熱力學(xué)基礎(chǔ)演示文稿

1、熱力學(xué)基礎(chǔ)演示文稿第一頁，共三十九頁。熱力學(xué)基礎(chǔ)第二頁，共三十九頁。熱學(xué)熱力學(xué)分子動理論從現(xiàn)象中找規(guī)律透過現(xiàn)象追本質(zhì)宏觀規(guī)律微觀機(jī)制觀察 記錄 分析 總結(jié)建模 統(tǒng)計(jì) 理論 驗(yàn)證第9章 熱力學(xué)基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)是:熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律9-1 熱力學(xué)系統(tǒng) 平衡態(tài) 準(zhǔn)靜態(tài)過程一、氣體的狀態(tài)參量狀態(tài)參量 (status parameter)： 描述氣體宏觀狀態(tài)的物理量。體積(volume) V ： 氣體分子自由活動的空間。國際單位：米3（m3） 當(dāng)氣體分子大小不計(jì)時，氣體體積等于容器的容積。2. 壓強(qiáng)(pressure) p ： 垂直作用在容器壁單位面積上的氣體壓力。國際單位：Pa (帕斯卡) P

2、a = Nm-2 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 = 1.01325105Pa 1工程大氣壓 = 9.80665104Pa3. 溫度(temperature) T ： 表征熱平衡狀態(tài)下系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。 冷熱程度的物理量溫度的數(shù)值表示法 溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)：t ， 冰點(diǎn)為 0熱力學(xué)(開氏)溫標(biāo)： T K ， 冰點(diǎn)為 273.15K 絕對零度：T = 0 K第三頁，共三十九頁。2. 壓強(qiáng)(pressure) p ： 垂直作用在容器壁單位面積上的氣體壓力。國際單位：Pa (帕斯卡) Pa = Nm-2 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 = 1.01325105Pa 1工程大氣壓 = 9.80665104Pa溫度的數(shù)值表示法 溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)：

3、t ， 冰點(diǎn)為 0熱力學(xué)(開氏)溫標(biāo)： T K ， 冰點(diǎn)為 273.15K 絕對零度：T = 0 K3. 溫度(temperature) T ： 表征熱平衡狀態(tài)下系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。 冷熱程度的物理量 水三相點(diǎn)(氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的共存 狀態(tài))273.16 K4. 熱力學(xué)第零定律測溫原理熱平衡 (thermal equilibrium)： 兩個物體互相熱接觸，經(jīng)過一段時間后它們的宏觀性質(zhì)不再變化，即達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。熱力學(xué)第零定律(Zeroth law of thermodynamics)： 在不受外界影響的條件下，如果處于確定狀態(tài)下的物體C分別與物體A、B達(dá)到熱平衡，則物體A和B也必相互熱平衡。A

4、BCABC二、平衡態(tài)(equilibrium status)第四頁，共三十九頁。熱力學(xué)第零定律(Zeroth law of thermodynamics)： 在不受外界影響的條件下，如果處于確定狀態(tài)下的物體C分別與物體A、B達(dá)到熱平衡，則物體A和B也必相互熱平衡。ABCABC二、平衡態(tài)(equilibrium status) 在不受外界影響（即系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)和能量的交換）的條件下，無論初始狀態(tài)如何，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)在經(jīng)充分長時間后不再發(fā)生變化的狀態(tài)。 平衡態(tài)下系統(tǒng)各部分的溫度、壓強(qiáng)相同。熱動平衡三、準(zhǔn)靜態(tài)過程熱力學(xué)過程 (thermodynamic process)： 熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間

5、發(fā)生變化的過程。 實(shí)際過程的中間態(tài)為非平衡態(tài)。2. 準(zhǔn)靜態(tài)過程(approximate static process)： 狀態(tài)變化過程進(jìn)行得非常緩慢，以至于過程中的每一個中間狀態(tài)都近似于平衡態(tài)。 平衡過程理想過程！第五頁，共三十九頁。三、準(zhǔn)靜態(tài)過程熱力學(xué)過程 (thermodynamic process)： 熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間發(fā)生變化的過程。 實(shí)際過程的中間態(tài)為非平衡態(tài)。2. 準(zhǔn)靜態(tài)過程(approximate static process)： 狀態(tài)變化過程進(jìn)行得非常緩慢，以至于過程中的每一個中間狀態(tài)都近似于平衡態(tài)。 平衡過程理想過程！ 準(zhǔn)靜態(tài)過程的過程曲線可以用p-V圖來描述，圖上的每一

