熱力學第一定律

熱力學第一定律第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日本章討論熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時在能量上所遵循的規(guī)律－－－－熱力學第一定律第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日§2.1準靜態(tài)過程系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的過程熱力學過程準靜態(tài)過程：過程中任意時刻，系統(tǒng)都無限接近平衡態(tài)要求：過程無限緩慢“無限”——過程進行的時間遠大于由非平衡態(tài)到

平衡態(tài)的過渡時間（馳豫時間）第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日氣缸實際時間約為10-2s，可初級近似為準靜態(tài)過程弛豫時間約10-3秒

實現(xiàn)：外界壓強總比系統(tǒng)壓強大一小量△P，就可以緩慢壓縮。例氣體的準靜態(tài)壓縮實際壓縮一次1秒第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日舉例：系統(tǒng)（初始溫度T1）從外界吸熱系統(tǒng)T1T1+△TT1+2△TT1+3△TT2從T1T2

是準靜態(tài)過程系統(tǒng)溫度T1直接與熱源T2接觸，最終達到熱平衡，不是準靜態(tài)過程。因為狀態(tài)圖中任何一點都表示系統(tǒng)的一個平衡態(tài)，故準靜態(tài)過程可以用系統(tǒng)的狀態(tài)圖，如P-V圖（或P-T圖，V-T圖）中一條曲線表示，反之亦如此。第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日VPo等溫過程等容過程等壓過程循環(huán)過程

幾種等值過程曲線第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日§2.2功、熱、內(nèi)能一、功做功可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)摩擦升溫（機械功）、電加熱（電功）電源R第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日psdlF以氣缸內(nèi)氣體的準靜態(tài)膨脹做功為例：準靜態(tài)過程的體積功準靜態(tài)過程中體積功的計算當dV>0

，dA>0，系統(tǒng)對外界做功當dV<0

，dA<0，外界對系統(tǒng)做功第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日系統(tǒng)對外界做的總功功的幾何表示VpV1V212VV＋dV第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日例如：VP12V2V1P2P1第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日體積功的特點做功與過程有關

功是過程量PVV1V2ⅠⅡ?qū)ο嗤某跄B(tài)，不同過程，A不同第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日二、熱量:Q1）系統(tǒng)和外界溫度不同，就會傳熱，或稱能量交換，

熱量傳遞可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)。如：夏天的車胎膨脹現(xiàn)象功、熱都能改變系統(tǒng)狀態(tài)熱量傳遞的方向用Q的符號表示：規(guī)定：dQ>0表示系統(tǒng)從外界吸熱dQ<0表示系統(tǒng)向外界放熱

2）熱量是過程量總熱量：

積分與過程有關。第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日三、系統(tǒng)的內(nèi)能E對理想氣體、處于溫度為T的平衡態(tài)：系統(tǒng)的內(nèi)能是狀態(tài)量，如同P、V、T等量第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日1)改變系統(tǒng)狀態(tài)的方式有兩種作功傳熱2)作功、傳熱是相同性質(zhì)的物理量均是過程量小結(jié)系統(tǒng)的內(nèi)能是狀態(tài)量第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日§2.3熱力學第一定律系統(tǒng)在過程中

能量守恒熱源QA——熱力學第一定律功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量熱量也是過程量適用于任何熱力學系統(tǒng)（氣、液、固）的任何熱力學過程，各量單位：JE1E2第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日熱一律對理想氣體的應用對理想氣體：第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日對理想氣體準靜態(tài)過程：對無限小過程：第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日一、等容過程V=CA=0等容過程吸收的熱量全部用于改變系統(tǒng)的內(nèi)能Vpp1p212V幾種典型的等值準靜態(tài)過程第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日二、等溫過程：T=C1V1Vpp1p22V2第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日等溫過程吸收的熱量全部用于對外做功一個系統(tǒng)與外界的熱量傳遞不一定引起系統(tǒng)本身溫度的變化等溫過程(相變）熔化；凝固；汽化；液化時。第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日等壓過程吸收的熱量一部分用于對外做功，一部分用于改變內(nèi)能。三、等壓過程p=C VppV2V112第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日例1:一定質(zhì)量的理想氣體,由狀態(tài)a經(jīng)b到達c,（如圖,abc為一直線）求此過程中。（1）氣體對外做的功；（2）氣體內(nèi)能的增量；（3）氣體吸收的熱量；(1atm=1.013×105Pa).第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日摩爾熱容量

