熱力學基礎(chǔ)課件

熱力學準靜態(tài)過程功熱量熱力學第一定律熱容絕熱過程循環(huán)過程卡諾循環(huán)一、熱學的研究對象和內(nèi)容§7.1熱學的研究對象和研究方法▲對象：宏觀物體（大量分子原子系統(tǒng)）或物體系

—

熱力學系統(tǒng)。外界系統(tǒng)外界▲內(nèi)容：與熱現(xiàn)象有關(guān)的性質(zhì)和規(guī)律。二、描述方法1.宏觀描述從整體上描述系統(tǒng)的狀態(tài)和屬性。

宏觀量：一般可以直接測量。如P、V、T

等2.微觀描述

描述系統(tǒng)內(nèi)微觀粒子的運動狀態(tài)。

微觀量：

一般不能直接測量。如分子的質(zhì)量m、速度v等。

宏觀量是相應的微觀量的統(tǒng)計平均值

三、熱學的研究方法：

從宏觀的實驗規(guī)律出發(fā)

系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系

優(yōu)點：可靠、普遍。

缺點：未揭示微觀本質(zhì)。

物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)+統(tǒng)計方法：可靠性、普遍性差。1.熱力學—宏觀理論2.統(tǒng)計物理學—微觀理論（初級理論為氣體動理論)優(yōu)點:揭示了熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。缺點:受模型局限，普遍性較差。

宏觀法與微觀法相輔相成§7.2平衡態(tài)理想氣體狀態(tài)方程一、氣體的狀態(tài)參量—宏觀量平衡態(tài)？

壓強—P：氣體施加于器壁的正壓力1Pa=1N/m2

1atm=1.01325105Pa體積—V：氣體分子能自由活動的空間溫度—T：熱物理學的狀態(tài)量，反映物體的冷熱程度狀態(tài)參量：描寫系統(tǒng)平衡態(tài)的變量在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間改變的狀態(tài)。二、平衡態(tài)氣體真空平衡態(tài)注意：2.不受外界的影響—孤立系統(tǒng)，與穩(wěn)態(tài)不同1.平衡態(tài)是理想狀態(tài)3.動態(tài)平衡處在平衡態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)的大量分子仍在作熱運動，每個分子的速度經(jīng)常在變，但是系統(tǒng)的宏觀量不隨時間改變。三、溫度ABA、B兩系統(tǒng)用絕熱板隔開各自達到平衡態(tài)A、B兩系統(tǒng)用傳熱板隔開兩系統(tǒng)各自的平衡態(tài)被破壞，最后達到共同的新的平衡狀態(tài)——熱平衡AB1.熱平衡2.熱力學第零定律設(shè)A和B、B和C分別達到熱平衡，則A和C一定達到熱平衡。ABC3.溫度與溫標處于熱平衡的物體應具有由一個共同的物理量所決定的宏觀性質(zhì)——溫度溫標——溫度的數(shù)值表示法溫度計——用來測量系統(tǒng)溫度定標點：水的冰點0°C水的沸點100°C定義理想氣體溫標

T，水的三相點作為一個定標點t=T-273.15四、理想氣體狀態(tài)方程m—氣體的質(zhì)量M—氣體的摩爾質(zhì)量

—摩爾數(shù)普適氣體常數(shù)克拉珀龍方程理想氣體：任何條件下都嚴格遵守克拉珀龍方程的氣體理想氣體——實際氣體在P

0時的極限實際氣體在一般T和較低P近似地看成理想氣體理想氣體方程一、內(nèi)能系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的能量包括所有分子的動能EK與分子間的勢能EP理想氣體：EP=0ABEAEB§7.3功熱量內(nèi)能熱力學第一定律1.定義：微觀上