6、點(diǎn)分別表示系統(tǒng)的一個平衡態(tài)。(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO9-2 理想氣體的狀態(tài)方程 狀態(tài)參量之間的關(guān)系一、理想氣體 (idea gas)： 在任何情況下都嚴(yán)格遵守“玻-馬定律”、 “蓋-呂定律”以及“查理定律”的氣體。二、理想氣體的狀態(tài)方程 (status equation of idea gas) ：易得：對于系統(tǒng)質(zhì)量不變的氣體試驗(yàn)證明：1摩爾氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，占有的體積為：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：則對于1摩爾理想氣體有：第六頁，共三十九頁。9-2 理想氣體的狀態(tài)方程 狀態(tài)參量之間的關(guān)系一、理想氣體 (idea gas)： 在任何情況下都嚴(yán)格遵守“玻-馬定律”、 “蓋-呂定律”以及“查理

7、定律”的氣體。二、理想氣體的狀態(tài)方程 (status equation of idea gas) ：易得：對于系統(tǒng)質(zhì)量不變的氣體試驗(yàn)證明：1摩爾氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，占有的體積為：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：則對于1摩爾理想氣體有：令稱為“摩爾氣體常量 ” 從而，對于質(zhì)量為m、摩爾質(zhì)量為M的理想氣體狀態(tài)方程可寫為：9-3 熱力學(xué)第一定律 內(nèi)能 功 熱量一、基本物理量1、內(nèi)能 (internal energy)E 熱力學(xué)系統(tǒng)的能量 它包括了分子熱運(yùn)動的平動、轉(zhuǎn)動、振動能量、化學(xué)能、原子能、核能. 第七頁，共三十九頁。和分子間相互作用的勢能。(不包括系統(tǒng)整體運(yùn)動的機(jī)械能)9-3 熱力學(xué)第一定律 內(nèi)能 功 熱量一、基本物

8、理量1、內(nèi)能 (internal energy)E 熱力學(xué)系統(tǒng)的能量 它包括了分子熱運(yùn)動的平動、轉(zhuǎn)動、振動能量、化學(xué)能、原子能、核能. 理想氣體的內(nèi)能： 理想氣體的內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，它是一個狀態(tài)量，只和始、末兩位置有關(guān)，與過程無關(guān)。 內(nèi)能變化E只與初末狀態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)過的過程無關(guān)，可以在初、末態(tài)間任選最簡便的過程進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)能變化方式做功熱傳遞2、功 (work) W熱力學(xué)系統(tǒng)作功的裝置活塞dlp-V圖第八頁，共三十九頁。2、功 (work) W熱力學(xué)系統(tǒng)作功的裝置活塞dlp-V圖(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVOV1V2dV結(jié)論：系統(tǒng)所做的功在數(shù)值上等于p-V 圖上過程曲線以

9、下的面積。熱力學(xué)系統(tǒng)作功的本質(zhì)： 無規(guī)則的分子熱運(yùn)動與有規(guī)則的機(jī)械運(yùn)動之間的能量轉(zhuǎn)化。3、 熱量(heat) Q: 系統(tǒng)之間由于熱相互作用而傳遞的能量。熱量傳遞的本質(zhì)： 無規(guī)則的分子熱運(yùn)動之間的能量轉(zhuǎn)化。 功和熱量都是過程量，而內(nèi)能是狀態(tài)量，通過做功或傳遞熱量的過程使系統(tǒng)的狀態(tài)（內(nèi)能）發(fā)生變化。熱量的單位：國際單位：焦耳（J） 工程單位：卡焦耳當(dāng)量：1卡 = 4.186 焦耳功與熱的等效性： 作功或傳遞熱量都可以改變熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能第九頁，共三十九頁。結(jié)論：系統(tǒng)所做的功在數(shù)值上等于p-V 圖上過程曲線以下的面積。熱力學(xué)系統(tǒng)作功的本質(zhì)： 無規(guī)則的分子熱運(yùn)動與有規(guī)則的機(jī)械運(yùn)動之間的能量轉(zhuǎn)化。3、

