的熱量與物體對(duì)外界所做功的總和。即第一類永動(dòng)機(jī)是不可能被

2、造出來(lái)的，熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)揭示了自然界是一個(gè)相互聯(lián)系的整體，極大的推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。熱力學(xué)第一定律的表述：根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，在系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)能量的改變量等于系統(tǒng)與外界交換的能量，在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)改變的僅為內(nèi)能，一般情況下與外界可能同時(shí)有功和熱量的交換，即 Q=E+W表示系統(tǒng)吸收的熱量，一部分轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的內(nèi)能；另一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)對(duì)外所做的功。這就是熱力學(xué)第一定律的數(shù)字表達(dá)式。熱力學(xué)第一定律的基本內(nèi)容：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?；消耗一定的功必產(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時(shí)，也必產(chǎn)生一定的功。熱力學(xué)第一定律在理想氣體等值過(guò)程中的應(yīng)用：1. 氣體等容的特征是氣體的體積保持不變

3、等容過(guò)程在p-V的圖上為一條平行于p軸的直線段，叫做等容線，如圖所示，理想氣體等容過(guò)程有p/T為恒量。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，過(guò)程中的能量關(guān)系有 dQv=dE Qv=E=E1-E2在等容過(guò)程中，外界傳給氣體的熱量全部用來(lái)增加氣體的內(nèi)能，系統(tǒng)對(duì)外不做功。2. 等壓過(guò)程的特征是系統(tǒng)的壓強(qiáng)保持不變等壓過(guò)程在p-V圖上為一條平行于V軸的直線段，叫做等壓線，理想氣體等壓過(guò)程有V/T為守恒。再等壓過(guò)程中，由于p為常數(shù)，當(dāng)氣體體積從V1擴(kuò)大到V2時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外做功W，所以整個(gè)等呀過(guò)程中系統(tǒng)所吸收的熱量為等壓過(guò)程中系統(tǒng)所吸收的熱量，一部分用來(lái)增加系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部分用來(lái)對(duì)外做功。3.等溫過(guò)程的特征是系統(tǒng)的溫度保持不

4、變，即T為恒溫，dT=0一定質(zhì)量理想氣體等溫可逆過(guò)程的特征是氣體壓強(qiáng)P和體積V的乘積不變，PV=恒量。理想氣體的內(nèi)能僅僅是溫度的函數(shù)，所以過(guò)程中內(nèi)能不變。 理想氣體在等溫過(guò)程中有體積V1膨脹到V2時(shí)，氣體對(duì)外做的功為 Wt=(M/Mmol)RTln(V2/V1)由熱力學(xué)第一定律得出,理想氣體在等溫過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)是Q=A，即系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)對(duì)外界所做的功。4絕熱過(guò)程的意思是系統(tǒng)在狀態(tài)變化的整個(gè)過(guò)程中不和外界交換熱量絕對(duì)的絕熱過(guò)程不可能存在。但一些與外界交換的熱量只占內(nèi)能很小比例的過(guò)程，可以被近似當(dāng)做絕熱過(guò)程。這有兩種可能的情況：一是過(guò)程中與外界交換的熱量很少。這可能由于系統(tǒng)被良好的隔

5、熱材料包圍著；或系統(tǒng)邊界處導(dǎo)熱性能差，過(guò)程進(jìn)行得又很快，系統(tǒng)來(lái)不及同外界有顯著的熱交換，像蒸汽機(jī)斷氣膨脹中水蒸汽的狀態(tài)變化二是系統(tǒng)本身內(nèi)能極大。這時(shí)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間可以很長(zhǎng)。例如深海中的洋流，循環(huán)一次常序數(shù)十年，洋流與外界交換的熱量與其本身巨大的內(nèi)能相比微不足道。如此看來(lái)，絕熱過(guò)程進(jìn)行的可快可慢，也就有準(zhǔn)靜態(tài)與非準(zhǔn)靜態(tài)之分。理想氣體任何（準(zhǔn)靜態(tài)或非準(zhǔn)靜態(tài)）絕熱過(guò)程的特點(diǎn)對(duì)任何絕熱過(guò)程，均視其交換的熱量。熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用2.熱機(jī)通過(guò)工質(zhì)使得熱量不斷轉(zhuǎn)化為功的機(jī)器叫做熱機(jī)，例如，蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。熱機(jī)的工作原理：由內(nèi)能通過(guò)做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，衡量一臺(tái)熱機(jī)的效率，是指熱機(jī)把吸收來(lái)的熱量有多少轉(zhuǎn)化為有

