山東農業(yè)工程學院《大學物理》課件-第6章熱力學基礎

山東農業(yè)工程學院《大學物理》第6章-熱力學基礎6.1熱力學第一定律6.３循環(huán)過程6.４熱力學第二定律6.２理想氣體等值過程和絕熱過程第6章熱力學基礎熱力學過程:

在外界影響下，系統(tǒng)從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化過程，簡稱過程。非靜態(tài)過程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)的過程中，所有中間態(tài)為非平衡態(tài)的過程。熱力學過程準靜態(tài)過程非靜態(tài)過程準靜態(tài)過程：從一個平衡態(tài)到另一平衡態(tài)所經過的每一中間狀態(tài)均可近似看做平衡態(tài)的過程.一、準靜態(tài)過程1.準靜態(tài)過程是理想化過程非平衡態(tài)←快←無限緩慢接近平衡態(tài)

如何判斷“無限緩慢”？

弛豫時間:

系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變到相鄰平衡態(tài)所經過的時間平衡破壞→新的平衡

t過程

>>

：過程就可視為準靜態(tài)過程所以無限緩慢只是個相對的概念。ⅠⅡ2.準靜態(tài)過程可用過程曲線來表示p－V圖上，一點代表一個平衡態(tài)，一條連續(xù)曲線代表一個準靜態(tài)過程。1.功：能量傳遞和轉換的量度，引起系統(tǒng)熱運動狀態(tài)的變化.

體積功的計算注意：做功與過程有關.二、準靜態(tài)過程的功與熱量●摩爾熱容摩爾熱容Cm為過程量熱量是過程量2.熱量：熱傳遞過程中,系統(tǒng)吸收或放出能量的多少.

實際氣體內能：所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和。內能是狀態(tài)量:

E=E(T,V)理想氣體內能:是狀態(tài)參量T的單值函數(shù)。系統(tǒng)內能改變的兩種方式1.做功可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)

摩擦升溫（機械功）、電加熱（電功）

功是過程量三、內能做功是系統(tǒng)熱能與外界其它形式能量轉換的量度。2.熱量傳遞可以改變系統(tǒng)的內能

熱量是過程量熱量是系統(tǒng)與外界熱能轉換的量度。使系統(tǒng)的狀態(tài)改變，傳熱和做功是等效的。1）過程量：與過程有關；2）等效性：改變系統(tǒng)熱運動狀態(tài)作用相同；

宏觀運動能量分子熱運動能量功分子熱運動能量分子熱運動能量熱量3）功與熱量的物理本質（能量轉換）不同.1卡

=4.18J，1J=0.24

卡功與熱量的異同系統(tǒng)吸收的熱量，一部分轉化成系統(tǒng)的內能；另一部分轉化為系統(tǒng)對外所做的功.準靜態(tài)過程ⅠⅡ**四、熱力學第一定律+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內能增加內能減少系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功第一定律的符號規(guī)定

1）包括熱現(xiàn)象在內的能量轉換和守恒定律.2）實驗經驗總結，自然界的普遍規(guī)律.物理意義對無限小過程準靜態(tài)過程：熱力學第一定律另一表述：

制造第一類永動機（能對外不斷自動作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的機器）是不可能的。6.1熱力學第一定律6.３循環(huán)過程6.４熱力學第二定律6.２理想氣體等值過程和絕熱過程第6章熱力學基礎熱力學第一定律特征恒量過程方程恒量一、等容過程定容摩爾熱容摩爾熱容定容摩爾熱容熱力學第一定律

等容升壓

12

等容降壓

12ⅠⅡ過程方程恒量特征恒量功W二、等壓過程微分得pdV=RdT絕熱系數(shù)理想氣體

的理論值：對單原子分子,i=3,=1.67對剛性雙原子分子,i=5,=1.40對剛性多原子分子,i=6,=1.3312W等壓膨脹

W

W12W等壓壓縮ⅠⅡ特征恒量過程方程恒量功三、等溫過程12等溫膨脹W12W等溫壓縮

W

WⅠⅡ在系統(tǒng)不與外界交換熱量的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)變化過程叫做絕熱過程.