焦耳實驗實驗結(jié)果——T

——系統(tǒng)的內(nèi)能與溫度有關(guān)絕熱壁E是系統(tǒng)熱力學狀態(tài)的單值函數(shù)，其變化可以用系統(tǒng)絕熱時，外界對系統(tǒng)所作的功來量度。理想氣體的內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)。2.內(nèi)能的性質(zhì)1212AaⅠ外AaⅡ外絕熱壁AaⅠ外R水AaⅡ外絕熱壁RI水定義：（外界對系統(tǒng)作的功）實驗：與過程無關(guān)。記3.內(nèi)能的宏觀定義真正要確定某系統(tǒng)內(nèi)能的多少要選定一個作參考的內(nèi)能零點。實際有意義的是內(nèi)能的差值系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)對外界作的絕熱功的負值-------內(nèi)能的宏觀定義。（Aa系統(tǒng)對外界作的功）（外界對系統(tǒng)作的功）絕熱壁恒溫熱源TA外=0A非保內(nèi)=0T

E

Q外界對系統(tǒng)輸入能量——熱量。改變系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)的途徑：（1）A外

E——宏觀有規(guī)則的能量轉(zhuǎn)變成微觀無規(guī)則的能量.（2）Q

E——一個系統(tǒng)的微觀無規(guī)則的能量，轉(zhuǎn)變成另一個系統(tǒng)的微觀無規(guī)則的能量.二、熱量

傳熱是否可以改變系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)？

傳熱的微觀本質(zhì)是：分子無規(guī)則運動的能量從高溫物體向低溫物體傳遞。

熱量也是過程量。dQ系統(tǒng)外界熱量是通過溫度差傳遞的能量。三.熱力學第一定律

實驗結(jié)果：對于任一過程

另一敘述：第一類永動機是不可能制成的。

對于任一元過程

熱力學第一定律適用于

任何系統(tǒng)(氣液固……)的任何過程(非準靜態(tài)過程也適用),符號規(guī)定:

Q>0系統(tǒng)吸熱

E>0系統(tǒng)內(nèi)能增加

A>0系統(tǒng)對外界作正功熱力學第一定律是反映熱現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化與守恒的定律。為什么要引入準靜態(tài)過程的概念？原平衡態(tài)

一系列非平衡態(tài)新平衡態(tài)

系統(tǒng)從一個熱力學狀態(tài)變化到另一個狀態(tài),稱為熱力學過程。汽缸§7.4準靜態(tài)過程中功和熱量的計算一、準靜態(tài)過程2.準靜態(tài)過程的實際意義？準靜態(tài)過程:一個過程，如果任一中間狀態(tài)都無限接近于平衡態(tài)，則此過程稱為準靜態(tài)過程。例如，實際氣缸的壓縮過程：

(T

)過程～0.1秒

～L/v=0.1米/100（米/秒）=0.001秒弛豫時間

:從平衡態(tài)破壞到新的平衡態(tài)建立所需的時間。--------“無限緩慢”實際氣缸的壓縮過程：可抽象成準靜態(tài)壓縮過程。1.準靜態(tài)過程的理論意義？--------理想化模型！改變系統(tǒng)熱力學狀態(tài)的方法：1.作功2.傳熱

﹤﹤(T)過程---------準靜態(tài)過程的條件3.準靜態(tài)過程可以用P-V圖上的一條曲線(過程曲線)來表示。T2系統(tǒng)T1系統(tǒng)（T1）直接與熱源（T2）有限溫差傳熱的熱傳導為非準靜態(tài)過程系統(tǒng)T1T1+△TT1+2△TT1+3△TT2若傳熱過程“無限緩慢”，或保持系統(tǒng)與外界無窮小溫差，可看成準靜態(tài)傳熱過程。.1.熱庫或熱源(熱容量無限大、溫度不變)。2.準靜態(tài)傳熱過程(溫差無限小)：P1FP2F′xdxP0VP1V1P2V2系統(tǒng)作功活塞位移P1V1P2V2dV>0

?A>0

系統(tǒng)作正功dV

<0

?A<0

系統(tǒng)作負功

A二、準靜態(tài)過程中的計算功1、積分法3間接計算法由熱力學第一定律

Ｑ＝

E＋A→A

通過作功改變系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)的微觀實質(zhì)：分子無規(guī)則運動的能量分子有規(guī)則運動的能量2.幾何法PVOV1V2P1123某過程曲線包圍的面積，等于此過程的功。例.

