熱力學第一定律熱力學第二定律.ppt
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1,,第三章 熱力學第一定律,2,研究對象與外界有功,有熱交換:,1. 熱力學系統:熱力學研究的對象稱為熱力學 系統(研究氣體系統),其它均稱為外界。,系統的分類:,,研究對象與外界無功,有熱交換:,研究對象與外界有功,無熱交換:,研究對象與外界無功,無熱交換:,一般系統,透熱系統,絕熱系統,封閉(孤立)系統,一、基本概念,3,2. 熱力學過程:,狀態(tài)隨時間變化的過程,(1)按系統與外界的關系分類:,,自發(fā)過程:無外界幫助,系統的狀態(tài)改變。,非自發(fā)過程:有外界幫助,系統的狀態(tài)改變。,非平衡態(tài) 到平衡態(tài),平衡態(tài)到 非平衡態(tài),(2)按過程中經歷的各個狀態(tài)的性質分類:,,準靜態(tài)過程(平衡過程):初態(tài)、每個中間態(tài)、終態(tài) 都可近似地看成是平衡態(tài)的過程。,非靜態(tài)過程(非平衡過程):只要有一個狀態(tài)不是平衡 態(tài),整個過程就是非靜態(tài)過程。,過程分類:,4,(3)按過程的特征分類:,,等容過程: d V = 0,等壓過程: d P = 0,等溫過程: d T = 0,絕熱過程: d Q = 0,Q = 0,循環(huán)過程:,d E = 0 E終態(tài) = E初態(tài),5,PV 圖上一條線,表示一個平衡過程。,PV 圖上一個點,表示一個平衡狀態(tài)。,3.過程曲線,4.功、熱量、內能,,,P,V,,,,,非平衡態(tài),非平衡過程不能在PV 圖上表示??!,6,二、功、熱量、內能,★ 特點:,(不僅與始末兩態(tài)有關,而且 與經歷的中間過程有關),過程量,★ 氣體對外界所做的元功,★ 氣體體積從V1變化到V2時,系統對外界 做的總功,,1. 功,改變內能的方法,,外界對系統作功(或反之)。,外界對系統傳熱(或反之)。,7,外界對系統作功,A為負。,,10 此過程所作的功反映在 P-V圖 上,就是曲線下的面積。,,,,,,1,2,,,,,系統對外界作功,A為正。,20上圖:系統對外界作了功,系統的狀態(tài) 變了,內能也變了。,“功”是系統內能變化的量度,,P,V,,符號法則:,注意:,功不僅與初、末態(tài)有關,還與過程有關 是過程量。,,8,★ 理想氣體最重要的四個等值過程的功,①等溫過程,(T=常數),等溫,9,② 絕熱過程,比熱容比,,絕熱,10,③ 等壓過程,④ 等容過程,11,2. 熱量,★ 特點:,過程量,(有不同的摩爾熱容量),,系統吸熱, Q為正。,系統放熱, Q為負。,★符號法則:,( 不同的過程有不同的熱量 ),★ 摩爾熱容量Cm:,一摩爾物質溫度升高1K時系 統從外界吸收的熱量。,,12,熱量:,,②定壓摩爾熱容量CP,m: P = 常數,①定容摩爾熱容量CV,m: V = 常數,,,,,,,13,3. 內能,狀態(tài)量,★特點:,(只與始末兩態(tài)有關,與中間 過程無關),★氣體的內能,14,10 作功和傳熱對改變系統的內能效果是一樣的。,(要提高一杯水的溫度,可加熱,也可攪拌),20 國際單位制中,功、熱、內能單位都是焦耳(J)。,(1卡 = 4.18 焦耳),30 功和熱量都是系統內能變化的量度,但功和熱本身絕不是內能。,內能:態(tài)函數,系統每個狀態(tài)都對應著一定內能的數值。,功、熱量:只有在狀態(tài)變化過程中才有意義,狀態(tài)不 變,無功、熱可言。,40 作功、傳熱在改變內能效果上一樣,但有本質別:,作功:通過物體宏觀位移來完成,是系統外物體的有 規(guī)則運動與系統內分子無規(guī)則運動之間的轉換。