特征氣體對外做功:

絕熱

方程恒量恒量恒量四、絕熱過程絕熱

方程恒量恒量恒量絕熱過程曲線的斜率等溫過程曲線的斜率絕熱線的斜率大于等溫線的斜率.ABC常量A處斜率為A處斜率為12W絕熱膨脹12W絕熱壓縮

W

W例6-1有2mol氦氣，由初始狀態(tài)a(T1，V1)等壓加熱至體積增大1倍，再經絕熱膨脹，使其溫度降至初始溫度，如圖所示．把氦氣視為理想氣體，試求：(1)整個過程氦氣吸收的熱量．(2)氦氣所做的總功是多少．解:(1)根據(jù)狀態(tài)方程有各過程吸收的熱量為(2)對整個過程應用熱力學第一定律依題意，Ta＝Tc，故ΔE＝0，總功為Q＝ΔE＋W例6-2

1mol雙原子分子理想氣體的pV關系如圖所示，由初態(tài)A(p1，V1)經準靜態(tài)過程直線變到終態(tài)B(p2，V2)．試求該理想氣體在A→B過程中：(1)內能增量．(2)對外界所做的功．(3)吸收的熱量．(4)A→B過程的摩爾熱容．解(1)內能增量(2)A→B過程所做的功為曲線下梯形面積，故因AB為過原點的直線，根據(jù)相似三角形有p1V2＝p2V1，則(3)由熱力學第一定律，吸收的熱量為(4)根據(jù)狀態(tài)方程，熱量可寫成對于A→B過程中，任一微小狀態(tài)變化均應有由摩爾熱容定義,得6.1熱力學第一定律6.３循環(huán)過程6.４熱力學第二定律6.２理想氣體等值過程和絕熱過程第6章熱力學基礎ac

系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經過一系列狀態(tài)變化過程以后，又回到原來出發(fā)時的狀態(tài)，這樣的過程叫做循環(huán)過程，簡稱循環(huán).熱力學第一定律特征ac正循環(huán):W凈

>0逆循環(huán):W凈

<0凈功總吸熱總放熱（取絕對值）正循環(huán)過程對應熱機，逆循環(huán)過程對應致冷機。W凈熱機

：通過工質使熱量不斷轉換為功的機器.

工作物質（工質）：循環(huán)工作的物質系統(tǒng)一、循環(huán)效率熱機熱機的效率熱機效率高溫熱源低溫熱源熱機（正循環(huán)）ac制冷系數(shù)制冷機（逆循環(huán)）制冷機高溫熱源低溫熱源ac制冷系數(shù)冰箱循環(huán)示意圖例6-3內燃機的一種循環(huán)叫作奧托(Otto)循環(huán)，其工質為燃料與空氣的混合物，利用燃料的燃燒熱產生巨大壓力而做功．圖615為一內燃機結構示意圖和它作四沖程循環(huán)的pV圖．其中(1)ab為絕熱壓縮過程；(2)bc為電火花引起燃料爆炸瞬間的等容過程；(3)cd為絕熱膨脹對外做功過程；(4)da為打開排氣閥瞬間的等容過程．在bc過程中工質吸取燃料的燃燒熱Q1，da過程排出廢氣帶走了熱量Q2，奧托循環(huán)的效率決定于汽缸活塞的壓縮比V2/V1，試計算其熱機效率．

解：氣體在等容升壓過程bc中吸熱Q1，在等容降壓過程da中放熱Q2，Q1和Q2大小分別為熱機效率為因為cd和ab均為絕熱過程

兩式相減，得得于是得

令

稱為壓縮比，則有低溫熱源高溫熱源卡諾熱機

卡諾循環(huán)兩個準靜態(tài)等溫過程兩個準靜態(tài)絕熱過程組成1234二、卡諾循環(huán)1234

理想氣體卡諾循環(huán)熱機效率的計算

1—2

等溫膨脹

2—3

絕熱膨脹

3—4

等溫壓縮

4—1

絕熱壓縮卡諾循環(huán)1—2等溫膨脹吸熱3—4等溫壓縮放熱12344—1絕熱壓縮2—3絕熱膨脹

卡諾熱機效率1234

卡諾熱機效率與工作物質無關，只與兩個熱源的溫度有關，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高.