摩爾理想氣體從狀態(tài)1狀態(tài)2，設(shè)經(jīng)歷等溫過程。求氣體對外所作的功是多少？【解】注意:

功是過程量,它的積分不僅與始末狀態(tài)有關(guān)，還與經(jīng)歷什么過程有關(guān)。體積功的幾何意義是什么？只表示微量功，不是數(shù)學上的全微分；小結(jié)基本概念：1、平衡態(tài)——在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間改變的狀態(tài)。用相應的宏觀量描述壓強—P：氣體施加于器壁的正壓力體積—V：氣體分子能自由活動的空間2、宏觀量：溫度—T：熱物理學的狀態(tài)量，反映物體的冷熱程度3.內(nèi)能系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的能量包括所有分子的動能EK與分子間的勢能EP（1）.定義：微觀上系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)對外界作的絕熱功的負值-------內(nèi)能的宏觀定義。宏觀上（2）.性質(zhì)：內(nèi)能是狀態(tài)的函數(shù)，與過程無關(guān)。

傳熱是否可以改變系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)？

傳熱的微觀本質(zhì)是：分子無規(guī)則運動的能量從高溫物體向低溫物體傳遞。

熱量也是過程量。dQ系統(tǒng)外界4.熱量：是通過溫度差傳遞的能量。

5.功：是過程量（3）間接計算法由熱力學第一定律

Ｑ＝

E＋A→A（2）幾何法某過程曲線包圍的面積，等于此過程的功。計算（1）.積分法6.準靜態(tài)過程:一個過程，如果任一中間狀態(tài)都無限接近于平衡態(tài)，則此過程稱為準靜態(tài)過程。--------“無限緩慢”--------理想化模型！

﹤﹤(T)過程---------準靜態(tài)過程的條件準靜態(tài)過程可以用P-V圖上的一條曲線(過程曲線)來表示?；径梢?、理想氣體狀態(tài)方程m—氣體的質(zhì)量M—氣體的摩爾質(zhì)量—摩爾數(shù)二.熱力學第一定律

實驗結(jié)果：對于任一過程

對于任一元過程符號規(guī)定:

Q>0系統(tǒng)吸熱

E>0系統(tǒng)內(nèi)能增加

A>0系統(tǒng)對外界作正功

§7.5等體摩爾熱容和等壓摩爾熱容一、準靜態(tài)過程中的熱量計算熱容Q=mc(T2－T1)上式中c是物體的比熱容，物體的質(zhì)量與比熱容的乘積mc，稱為物體的熱容。1mol

物質(zhì)的熱容，稱為摩爾熱容。定義1.等體摩爾熱容：摩爾熱容:1摩爾氣體經(jīng)過某一熱力學過程，溫度升高（降低）1K所需要吸收（釋放）的熱量。理想氣體的內(nèi)能:單雙多

5/37/54/3由理想氣體的狀態(tài)方程3.比熱容比：邁耶公式單原子分子氣體雙原子分子氣體2.等壓摩爾熱容§7.6熱力學第一定律對理想氣體在典型準靜態(tài)過程的應用狀態(tài)1狀態(tài)2準靜態(tài)過程系統(tǒng)的Q、A、

E？

E

QA理想氣體Q=A+（E2-E1）噴汽前——等體積過程噴汽時——等壓過程

一、等容過程V一定dv=0PVO

P-V圖上對應一直線過程方程能量轉(zhuǎn)換關(guān)系二、等壓過程P一定dP=0PVO

P-V圖上對應一直線過程方程121

2系統(tǒng)做正功Q>021系統(tǒng)做負功Q<0

能量轉(zhuǎn)換關(guān)系三、等溫過程T一定dT=0

P-V圖上對應一曲線PVO過程方程V1V2能量轉(zhuǎn)換關(guān)系例7.1水蒸氣的Cp=36.2Jmol-1K–1,m=1.50KgT=1000C,在標準大氣壓下緩慢加熱，至T=4000C。此過程水蒸氣吸收的熱量，作的功，內(nèi)能的改變。解:例7.2N2PVO123解2-3等體V3=V21-3等溫