10、熱量(heat) Q: 系統(tǒng)之間由于熱相互作用而傳遞的能量。熱量傳遞的本質(zhì)： 無規(guī)則的分子熱運(yùn)動之間的能量轉(zhuǎn)化。 功和熱量都是過程量，而內(nèi)能是狀態(tài)量，通過做功或傳遞熱量的過程使系統(tǒng)的狀態(tài)（內(nèi)能）發(fā)生變化。熱量的單位：國際單位：焦耳（J） 工程單位：卡焦耳當(dāng)量：1卡 = 4.186 焦耳功與熱的等效性： 作功或傳遞熱量都可以改變熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能二、熱量和熱容量1、熱容量(thermal capacity)：物體溫度升高一度所需要吸收的熱量。單位：2、比熱(specific heat)： 單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量。單位：第十頁，共三十九頁。二、熱量和熱容量1、熱容量(thermal capacity)

11、：物體溫度升高一度所需要吸收的熱量。單位：2、比熱(specific heat)： 單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量。單位：3、摩爾熱容(Molar specific heat)： 1摩爾物質(zhì)的熱容量。i 表示不同的過程（1）定體摩爾熱容： 1mol理想氣體在體積不變的狀態(tài)下， 溫度升高一度所需要吸收的熱量。（2）定壓摩爾熱容： 1mol理想氣體在壓強(qiáng)不變的狀態(tài)下，溫度升高一度所需要吸收的熱量。（3）Cv,m和Cp,m的關(guān)系實(shí)驗(yàn)證明：邁耶公式 摩爾熱容比（絕熱系數(shù)）令實(shí)驗(yàn)證明：第十一頁，共三十九頁。（3）Cv和Cp的關(guān)系實(shí)驗(yàn)證明：邁耶公式 摩爾熱容比（絕熱系數(shù)）令實(shí)驗(yàn)證明：CV,mCp,m單原子He, A

12、r5/3=1.673R/25R/2雙原子H2,O27/5=1.45R/27R/2多原子H2O,CO24/3=1.333R4R三、熱力學(xué)第一定律(First law of thermodynamics)本質(zhì)：包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒和 轉(zhuǎn)換定律。Q ：表示系統(tǒng)吸收的熱量，W： 表示系統(tǒng)所作的功，E： 表示系統(tǒng)內(nèi)能的增量。熱力學(xué)第一定律微分式：其中i為自由度數(shù)：單原子 i=3雙原子 i=5多原子 i=6第十二頁，共三十九頁。9-3 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用一、等體過程 (process at constant volume)V熱源QdA = 0特征：V=d0P-V圖：pVV0O根據(jù)熱力學(xué)第一定律 等體

13、過程在等體過程中，系統(tǒng)吸收的熱量完全用來增加自身的內(nèi)能：因?yàn)椋瑲怏w的內(nèi)能僅為狀態(tài)函數(shù)，所以，在任意的熱力學(xué)過程中均適用。理想氣體的內(nèi)能：（理想氣體）第十三頁，共三十九頁。根據(jù)熱力學(xué)第一定律 等體過程在等體過程中，系統(tǒng)吸收的熱量完全用來增加自身的內(nèi)能：因?yàn)椋瑲怏w的內(nèi)能僅為狀態(tài)函數(shù)，所以，在任意的熱力學(xué)過程中均適用。理想氣體的內(nèi)能：（理想氣體）二、等壓過程 (process at constant pressure)特征：氣體在狀態(tài)變化過程中壓強(qiáng)保持不變。熱源PQP-V圖：pVV1V2pO根據(jù)熱力學(xué)第一定律第十四頁，共三十九頁。二、等壓過程 (process at constant pressur

14、e)特征：氣體在狀態(tài)變化過程中壓強(qiáng)保持不變。熱源PQP-V圖：pVV1V2pO根據(jù)熱力學(xué)第一定律三、等溫過程 (process at constant temperature)特征：氣體在狀態(tài)變化過程中溫度保持不變。T = 恒量，dE =0根據(jù)熱力學(xué)第一定律系統(tǒng)吸熱全部用作對外做功：P-V圖：pV1V2VO第十五頁，共三十九頁。三、等溫過程 (process at constant temperature)特征：氣體在狀態(tài)變化過程中溫度保持不變。T = 恒量，dE =0根據(jù)熱力學(xué)第一定律系統(tǒng)吸熱全部用作對外做功：P-V圖：pV1V2VO過程曲線（雙曲線）例9-1 將500J的熱量傳給標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下