1234高溫熱源低溫熱源卡諾制冷機

卡諾制冷機（卡諾逆循環(huán)）卡諾制冷機制冷系數(shù)

圖中兩卡諾循環(huán)嗎？討論奧托循環(huán)例6-4一卡諾制冷機從溫度為－10℃的冷庫中吸取熱量，釋放到溫度為26℃的室外空氣中，若制冷機耗費的功率是1.5kW，求(1)每分鐘從冷庫中吸取的熱量；(2)每分鐘向室外空氣中釋放的熱量．

解(1)根據(jù)卡諾制冷系數(shù)有

所以，從冷庫中吸取的熱量為(2)釋放到室外的熱量為例

:1mol氧氣作如圖所示的循環(huán).求循環(huán)效率.abcQabQbcQca等溫線0V02V0Vp0p解:6.1熱力學第一定律6.３循環(huán)過程6.４熱力學第二定律6.２理想氣體等值過程和絕熱過程第6章熱力學基礎問題:熱力學第一定律:

一切熱力學過程都應滿足能量守恒。但滿足能量守恒的過程是否一定都能進行?熱力學第二定律:

滿足能量守恒的過程不一定都能進行!過程的進行還有個方向性的問題。一、熱力學第二定律

不可能制成一種循環(huán)動作的熱機，它只從一個單一溫度的熱源吸取熱量，并使其全部變?yōu)橛杏霉Γ灰鹌渌兓?這就是熱力學第二定律的開爾文表述.1.開爾文表述

等溫膨脹過程是從單一熱源吸熱作功，而不放出熱量給其它物體,但它不是循環(huán)過程.12

卡諾循環(huán)是循環(huán)過程，但需兩個熱源，且使外界發(fā)生變化.低溫熱源高溫熱源卡諾熱機1234

永動機的設想圖

雖然卡諾制冷機能把熱量從低溫物體移至高溫物體，但需外界作功且使環(huán)境發(fā)生變化.熱量不可能自動地由低溫物體傳向高溫物體.

高溫熱源低溫熱源卡諾制冷機2.克勞修斯表述1234

對于孤立系統(tǒng)，從非平衡態(tài)向平衡態(tài)過渡是自動進行的，這樣的過程叫自然過程.功熱轉換的過程是有方向性的（單擺）熱傳導過程也具有方向性氣體向真空中絕熱自由膨脹的過程是有方向性的

二、可逆過程與不可逆過程自然過程不受外來干預(孤立系統(tǒng)),因此一切與熱現(xiàn)象有關的自然過程都都是按一定方向進行的,反方向的逆過程不可能自動地進行。

熱力學第二定律不僅指出了自然過程具有方向性，而且進一步指明了非孤立系統(tǒng)中,一切實際的宏觀熱力學過程都是不可逆的。

可逆過程

:如果存在一個逆過程，該逆過程能使系統(tǒng)和外界同時完全復原（即系統(tǒng)回到原來狀態(tài)，同時消除了原來過程對外界引起的一切影響），則原來的過程稱為可逆過程.

可逆過程是理想過程無耗散+準靜態(tài)

可逆過程必然可以沿原路徑的反向進行,系統(tǒng)和外界的變化可以完全被消除的過程。

非準靜態(tài)過程為不可逆過程.

不可逆過程：在不引起其他變化的條件下，不能使逆過程重復正過程的每一狀態(tài)，或者雖能重復但必然會引起其他變化，這樣的過程叫做不可逆過程.注意：不可逆過程不是不能逆向進行，而是說當過程逆向進行