6、用功，因此，我們定義熱機(jī)效率為W為輸出功，其中Q1為整個(gè)熱機(jī)循環(huán)的所有吸熱之和，Q2為整個(gè)熱機(jī)循環(huán)的所有放熱之和。熱機(jī)是實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要設(shè)備，常見(jiàn)的有柴油機(jī)和汽油機(jī)，通過(guò)將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是通過(guò)做功改變內(nèi)能。制冷系數(shù)制冷系數(shù)，是指單位功耗所能獲得的冷量。制冷機(jī)將具有較低溫度的被冷卻物體的熱量轉(zhuǎn)移給環(huán)境介質(zhì)從而獲得冷量的機(jī)器。從較低溫度物體轉(zhuǎn)移的熱量習(xí)慣上稱為冷量。逆循環(huán)過(guò)程中向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃看笮〉扔趶牡蜏責(zé)嵩粗刑崛〉臒崃亢屯饨鐚?duì)工質(zhì)做的功之和，這就是制冷機(jī)的工作原理。由于制冷機(jī)的目的是從低溫?zé)嵩次諢崃?，?shí)現(xiàn)該目的是以外界對(duì)工質(zhì)做功為代價(jià)的，所以制冷機(jī)的效能是外界對(duì)制冷機(jī)做了

7、功，能從低溫?zé)嵩次斩啻蟮臒崃浚虼?，制冷系?shù)定義為：e=從低溫處吸取的熱量/外界對(duì)工質(zhì)做凈功大小 =Q2/W凈=Q2/(Q1-Q2)制冷機(jī)內(nèi)參與熱力過(guò)程變化（能量轉(zhuǎn)換和熱量轉(zhuǎn)移）的工質(zhì)稱為制冷劑。制冷的溫度范圍通常在120K以上，120K以下屬深低溫技術(shù)范圍。制冷機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。2.卡諾循環(huán)1824年法國(guó)工程師卡諾提出了一種理想的熱機(jī)的循環(huán)：假設(shè)工作物質(zhì)只與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量，在溫度為T(mén)1的高溫處吸熱，在另一溫度為T(mén)2的低溫?zé)嵩刺幏艧?，并假定所有過(guò)程都是準(zhǔn)靜態(tài)，由于過(guò)程是準(zhǔn)靜態(tài)的，由于過(guò)程是準(zhǔn)靜態(tài)的，所以與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量的過(guò)程必定是等溫過(guò)程，又因?yàn)橹慌c兩個(gè)熱源交換

8、熱lia卡諾循環(huán)的效率只與兩個(gè)熱源的熱力學(xué)溫度有關(guān)，如果高溫?zé)嵩吹臏囟?愈高，低溫?zé)嵩吹臏囟?愈低，則卡諾循環(huán)的效率愈高。因?yàn)椴荒塬@得1的高溫?zé)嵩椿?=0K（-273）的低溫?zé)嵩矗?，卡諾循環(huán)的效率必定小于1。任何工作物質(zhì)作卡諾循環(huán)，其效率都一致可以證明，以任何工作物質(zhì)作卡諾循環(huán)，其效率都一致；還可以證明，所有實(shí)際循環(huán)的效率都低于同樣條件下卡諾循環(huán)的效率，也就是說(shuō)，如果高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟却_定之后，卡諾循環(huán)的效率是在它們之間工作的一切熱機(jī)的最高效率界限。因此，提高熱機(jī)的效率，應(yīng)努力提高高溫?zé)嵩吹臏囟群徒档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟取？ㄖZ循環(huán)的效率推導(dǎo)：對(duì)于理想氣體等溫可逆膨脹絕熱可逆膨脹等溫可逆壓縮

9、絕熱可逆壓縮根據(jù)熱力學(xué)第一定律整個(gè)循環(huán)的系統(tǒng)對(duì)環(huán)境所做的功都是絕熱反應(yīng)所以這兩部過(guò)程方程簡(jiǎn)化為兩式相除帶入所以效率必然小于1，是不可能百分百效率由卡諾循環(huán)得知提高熱機(jī)效率的方法： 要提高卡諾熱機(jī)效率應(yīng)盡量提高高溫?zé)嵩礈囟然虮M量降低低溫?zé)嵩礈囟?，使T2/T1越來(lái)越小。由以上可知： （1）要完成一次卡諾循環(huán)必須有溫度一定的高溫和低溫兩個(gè)熱源。 （2）卡諾循環(huán)的效率只與兩個(gè)熱源溫度有關(guān)，高溫?zé)嵩礈囟仍礁撸蜏責(zé)嵩礈囟仍絹?lái)越低，卡諾循環(huán)的效率越高。 （3）由于不能實(shí)現(xiàn)T1=或T2=0（熱力學(xué)第三定律），因此，卡諾循環(huán)的效率總是小于1。 （4）可以證明：在相同高溫和低溫?zé)嵩粗g的一切熱機(jī)中，卡諾熱機(jī)的效率最高。 卡諾循環(huán)諾循環(huán)的意義在于從理論上認(rèn)證提高熱機(jī)的工作效率.循環(huán)就是要維持能量的動(dòng)態(tài)平衡：既是吸收的總能量與損失的熱量和對(duì)外做功之和維持相等關(guān)系。參考文獻(xiàn)1汪志誠(chéng)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理M北京：高等教育出版社，2003：3335.