,傳熱:通過分子間的相互作用來完成,是系統外、內分子無規(guī)則運動之間的轉換。,注意 :,15,三、熱力學第一定律,★ 微分形式,★ 積分形式,,1.數學表達式,準靜態(tài)過程,16,2. 熱力學第一定律的物理意義,(1)系統從外界所吸收的熱量 Q , 一部分用于 系統對外作功,一部分使系統內能增加。,(2)熱一律是包括熱現象在內的能量轉換和守恒 定律。,問:經一循環(huán)過程不要任何能量供給不斷地對外作功, 或較少的能量供給,作較多的功行嗎?,第一類永動機是不可能制成的!,熱一律可表述為:,17,10 熱一律的適用范圍:任何熱力學系統的任何 熱力學過程。,( 平衡過程可計算 Q、 A ),20 對只有壓強作功的系統熱一律可表為:,注意:,18,3. 熱力學第一定律對理想氣體等值過程的應用,對平衡過程計算:,根據:,,19,1.等容過程,(1)特征: V=恒量 ,dV=0, 參量關系: P/ T = 恒量,(2)熱一律表式:,,,對有限變化過程,系統吸收的熱量全部用來增加系統本身的內能。,意義:,20,,,,(3)定容摩爾熱容:1摩爾氣體在等容過程中, 溫度升高(或降低)1K所吸收(或放出) 的熱量。,單原子分子,,雙原子分子,,,,多原子分子,,21,,,(4)內能增量:,等容過程,(適用于任何過程),22,2. 等壓過程,(1)特征: P=恒量 ,dP=0, 參量關系:,(2)熱一律表式:,作功:,,,,內能增量:,意義: 系統吸收的熱量,一部分對外作功,一部分增加自身的內能。,,23,(3)定壓摩爾熱容:1摩爾氣體在等壓過程中, 溫度升高(或降低)1K所吸收(或放出) 的熱量。,,,,,,,,,,(邁耶公式),24,比熱容比,單原子分子,,雙原子分子,等壓過程,,多原子分子,25,3. 等溫過程,(1)特征:T = 恒量, d T = 0 ,dE=0 參量關系: PV = 恒量,(2)熱一律表式,,意義: 系統吸收的熱量全部用來對外作功。,功:,26,,(3)“定溫摩爾熱容”,等溫過程,27,作業(yè):3.1 3.3 3.6 3.7,28,,,1.等容過程,2. 等壓過程,29,,3. 等溫過程,30,(Adiabatic Process),4. 絕熱過程,(1)特征,參量關系(泊松方程),,(2)熱一律表式,,,,,,,31,意義:當氣體絕熱膨脹對外作功時,氣體內能 減少。,功:,(2),內能改變:,絕熱膨脹靠的是內能減少。 (溫度降低),(1),32,,,,絕熱方程推導:,,見書P118~119,33,,,,,34,,絕熱過程方程(泊松方程),,(3)“絕熱摩爾熱容”,35,等溫線,斜率,絕熱線,斜率,,,(4)絕熱線與等溫線的比較,36,結論:絕熱線比等溫線陡峭,同一點 斜率之比,,,,,,,,,絕熱,等溫,自學絕熱自由膨脹P122~124,37,過程 特征 參量關系 Q A ?E,等容 等壓 等溫 絕熱,V 常量,P 常量,T 常量,,(P/T)=常量,(V/T)=常量,PV = 常量,38,例1(4346)試證明 剛性分子理想氣體 作等壓膨脹時,若從外界吸收的熱量為 Q,則其氣體分子平均動能的增量為 Q/(?NA), 式中??為比熱容比。,證明:,理想氣體分子平均動能的增量,39,對等壓過程,,一摩爾剛性分子,理想氣體,,40,例2(4694)某理想氣體在P-V圖上等溫線 與絕熱線相交于A點,如圖,已知A點的 壓強P1=2105Pa,體積V1=0.510-3m3, 而且A點處等溫線斜率與絕熱線斜率之 比為0.714,現使氣體從A點絕熱膨脹至 B點,其體積V2=110-3m3 。求 (1)B點處的壓強 (2)在此過程中氣體對外作的功,41,,,例2(4694)圖,,,,,,解:,(1)B點處的壓強,由絕熱過程方程,42,(雙原子分子),,,43,(2)在此過程中氣體對外作的功,44,例3(5078)一個可以自由滑動的絕熱活塞 (不漏氣)把體積為2V0的絕熱容器分成 相等的兩部分A、B。 