T1=T31-2等壓

P1=P2吸熱求1—3，1—2—3兩過程中氣體內(nèi)能增量，吸收的熱量，作的功T§7.7絕熱過程

一.理想氣體準靜態(tài)絕熱過程

過程方程:或過程時間

傳熱時間什么是準靜態(tài)絕熱過程？什么是絕熱過程？推導過程方程的思路是什么？∴PdV=-

CVdT(1)(2)再對理想氣體狀態(tài)方程取微分：

PdV+VdP=

RdT(2)將(1)式代入(2)式，并化簡,即可得將其與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合，可得另兩個方程。因為dQ=０,dA=-dE,(1)先考慮一絕熱的元過程,寫出熱一律：（以上推導過程方程的方法有典型性）

絕熱線:

理想氣體的絕熱線比等溫線“更陡”?！咀C明】設(shè)一等溫線和一絕熱線在Ａ點相交,比較Ａ點處等溫線與絕熱線的斜率(注意

>1)。（1）從A點經(jīng)等溫膨脹過程

V

---n

---P

（2）從A點經(jīng)絕熱膨脹過程V

---n

---P

且因絕熱對外做功E

---T

---P

P’2

<P２.（注意絕熱線上各點溫度不同）數(shù)學方法：物理方法：

能量轉(zhuǎn)換關(guān)系:

Q=０

E=

CV

T可見,絕熱過程靠減少系統(tǒng)的內(nèi)能來對外做功。

功也可由直接計算:……(2)

A=-ΔE=

CV(T1-T2)……(1)間接法（1），（2）兩式的結(jié)果應該一樣嗎？請大家課下證明。例題3mol

雙原子理想氣體從初狀態(tài)T1=300k、P1=105Pa

到末狀態(tài)V2=V1/2；分別計算等壓過程、等溫過程、絕熱過程系統(tǒng)所作的功A及末狀態(tài)的溫度T2

。解（3）?Q=0P0V（1）等壓過程[P]V2V1[T]（2）等溫過程T2=T1=300K（3）絕熱過程T2V2-1=T1V1-1

雙原子=7/5；cV=5/2R小結(jié)基本概念定義1.等體摩爾熱容量：1摩爾氣體經(jīng)過某一熱力學過程，溫度升高（降低）1K所需要吸收（釋放）的熱量。一、熱容cx2.等壓摩爾容熱單雙多

5/37/54/33.比熱容比：邁耶公式單原子分子氣體雙原子分子氣體4.熱一律在理想氣體等值過程的應用理想氣體各過程的重要公式過程特征過程方程吸收熱量對外做功內(nèi)能增量等體V=C0等壓P=C等溫T=C0絕熱Q=005.循環(huán)過程

什么是循環(huán)過程？曲線所包圍的面積等于做功的大小。A

正循環(huán)吸熱，對外作功(熱機循環(huán))逆循環(huán)放熱，對系統(tǒng)作功（致冷循環(huán)）在一正循環(huán)中,系統(tǒng)從高溫熱源吸熱

定義：熱機的效率對外作的凈功為系統(tǒng)內(nèi)能增量

熱機的效率向低溫熱源放熱§7.8循環(huán)過程水（鍋爐）加熱高溫蒸汽推動活塞作功低溫蒸汽（冷凝器）放熱蒸汽機經(jīng)一循環(huán)內(nèi)能不變，作功只與吸熱有關(guān)。工質(zhì)是理想氣體，準靜態(tài)過程——P-V圖上一閉合曲線描述一次循環(huán)過程。一、一般循環(huán)過程循環(huán)過程：系統(tǒng)的狀態(tài)經(jīng)過一系列變化后，又回到原來的狀態(tài)，則稱它經(jīng)歷了一個循環(huán)過程。

二.循環(huán)過程及其特點:

什么是循環(huán)過程？

循環(huán)過程在P-V圖上有什么特點？曲線所包圍的面積等于做功的大小。

正循環(huán)吸熱，對外作功(熱機循環(huán))