15、的2mol氫。 (1) V不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的溫度為多少?2) T不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的p、V各為多少？(3) p不變，熱量變?yōu)槭裁矗繗涞腡、V各為多少？解：(1) V不變， Q = E， 熱量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。第十六頁，共三十九頁。例9-1 將500J的熱量傳給標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的2mol氫。 (1) V不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的溫度為多少?2) T不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的p、V各為多少？(3) p不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的T、V各為多少？解：(1) V不變， Q = E， 熱量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。(2)T不變， Q = W，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣?3)p不變， Q = W+ E， 熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣蛢?nèi)能第十七頁，共三十

16、九頁。 例9-2: 質(zhì)量為2.810-3kg、壓強(qiáng)為1.013105Pa、溫度為27的氮?dú)? 先在體積不變的情況下使其壓強(qiáng)增至3.039105Pa, 再經(jīng)等溫膨脹使壓強(qiáng)降至1.013105Pa , 然后又在等壓過程中將體積壓縮一半。試求氮?dú)庠谌窟^程中的內(nèi)能變化，所作的功以及吸收的熱量，并畫出p-V圖。解：V/m3p/(1.013105Pa)OV3V4132V1已知：m= 2.810-3kgp1=1.013105PaT1=273+27=300（k）根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得又p2=3.039105PaV2=V1根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得又則，又p4=p1=1.013105Pa則，第十八頁，共三十九頁。

17、V/m3p/(1.013105Pa)OV3V4132V1又則，又p4=p1=1.013105Pa則，等體過程：等溫過程：等壓過程：從而整個過程中：第十九頁，共三十九頁。絕熱過程:9-4 理想氣體的絕熱過程一、 準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程V1V2pVO氣體在狀態(tài)變化過程中系統(tǒng)和外界沒有熱量的交換。絕熱過程的熱力學(xué)第一定律:絕熱過程內(nèi)能增量：絕熱過程的功：絕熱過程方程：（絕熱方程或帕松方程）*絕熱方程的推導(dǎo)：第二十頁，共三十九頁。*絕熱方程的推導(dǎo)：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程兩邊微分：兩邊積分得：消去p：消去V：絕熱線和等溫線的比較：pVA絕熱等溫O 絕熱線在A點(diǎn)的斜率大于等溫線在A點(diǎn)的斜率。第二十一頁，共三十九頁。

18、二、非靜態(tài)絕熱過程絕熱自由膨脹 手放在壓力鍋上方，會不會燙手？三、多方過程顯然，第二十二頁，共三十九頁。三、多方過程顯然，由熱力學(xué)第一定律：多方過程的摩爾熱容為 Cn多方過程吸熱：第二十三頁，共三十九頁。由熱力學(xué)第一定律：多方過程的摩爾熱容為 Cn多方過程吸熱：比較可得：由和得多方過程的摩爾熱容：第二十四頁，共三十九頁。 例9-3: 有810-3kg氧氣，體積為0.4110-3m3 ，溫度為27。如氧氣作絕熱膨脹，膨脹后的體積為4.110-3m3 ，問氣體作多少功？如作等溫膨脹，膨脹后的體積也為4.110-3m3 ，問氣體作多少功？解：已知m=810-3kgV1=0.4110-3m3T1=27

19、3+27=300（k）i=5M=3210-3kg/molV2=4.110-3m31）絕熱膨脹由絕熱方程2）等溫膨脹第二十五頁，共三十九頁。熱力學(xué)基本計(jì)算公式第二十六頁，共三十九頁。熱力學(xué)過程中吸放熱的判斷第二十七頁，共三十九頁。9-4 循環(huán)過程和卡諾循環(huán)目的：制造能連續(xù)不斷進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換 的機(jī)器熱機(jī)、制冷機(jī)一、循環(huán)過程電冰箱 系統(tǒng)經(jīng)歷一系列的變化過程又回到初始狀態(tài)的過程。1、循環(huán)特征：經(jīng)歷一個循環(huán)過程后，內(nèi)能不變。2、一個循環(huán)過程的p-V圖：BAbapOV正循環(huán)顯然，AaB為膨脹過程：Wa0，BbA為壓縮過程：Wb0，一個循環(huán)過程中，系統(tǒng)所作的凈功：= p-V圖上循環(huán)曲線所包圍的面積逆循環(huán)：在p