A、B中各盛有摩 爾數為?的剛性分子理想氣體,(分子 的自由度為 )溫度均為T0。今用一外力 作用于活塞桿上,緩慢地將A中氣體的 體積壓縮為原體積的一半。忽略摩擦以 及活塞桿的體積。求外力作的功。,,,,,,45,所以,外力作的功應 等于A、B容器內氣體內能的總增量。,例3(5078)解答,,,,,,設:A、B中氣體末態(tài)的溫度分別為T1和T2 ,,A、B中氣體內能的增量分別為?EA和?EB 。,因為容器是絕熱的,,46,即:,,,,,,47,同理有,48,(練習)如圖所示,一個四周用絕熱材 料制成的氣缸,中間有一固定的用導熱 材料制成的導熱板C把氣缸分成A、B兩 部分。D是一絕熱的活塞。A中盛有1mol氦氣,B中盛有1mol氮氣(均視為剛性分子的理想氣體)。今外界緩慢地移動活塞D,壓縮A部分的氣體,對氣體作功為A,試求在此過程中B部分氣體內能的變化。,,,,,,氦氣,氮氣,49,(練習)如圖所示,C是固定的絕熱壁, D是可動活塞,C、D將容器分成A、B兩部分。 開始時A、B兩室中各裝入同種類的理想氣體, 它們的溫度T、體積V、壓強P均相同,并與大 氣壓強相平衡?,F對A、B兩部分氣體緩慢地 加熱,當對A和B給予相等的熱量Q以后,A室 中氣體的溫度升高度數與B室中氣體的溫度升 高度數之比為7:5。求:,,,,,,50,(1)求該氣體的定容摩爾熱容CV和定壓摩 爾熱容CP (2)B室中氣體吸收的熱量有百分之幾用于 對外做功?,,,,,,51,(練習)一定量的理想氣體,從P-V圖 上初態(tài)a經歷(1)或(2)過程到達末 態(tài)b,已知a、b兩態(tài)處于同一條絕熱線 上(圖中虛線是絕熱線),問兩過程中 氣體吸熱還是放熱? (A)(1)過程吸熱 (2)過程放熱 (B)(1)過程放熱 (2)過程吸熱 (C)兩種過程都吸熱 (D)兩種過程都放熱,,,,,,(1),(2),52,,四、循環(huán)過程及卡諾循環(huán),1. 循環(huán)過程:,物質系統經歷一系列的變化過程又回到初始狀態(tài),這樣周而復始的變化過程稱為循環(huán)過程,簡稱為循環(huán)。,,,,,,,,,,過程按順時針進行叫正循環(huán),反之,叫逆循環(huán)。,(1)特征 d E=0 ?E=0,(3)熱功計算:按各不同的分過程進行,總合起來求得 整個循環(huán)過程的凈熱量、凈功。,(2)通過各種平衡過程組合起來實現。,53,(1) 熱機(Heat Engine),利用工作物質持續(xù)不斷地把熱轉化為功的裝置。,2. 熱機 致冷機,什么過程能對外做功?,等壓 等溫 絕熱,,什么過程最好?,,0,,,實際上,僅僅等溫過程是不行的!,系統從外界 吸收的熱量,系統對外界 所作的凈功,熱,,功,,54,★ 熱機循環(huán),利用工作物質持續(xù)不斷地把熱轉化為功的循環(huán)。,熱機循環(huán)的循環(huán)箭頭是順時鐘的,,(正循環(huán)),系統對外界所作的凈功,=,循環(huán)曲線包圍的面積,是正循環(huán),以保證,55,★ 熱機循環(huán)效率,56,熱機發(fā)展簡介 1698年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機 ,當時蒸汽機的效率極低 . 1765年瓦特進行了重大改進 ,大大提高了效率 . 人們一直在為提高熱機的效率而努力, 從理論上研究熱機效率問題, 一方面指明了提高效率的方向, 另一方面也推動了熱學理論的發(fā)展 .,57,各種熱機的效率,液體燃料火箭,柴油機,汽油機,蒸汽機,58,熱機 : 持續(xù)地將熱量轉變?yōu)楣Φ臋C器 .,59,★ 致冷機(Refrigerator),通過對系統做功,從而從低溫熱源吸取 熱量的裝置。