逆循環(huán)放熱，對系統(tǒng)作功（致冷循環(huán)）AQ1

為吸熱，Q2為放熱三.熱機及其效率什么是熱機？----系統(tǒng)(工質(zhì))吸熱、對外作功的機器。熱機必須進行循環(huán)過程。只是等溫膨脹的過程是能否作熱機？PVT在一正循環(huán)中,系統(tǒng)從高溫熱源吸熱

定義：熱機的效率對外作的凈功為系統(tǒng)內(nèi)能增量

熱機的效率向低溫熱源放熱在一逆循環(huán)中,外界對系統(tǒng)做功A，系統(tǒng)從冷庫中吸熱Q2,向外界放出熱量Q1

定義：制冷系數(shù)制冷系數(shù)由熱一律制冷系數(shù)越大，，外界消耗的功相同時，工質(zhì)從冷庫中取出的熱量越多，制冷效果越佳。

例。火力發(fā)電廠A2A1水泵火力發(fā)電廠的熱力循環(huán)四大件:1鍋爐.2汽輪機.3冷凝器.4水泵.現(xiàn)代“火力發(fā)電廠”外貌：鍋爐水泵冷卻塔渦輪機現(xiàn)代火力發(fā)電廠結(jié)構(gòu)示意圖例.奧托四沖程熱機排氣閥點火裝置進氣閥活塞

四沖程圖：abcdea1.吸氣ab等壓c2.壓縮b絕熱3.爆炸作功等容dc爆炸絕熱ed作功4.排氣babe等容等壓PVVVabcde0VVVP簡化后（理想）bde0ca定義壓縮比：簡化后:對空氣、標準奧托循環(huán)：實際的汽油機原因:1.“絕熱”過程,仍有散熱2.有負功損耗3.活塞摩擦4.氣流擾動等可盡量在技術(shù)上提高

實，但總歸問題：什么樣的循環(huán)

理最高?可推得取r=7,=1.4：例題1mol單原子理想氣體作循環(huán)（如圖），已知：P′

=2P、V′

=2V，求：作正循環(huán)時，

=？P0VP′PVV

′1234解（1）Q12Q23Q34Q41Q

1=Q12+Q23由P′=2PT2=2TI[V]A=循環(huán)線所圍面積=（P′-P）（V′-V）=2P1V1=2RT1由V2=2V2

T3=2T2[P]7.9熱力學第二定律Q放=0

=100%從一個熱源吸熱，全部用來作功。行嗎？熱力學第一定律判斷：Q1=A

可行！熱力學第二定律：不行！——這是人們從失敗的教訓中總結(jié)出來的定律。

開爾文表述：“不可能只從單一熱源吸取熱量，使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他任何影響?！薄诙愑绖訖C不可能！暖風機致冷機能否制造一種機器，外界不需要作功，使熱量從低溫熱源傳到高溫熱源？A外=0

熱力學第一定律判斷：Q吸=Q放A=0U=0

可行！熱力學第二定律判斷：

不行！克勞修斯表述：“熱量不能自動地從高溫物體傳到低溫物體”——第二類永動機不可能！開爾文表述與克勞修斯表述的等價性如果熱量能自動從低溫物體傳到高溫物體T1T2Q1AQ2自動制成單熱源機單熱源機能制成T1T2Q1AQ2熱量Q2從低溫熱源傳到高溫熱源，其他什么都沒變。Q1+Q2致冷機Q27.10可逆與不可逆過程自然界的許多自發(fā)過程都不可逆性——有方向性。一、可逆過程狀態(tài)1某過程狀態(tài)2完全一樣的中間狀態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境完全復原。無摩擦、無泄漏的準靜態(tài)過程是可逆過程。循環(huán)過程是可逆的熱機、致冷機稱為可逆機。（2）熱傳導不可逆（3）擴散不可逆（1）熱功轉(zhuǎn)換不可逆熱剎車摩擦生熱。烘烤車輪，車不開。熱量不能自動從低溫

高溫自由膨脹，不可自動收縮二、不可逆過程三、