大學物理課件：熱力學基礎

熱力學基礎教學基本要求

一、掌握內能、功、熱量、準靜態(tài)過程等概念；二、掌握熱力學第一定律的應用，及理想氣體在等值過程中功、熱量等物理量的計算；三、理解循環(huán)的意義，掌握卡諾循環(huán)和其他簡單循環(huán)效率的計算；四、了解可逆、不可逆過程，及熱力學第二定律和熵增加原理；1.熱力學過程：系統(tǒng)由狀態(tài)A隨時間變化達到狀態(tài)B，則稱該系統(tǒng)經歷了一個熱力學過程。熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間的變化稱為熱力學過程。2.熱力學過程可分為：a.準靜態(tài)過程；

b.非靜態(tài)過程；3.準靜態(tài)過程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)經一系列中間平衡態(tài)到另一平衡態(tài)的理想過程稱為準靜態(tài)過程。13.1.1準靜態(tài)過程13.1熱力學第一定律氣體活塞細砂12注意：

a.準靜態(tài)過程是熱力學過程中的一種特殊過程，是相對緩慢的實際過程的近似；

b.準靜態(tài)過程在P—V圖中對應曲線；1.功：能量傳遞和轉換的量度，可引起系統(tǒng)狀態(tài)變化；2.準靜態(tài)過程系統(tǒng)對外界的體變功為：注意：a.功是過程量；

b.本章僅討論體變功；(1)(2)13.1.2功2.改變系統(tǒng)狀態(tài)的兩種方法：作功、傳熱；c.功與熱量的物理本質不同；b.等效性：改變系統(tǒng)狀態(tài)(1卡

=4.18J；1J=0.24

卡)；a.過程量：與熱力學過程有關；討論：功與熱量的異同；1.熱量：由于存在溫差，外界與系統(tǒng)傳遞的能量稱為熱量；13.1.3熱量2AB1**1.實驗證明系統(tǒng)從狀態(tài)A

變化到狀態(tài)B

，可采用做功和傳熱的方法，但不管經過什么過程，只要始、末狀態(tài)確定，做功和傳熱之和保持不變：13.1.4內能2.熱力學系統(tǒng)的內能是由系統(tǒng)的熱運動狀態(tài)所決定的單值函數。內能的增量只與系統(tǒng)初、終態(tài)有關，與系統(tǒng)經歷的過程無關：2AB1**3.理想氣體內能:

其內能僅是溫度的函數：(1)

我一生的樂趣在于不斷地去探求未知的那個世界。如果我能夠對其有一點點的了解，能有一點點的成就，那我就非常知足。

JamesPrescortJoule,1818-1889焦耳：對熱力學第一定律的發(fā)現(xiàn)作出了杰出的貢獻。該發(fā)現(xiàn)被視為十九世紀自然科學三大發(fā)現(xiàn)之首。焦耳一生沒有受過正規(guī)的學校教育，可他竟然以一位釀酒商的身份于業(yè)余時間成為現(xiàn)代熱力學的始祖。13.1.5熱力學第一定律機械功改變系統(tǒng)狀態(tài)的焦耳實驗AV電功改變系統(tǒng)狀態(tài)的實驗1.熱力學第一定律：系統(tǒng)從外界吸收熱量，部分使系統(tǒng)內能增加,部分使系統(tǒng)對外界做功:12**(2)(3)準靜態(tài)過程：(4)微小過程：13.1.5熱力學第一定律

a.能量轉換和守恒定律；

b.實驗與經驗的總結；

c.自然界的普遍規(guī)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2.規(guī)定：3.第一定律的物理意義：2.該定律就是能量守恒與轉換定律，是自然界最基本的規(guī)律之一：自然界物質的能量具有各種形式，并能從一種形式轉換為另一種形式，由一個系統(tǒng)傳遞給另一個系統(tǒng)，但在傳遞與轉換過程中，能量保持不變；關于熱力學第一定律：3.第一類永動機是不可能造成的。1.該定律指出了功與熱量之間的轉換關系，是熱力學的基本規(guī)律之一；13.2.1等體過程氣體的摩爾定體熱容2.摩爾定體熱容：理想氣體在等體過程中吸收的熱量，使溫度升高，其摩爾定體熱容為：過程方程：(1)熱力學第一定律：(2)(3)13.2.熱力學第一定律對理想氣體的應用1.等體過程的特征：