C——1mol理想氣體溫度升高1度，所吸收的熱量。比熱(容)c，單位：J/kg·K摩爾熱容量C，單位：J/mol·K§2.4熱容量“一定量氣體溫度升高dT，所吸收的熱量為dQ”定體摩爾熱容量

C

V，m:

——1mol理想氣體在等容過程中溫度

升高1度，所吸收的熱量。定壓摩爾熱容量

C

p，m:

——1mol理想氣體在等壓過程中溫度

升高1度，所吸收的熱量。第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日一、定體摩爾熱容理想氣體等容過程：對m克理想氣體的等容過程：

等容過程：第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日二、定壓摩爾熱容理想氣體等壓過程：第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日比熱（容）比γ：——邁耶公式思考：第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日剛性多原子分子的取值與氣體分子的種類有關單原子分子剛性雙原子分子室溫下與實驗基本符合第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日熱力學第一定律在各等值過程的應用3.等壓過程：2.等容過程：1.內(nèi)能:4.等溫過程：第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日例:0.02kg的氦氣（視為理想氣體）,溫度由17°C升為27°C,若在升溫過程中,（1）體積保持不變；（2）壓強保持不變；（3）不與外界交換熱量,試分別求出氣體內(nèi)能的改變、吸收的熱量、外界對氣體作的功。第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日§2.5理想氣體的絕熱過程過程中，不能或來不及與外界交換熱量。絕熱層對m克氣體，當A>0，

T2<T1,

絕熱膨脹使溫度降低當A<0，

T2>T1,

絕熱壓縮使溫度升高打氣筒第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日①②不定積分一、理想氣體準靜態(tài)絕熱過程第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日絕熱方程VPo——泊松公式第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日由A點處斜率判斷：絕熱線與等溫線的比較系統(tǒng)從A點出發(fā)，經(jīng)歷等溫與絕熱過程

絕熱線比等溫線更陡VPoA等溫絕熱第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日1）若理想氣體絕熱膨脹對外做正功：2）若理想氣體絕熱壓縮對外做負功：由及可知：第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日Q=0，A=0，△E=0二、氣體絕熱自由膨脹：氣體絕熱自由膨脹為一非準靜態(tài)過程即：膨脹前后p2T2V2氣體真空p1T1V1氣體的絕熱自由膨脹并非等溫過程作業(yè)：3.9;3.10第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日例：汽缸內(nèi)有一種剛性雙原子分子的理想氣體，若經(jīng)過準靜態(tài)絕熱膨脹后，氣體的壓強減小了一半，求變化前后氣體的內(nèi)能之比E1:E2=？解：對雙原子分子g=7/5第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日例2:溫度為25C、壓強為1atm的1mol剛性雙原子分子理想氣體，經(jīng)等溫過程體積膨脹至原來的3倍．(1)計算這個過程中氣體對外的功.(2)假設氣體經(jīng)絕熱過程體積膨脹至原來的,3倍那么氣體對外做的功又是多少?第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日解：（1）等溫過程氣體對外作功為（2）絕熱過程氣體對外作功第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日2.工作物質(zhì)：將熱轉(zhuǎn)換為功的物質(zhì)系統(tǒng)（可為固、液、氣），簡稱工質(zhì)。3.循環(huán)過程：工質(zhì)經(jīng)歷一系列變化后又回到初始狀態(tài)的整個過程叫循環(huán)過程，簡稱循環(huán)?！?/p>

2.6

循環(huán)過程一、熱機及其效率的一般概念1.熱機：利用熱做功的機器。如蒸汽機、內(nèi)燃機等。Vp第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日A1A2Q2Q1RBPC熱電廠內(nèi)水的循環(huán)過程：第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日VPadcb內(nèi)能不變凈功等于曲線包圍面積正循環(huán)：過程順時針進行逆循環(huán)：過程逆時針進行循環(huán)以吸熱對外做功為目的，稱為熱機循環(huán)循環(huán)以從低溫熱源吸熱為目的，稱為制冷循環(huán)循環(huán)過程的特征：由若干個分過程組成第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日Q1Q2高溫熱庫低溫熱庫工質(zhì)A凈4.熱機循環(huán)效率：能流圖第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日1）Q1表示循環(huán)過程中吸熱分過程吸收熱量的和，Q1>0;2）Q2表示循環(huán)過程中放熱分過程放出熱量的和，Q2<0;3）A凈表示熱機循環(huán)一次系統(tǒng)對外做凈功。第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日例11molO2進行如圖所示循環(huán)，其中AB為等溫過程，求：1)一次循環(huán)對外所做凈功A、吸收的熱量Q1；2）此循環(huán)的效率h。P(atm)V(l)22.444.8ABC1第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日P(atm)V(l)22.444.8ABC1解：AB等溫膨脹第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日P(atm)V(l)22.444.8ABC1BC等壓壓縮第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日P(atm)V(l)22.444.8ABC1CA等容升溫第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日1）2）第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日PVT1ABT2CD§2.7卡諾循環(huán)準靜態(tài)循環(huán)，工質(zhì)為理想氣體，只和兩個恒溫熱庫交換熱量。AB：等溫膨脹T1BC：絕熱膨脹CD：等溫壓縮T2DA：絕熱壓縮第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日PVT1ABT2CD第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日卡諾循環(huán)效率只與熱源溫度有關實際熱機的最大效率指明了實際熱機提高效率的途徑300MW發(fā)電機組的主蒸汽溫度約為T2=600C°,T1=30C°，卡諾效率為65％，實際效率約為30％左右。習題指導26；18；19第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日Q1Q2高溫熱庫低溫熱庫工質(zhì)A1.工作原理：2.致冷系數(shù)2.8致冷循環(huán)（逆循環(huán)）第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日3.卡諾致冷循環(huán)T1ABT2DPVC第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日致冷機（冰箱）的工作過程：作業(yè):3.20;3.25;3.27