20、-V圖上循環(huán)過程按逆時針 進(jìn)行。制冷機(jī)熱機(jī)3、一個循環(huán)過程中的吸熱和放熱設(shè)：第二十八頁，共三十九頁。2、一個循環(huán)過程的p-V圖：BAbapOV正循環(huán)顯然，AaB為膨脹過程：Wa0，BbA為壓縮過程：Wb0，一個循環(huán)過程中，系統(tǒng)所作的凈功：= p-V圖上循環(huán)曲線所包圍的面積逆循環(huán)：在p-V圖上循環(huán)過程按逆時針 進(jìn)行。制冷機(jī)熱機(jī)3、一個循環(huán)過程中的凈吸熱設(shè)：系統(tǒng)吸熱之和系統(tǒng)放熱之和根據(jù)熱力學(xué)第一定律4、熱機(jī)效率5、制冷系數(shù)A外制冷過程：外界作功W，系統(tǒng)吸熱Q1，系統(tǒng)放熱Q2。第二十九頁，共三十九頁。根據(jù)熱力學(xué)第一定律4、熱機(jī)效率5、制冷系數(shù)A外制冷過程：外界作功W，系統(tǒng)吸熱Q1，系統(tǒng)放熱Q2。 例

21、9-4: 3.210 -2 kg氧氣作ABCD循環(huán)過程。AB和C D都為等溫過程，設(shè)T1=300K，T2=200K，V2 =2V1。求循環(huán)效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1VpO解：（分析各分過程的吸熱或放熱）AB、DA吸熱，BC、CD放熱。AB等溫過程：DA等體過程：第三十頁，共三十九頁。 例9-4: 3.210 -2 kg氧氣作ABCD循環(huán)過程。AB和C D都為等溫過程，設(shè)T1=300K，T2=200K，V2 =2V1。求循環(huán)效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1VpO解：（分析各分過程的吸熱或放熱）AB、DA吸熱，BC、CD放熱。AB等溫過程：DA等體過程：B

22、C等體過程：CD等溫過程：第三十一頁，共三十九頁。二、卡諾循環(huán)目的：從理論上探索提高熱機(jī)效率的方法。1824年，法國青年科學(xué)家卡諾（1796-1832）提出一種理想熱機(jī)，工作物質(zhì)只與兩個恒定熱源（一個高溫?zé)嵩?，一個低溫?zé)嵩矗┙粨Q熱量。整個循環(huán)過程是由兩個絕熱過程和兩個等溫過程構(gòu)成，這樣的循環(huán)過程稱為 卡諾循環(huán)。1、理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)兩個等溫過程 和 兩個絕熱過程組成V3V1VpDABCV2V4T1T2OBC 和 DA 過程：絕熱AB 和 CD過程：等溫吸熱和放熱Q1Q2第三十二頁，共三十九頁。V3V1VpDABCV2V4T1T2OBC 和 DA 過程：絕熱AB 和 CD過程：等溫吸熱和放熱

23、Q1Q2卡諾循環(huán)效率：結(jié)論：1）卡諾循環(huán)的效率僅僅由兩熱 源的溫度決定。2）兩熱源的溫度差越大，卡諾 循環(huán)的效率越大。2、卡諾制冷系數(shù)：第三十三頁，共三十九頁?？ㄖZ循環(huán)效率：結(jié)論：1）卡諾循環(huán)的效率僅僅由兩熱 源的溫度決定。2）兩熱源的溫度差越大，卡諾 循環(huán)的效率越大。 例9-5: 一卡諾循環(huán)，熱源溫度為100 oC，冷卻器溫度為0oC。如維持冷卻器溫度不變，提高熱源溫度，使循環(huán)1的凈功率增加為原來的2倍。設(shè)此循環(huán)2工作于相同的兩絕熱線之間，工作物質(zhì)為理想氣體。試求： 此熱源的溫度增為多少？ 這時效率為多大？Vp T1ABCD DCOT0T2解：(1)循環(huán)1由循環(huán)效率的定義及卡諾循環(huán)效率公式整理得第三十四頁，共三十九頁。此熱源的溫度增為多少？ 這時效率為多大？Vp T1ABCD DCOT0T2解：(1)循環(huán)1由循環(huán)效率的定義及卡諾循環(huán)效率公式整理得同理：由題意：則，整理得：(2)第三十五頁，共三十九頁。例9-6