等體升壓

12

等體降壓

12(5)(4)(6)1213.2.2等壓過程摩爾定壓熱容1.等壓過程的特征：2.摩爾定壓熱容:理想氣體在等壓過程中吸收的熱量，溫度升高，其摩爾定壓熱容：過程方程：(1)體變功：(2)W(4)(3)熱一律：(5)(6)Mayer公式：(7)3.摩爾熱容比：

(8)12W等壓膨脹12W等壓壓縮

W

W(11)(10)系統(tǒng)等壓過程吸收的熱量：系統(tǒng)等壓過程內能的增量：(9)系統(tǒng)等壓過程的體變功：4.比熱容對任意物質組成的熱力學系統(tǒng)，經歷任意過程，則可定義對應于該過程的：熱容：(12)比熱容：(13)注意：

1.熱容是過程量，與系統(tǒng)經歷的過程有關；

2.熱容與系統(tǒng)的質量有關；

3.比熱容僅與過程有關；例題13.2.1設氣缸內儲有1mol的氫氣，在壓強保持不變的條件下，其溫度升高120K。試求：

（1）氫氣吸收的熱量；

（2）氫氣的內能增量；

（3）氫氣所做的功；解：分析由題意知為等壓過程，將氫氣視為剛性雙原子構成的理想氣體，則由相應關系式可解：（1）由其摩爾定壓熱容得到氫氣等壓過程吸收的熱量為：（3）由熱力學第一定律得到氫氣等壓過程對外界做的功為：（2）由其摩爾定體熱容得到氫氣等壓過程內能的增量為：等溫過程的特征：

恒溫熱源T12過程方程：常量(1)熱力學第一定律：(2)(3)13.2.3等溫過程等溫過程有：12等溫膨脹W12W等溫壓縮

W

W(4)1.絕熱過程的特征：12絕熱的汽缸壁和活塞(2)(3)(1)熱一律：13.2.4絕熱過程12W由(3)式及：可得：(4)(5)(6)2.絕熱過程方程的推出：12(1)(2)分離變量得：(4)(3)由(2)式得：(5)(4)(6)絕熱過程方程：(4)式整理得：12W絕熱膨脹12W絕熱壓縮

W

W3.絕熱線與等溫線a.絕熱過程曲線的斜率b.等溫過程曲線的斜率常量(1)(2)(3)常量(4)ABC常量(5)(6)ABC常量結論：絕熱線的斜率（絕對值）大于等溫線的斜率。(7)例題13.2.2設有10mol的氧氣，如圖13.7所示初態(tài)的壓強為、溫度為，試求下列過程把氧氣壓縮為原來體積的時所做的功：（1）等溫過程；（2）絕熱過程；（3）兩過程終態(tài)氣體壓強.解：分析由等溫、絕熱準靜態(tài)過程功的關系式及過程方程可解：（1）等溫過程外界對氧氣做的功為：（2）將氧氣視為剛性雙原子分子，其摩爾定體熱容及摩爾熱容比為：經絕熱過程氧氣的終態(tài)溫度為：則絕熱過程外界對氧氣所做的功為：（3）經等溫過程、絕熱過程，其終態(tài)壓強由對應過程方程分別求得：1.熱機發(fā)展簡介：1698年薩維利、1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機。但當時蒸汽機效率極低，1765年瓦特進行了重大改進，大大提高了蒸汽機效率。3.各種熱機效率比較：液體燃料火箭：柴油機：汽油機：蒸汽機：2.研究目的：人們一直為提高熱機效率而努力。從理論上研究熱機效率問題，可指明提高熱機效率的方向，另一方面也推動了熱學理論的發(fā)展。13.3熱力學循環(huán)與卡諾定理1.