習題指導：12；15；24第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日例：一定量理想氣體，從初態(tài)A開始，經(jīng)歷三種不同過程，B、C、D處于同一條等溫線上，AC為絕熱線。問1.AB過程吸熱還是放熱？

2.AD過程是吸熱還是放熱？VPoADCB1.若以ABCA構(gòu)成循環(huán)過程為逆循環(huán)過程AB放熱第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日2.若以A

D

CA構(gòu)成循環(huán)過程VPoADCB為正循環(huán)過程AD吸熱第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日1.一定量的理想氣體，經(jīng)歷某過程后，它的溫度升高

了．則根據(jù)熱力學定律可以斷定：（1）該理想氣體系統(tǒng)在此過程中吸了熱．（2）在此過程中外界對該理想氣體系統(tǒng)作了正功．（3）該理想氣體系統(tǒng)的內(nèi)能增加了．（4）在此過程中理想氣體系統(tǒng)既從外界吸了熱，又對

外作了正功．以上正確的斷言是：(A)(1)、(3).(B)(2)、(3).(C)(3).(D)(3)、(4).(E)(4).

[C]第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日2.某理想氣體分別進行了如圖所示的兩個卡諾循環(huán)：I（abcda）和II（a’b’c’d’a’），且兩條循環(huán)曲線所圍面積相等。設循環(huán)Ι的效率為，每次循環(huán)在高溫熱源處吸的熱量為Q，循環(huán)II的效率為'，每次循環(huán)在高溫熱源處吸的熱量為Q'，則（A）<',Q<Q',（B）<',Q>Q',（C）>',Q<Q',（D）>',Q>Q'.[B]第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日3.理想氣體卡諾循環(huán)過程的兩條絕熱線下的面積大?。▓D中陰影部分）分別為S1和S2，則二者的大小關系是：（A）S1>S2； （B）S1=S2；（C）S1>S2；

（D）無法確定。[B]ADCB第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日4.一定量的理想氣體從體積V1膨脹到體積V2分別經(jīng)歷的過程是：AB等壓過程；AC等溫過程；AD絕熱過程,其中吸熱最多的過程。[A

]（A）是AB；（B）是A

C;（C）是AD；（D）既是AB也是AC,兩過程吸熱一樣多。做功最多？內(nèi)能增加最多？第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日5.一定的理想氣體,分別經(jīng)歷了上圖的abc的過程,（上圖中虛線為ac等溫線）,和下圖的def過程（下圖中虛線df為絕熱線）,判斷這兩個過程是吸熱還是放熱。[A]（A）abc過程吸熱,def過程放熱；（B）abc過程放熱,def過程吸熱；（C）abc過程和def過程都吸熱；（D）abc過程和def過程都放熱。第63頁，共73頁，2023年，2月20日，星期日6.一定量某理想氣體所經(jīng)歷的循環(huán)過程是：從初態(tài)（V0，T0）開始，先經(jīng)絕熱膨脹使其體積增大1倍，再經(jīng)等容升溫回復到初態(tài)溫度T0，最后經(jīng)等溫過程使其體積回復為V0，則氣體在此循環(huán)過程中：（A）對外作的凈功為正值；（B）對外作的凈功為負值；（C）內(nèi)能增加了；（D）從外界凈吸的熱量為正值。

[B]第64頁，共73頁，2023年，2月20