,★ 致冷機循環(huán),(逆循環(huán)),利用工作物質持續(xù)不斷地把功轉化為熱 的循環(huán)。,(2)致冷機:將熱機的工作過程反向運轉(逆 循環(huán)),就是致冷機。,60,★ 制冷機制冷系數,(循環(huán)效率),,,,熱,,系統吸收的 熱量,功,,外界對系統 所作的凈功,,致冷機循環(huán)的循環(huán)箭頭是逆時鐘,外界對系統所作的凈功= 循環(huán)曲線包圍的面積,61,冰箱循環(huán)示意圖,62,例 1 汽油機可近似看成如圖循環(huán)過程(Otto循環(huán)),其中AB和CD為絕熱過程,求此循環(huán)效率.,,吸,放,,,C,D,B,A,P,,,,,,,,,,,,,V1,V2,解,63,又CD和AB是絕熱過程:,所以,64,作業(yè):3.8 3.9 3.10 3.20,65,卡諾循環(huán)是由兩個等溫過程和兩個 絕熱過程相間組成,特點:,3.卡諾循環(huán),1824年28歲的工程師卡諾提出最理想的循環(huán),動畫,66,,67,卡諾熱機循環(huán),藍色,等溫線,紅色,絕熱線,(1)1→2,等溫膨脹( ),特點:,系統從外界吸熱,系統對外界作功,,,,Q吸,,,T1,T2,膨脹,,68,(2)2→3,絕熱膨脹過 程,溫度下降至低 溫熱源溫度,特點:,系統對外界作功,,,,,膨脹,,69,(3)3→4,等溫壓縮( ),特點:,外界對系統作功,系統向外界放熱,,,,,,Q放,被壓縮,,70,(4)4→1,絕熱壓縮過程, 經此過程,系統回到 原來狀態(tài),完成一個 循環(huán)。,特點:,外界對系統作功,,,,,被壓縮,,71,★ 一個循環(huán)完畢:,系統對外界作的凈功,系統內能增量,系統從外界吸收的凈熱量,系統從外界吸收的凈熱量,= 系統對外界做的凈功,72,★熱機的工作原理,系統所吸收的熱量,不能全部用來對外作凈功,必須有一部分傳給冷源,才能進行循環(huán)。,,,,,,,T1,T2,~,凈,動畫,★卡諾熱機循環(huán)效率,凈,,,,,73,,20 卡諾熱機的效率只與T1、T2有關,與工作物無關。,,10 從單一熱源吸取熱量的熱機是不可能的,,,,,30,不可能,,等溫 循環(huán),,,動畫,74,◆卡諾制冷機循環(huán),(1)1→4,絕熱膨脹過程, 系統溫度下降至低溫 熱源溫度,,,,,,(2)4→3,等溫膨脹( ),系統吸熱,75,(3)3→2,絕熱壓縮過 程,溫度上升到高 溫熱源,,,,,,(4)2→1,等溫壓縮( ) 經此過程,系統回到 原來狀態(tài),完成一個 制冷循環(huán)。,系統放熱,76,★卡諾制冷機制冷系數,,,,,,★卡諾致冷機原理:,工作物質從低溫熱源吸熱 ,又接受外界所作的功 ,向高溫熱 源放出熱量 。,,,,,,,T1,T2,~,動畫,77,圖中兩卡諾循環(huán) 嗎 ?,78,例2 一電冰箱放在室溫為 的房間里 ,冰箱儲藏柜中的溫度維持在 . 現每天有 的熱量自房間傳入冰箱內 , 若要維持冰箱內溫度不變 , 外界每天需作多少功 , 其功率為多少? 設在 至 之間運轉的冰箱的致冷系數是卡諾致冷機致冷系數的 55% .,解,79,房間傳入冰箱的熱量 熱平衡時,由 得,保持冰箱在 至 之間運轉, 每天需作功,80,功率,81,例. 一定質量的理想氣體循環(huán)過程分析Q、A 的正負,,,,,,,1—2:等壓,升溫,2—3:等溫,升壓,3—1:,等容、降溫,大,大,小,小,小,大,小,大,,,,,,,,,82,作業(yè):3.25 3.29,- 配套講稿:
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