循環(huán)過程：系統(tǒng)經一系列中間變化又回到初態(tài)的過程稱為熱力學循環(huán)過程，簡稱循環(huán)。準靜態(tài)循環(huán)過程在P—V圖上對應一閉合曲線。13.3.1循環(huán)過程2.規(guī)定：P—V圖中按順時針進行的循環(huán)為正循環(huán)，對應熱機；P—V圖中按逆時針進行的循環(huán)為逆循環(huán)，對應致冷機。3.循環(huán)過程的功：P—V圖中正循環(huán)所包圍的“面積”是系統(tǒng)對外的凈功；P—V圖中逆循環(huán)所包圍的“面積”是外界對系統(tǒng)的凈功；AB總放熱：（注意：取絕對值）總吸熱：凈功：(3)熱一律：(2)循環(huán)特征：(1)AB(4)13.3.2熱機和致冷機熱機高溫熱源低溫熱源AB熱機效率：(5)熱機正循環(huán)AB致冷機高溫熱源低溫熱源致冷系數：(6)致冷機逆循環(huán)13.3.3卡諾循環(huán)

低溫熱源高溫熱源卡諾熱機WABCD1.卡諾循環(huán)：由兩個準靜態(tài)等溫過程和兩個準靜態(tài)絕熱過程組成的循環(huán)。2.理想氣體卡諾循環(huán)熱機效率的計算

a—b

等溫膨脹：吸熱；

b—c

絕熱膨脹：

c—d

等溫壓縮：放熱；

d—a

絕熱壓縮：Wabcd卡諾循環(huán)對應的過程：a—b等溫膨脹吸熱:(1)(2)c—d

等溫壓縮放熱：b—c

絕熱過程：(3)

d—a

絕熱過程：(4)(5)WABCD(3)、(4)(6)結論：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.

卡諾熱機效率：(7)Wabcd高溫熱源低溫熱源卡諾致冷機3.卡諾致冷機（卡諾逆循環(huán)）Wabcd卡諾致冷機致冷系數：(8)

圖中兩卡諾循環(huán)嗎？討論：例題13.3.11mol氧氣經歷如圖13.13所示循環(huán)過程，其中，試求：(1)，和各過程氣體吸收或釋放的熱量；

(2)該循環(huán)對應的熱機效率。解：分析由理想氣體物態(tài)方程、過程方程及熱機效率關系式可求：為等體升壓過程，該過程吸收的熱量為：為等壓膨脹過程，該過程吸收的熱量為：

為等容降壓過程，該過程釋放的熱量為：

為等壓壓縮過程，溫度降低釋放熱量為：(2)循環(huán)過程氣體對外做的功及熱機效率：

整個循環(huán)過程吸收總熱量為：

解：分析由卡諾熱機效率可直接求解，于是得到鍋爐的效率為：例題13.3.2設蒸汽機車的鍋爐溫度為，其冷卻器溫度為，若將鍋爐的循環(huán)視為理想氣體準靜態(tài)卡諾正循環(huán)，試求鍋爐的效率。

注意：實際蒸汽機的效率遠小于上述結果。由于鍋爐內燃料燃燒的熱量只有部分轉變?yōu)檎羝臒崮埽?、再加上各種損耗，蒸汽機車的最高效率只有8%～9%。目前效率較低的蒸汽機車已被內燃機車、電力機車、動車組取代。例13.3.3設電冰箱置于室溫的房間內，冷藏室的溫度維持在，由于冰箱老化密封性能欠佳，每天有熱量傳遞到電冰箱內。設電冰箱的制冷題系數為卡諾制冷機制冷系數的55%，若要使冷藏室的溫度維持在，試求電冰箱壓縮機每天做的功及功率。解：分析由題意已知電冰箱制冷系數，故由卡諾制冷機制冷系數及制冷系數定義，帶入已知數據可求對應功及功率如下：2.開爾文說法（熱機表述）：不可能從單一熱源吸取熱量，使其完全變?yōu)橛杏霉Χ划a生任何其它影響。13.4.1熱力學第二定律的兩種表述提出問題：違背熱力學第一定律的熱力學過程一定不會發(fā)生，符合該定律的熱力學過程一定會發(fā)生嗎？13.4熱力學第二定律1.第二類永動機：從單一熱源吸熱，將其全部用來對外作功而不放出熱量到低溫熱源的熱機，效率可達百分之百！12W

WWABCD低溫熱源高溫熱源卡諾熱機卡諾循環(huán)等溫膨脹過程卡諾致冷機：雖然該機能把熱量從低溫物體轉移至高溫物體，但需外界作功且使環(huán)境發(fā)生變化。3.克勞修斯說法（致冷機表述）：不可能把熱量由低溫物體傳到高溫物體而不產生任何其它影響。高溫熱源低溫熱源卡諾致冷機WABCD

1.熱力學第二定律是大量實驗、經驗的總結；

3.熱力學第二定律可有多種等效說法；

2.熱力學第二定律的兩種說法具有等效性；注意：13.4.2熱力學第二定律兩種表述的等效性可以證明：開爾文表述與克勞修斯表述等效。1.可逆過程:在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，若其逆過程能重復正過程的每一狀態(tài),而不引起其他變化,這樣的過程叫做可逆過程。13.5可逆過程與不可逆過程卡諾定理準靜態(tài)無摩擦過程為可逆過程13.5.1可逆過程與不可逆過程3.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)，或雖能重復但必然引起其他變化，這樣的過程叫做不可逆過程。2.可逆過程的條件：無摩擦的準靜態(tài)過程；注意：自然界一切與熱現(xiàn)象有關的實際過程都是不可逆過程；4.熱力學第二定律的實質：指出自然界一切與熱現(xiàn)象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。指出實際宏觀過程自發(fā)進行的方向。結論：珍惜時間，愛護生命！充實自我，天天向上！1.在相同高、低溫熱源間工作的任意工質的可逆機都具有相同的效率；13.5.2卡諾定理2.工作在相同高、低溫熱源間的一切不可逆機的效率都不可能大于可逆機的效率；以卡諾機為例：結論：一切循環(huán)中：

a.可逆卡諾正循環(huán)效率最高；

b.可逆卡諾逆循環(huán)致冷系數最大；卡諾定理的意義：為提高熱機效率指明了方向；要提高熱機效率：向可逆卡諾正循環(huán)逼近！1.結論：可逆卡諾循環(huán)中,熱溫比總和為零。熱溫比等溫過程中吸收或放出的熱量與熱源溫度之比?？赡婵ㄖZ機：問題：如何判斷孤立系統(tǒng)中過程進行的方向？(1)(2)13.6熵和熵增加原理13.6.1克勞修斯等式對所有微小循環(huán)求和：2.任意可逆循環(huán)：可視為許多可逆卡諾循環(huán)所組成；結論：

對任一可逆循環(huán)過程,熱溫比之和為零。該結論稱為克勞修斯等式。任一微小可逆卡諾循環(huán)：(3)當時，則：(4)熵：在可逆過程中，系統(tǒng)從狀態(tài)A到狀態(tài)B

，其熱溫比的積分只決定于始末狀態(tài)，而與過程無關。據此可知熱溫比的積分是一態(tài)函數的增量，此態(tài)函數稱熵。3.熵(Entropy)是態(tài)函數**ABCD對可逆過程：由：故對于可逆過程有：(5)無限小可逆過程：

熱力學系統(tǒng)從初態(tài)A

變化到末態(tài)B，系統(tǒng)熵的增量等于初態(tài)