热力学第一定律.ppt

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1、热学,1,第一章我们从热力学的角度学习了有关平衡态的一些知识，那么很自然要进一步讨论系统从一个平衡态变化到另一个平衡态的过程，在这一过程中状态参量的变化的规律是什么？从而系统的能量以及热力学性质会发生什么样的变化？这种变化在实际中有何意义？这些重要的问题可以用热力学的方法加以方便地讨论，从而给出满意的回答。,热学,2,第二章,热力学第一定律,热学,3,教学基本要求,一 掌握内能、功和热量等概念 . 理解准静态过程 .,二 掌握热力学第一定律，能分析、计算理想气体在等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量 .,三 理解循环的意义和循环过程中的能量转换关系，会计算卡诺循环和其他简单循环

2、的效率 .,四 了解可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律和熵增加原理 .,热学,4,2.1 热力学系统的过程2.2 功2.3 内能 热量 焦耳热功当量实验2.4 热力学第一定律2.5 理想气体的内能、热容和焓2.6 热力学第一定律对理想气体 几种典型过程的应用2.7 循环过程2.8 技术上的循环实例,第二章 热力学第一定律,热学,5,2.1 热力学系统的过程,一、热力学过程,当热力学系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个热力学过程，简称过程。,热学,6,二、非静态过程,3、非静态过程：在热力学过程的发生时，系统往往由一个平衡状态经过一系列状态变化后到达另一平衡态。如果中间状态为非平

3、衡态，则此过程称非静态过程。 作为中间态的非平衡态通常不能用状态参量来描述。,1、弛豫时间：系统由非平衡态到达平衡态所需要的时间称为弛豫时间。用表示,2、弛豫过程：由非平衡态到达平衡态的过程称为弛豫过程。,热学,7,三、准静态过程,如果一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历的之中间状态，可以近似当作平衡态，则此过程为准静态过程。,准静态过程只有在进行的“无限缓慢”的条件下才可能实现,对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。,注意,热学,8,无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外界在准静态过程中对系统的作用力，可以用系统本身的状态参量来表示。,例

4、 右图活塞与汽缸无摩擦，当气体作准静态压缩或膨胀时，外界的压强Pe必等于此时气体的压强P，否则系统在有限压 差作用下，将失去平衡， 称为非静态过程。若有摩 擦力存在，虽然也可使过 程进行的“无限缓慢”， 但PeP。,准静态过程例子,热学,9,显然作为准静态过程中间状态的平衡态，具有确定的状态参量值，对于简单系统可用PV图上的一点来表示这个平衡态。系统的准静态变化过程可用PV图上的一条曲线表示，称之为过程曲线（右图）。 准静态过程是一种理想的极限，但作为热力学的基础，我们要首先着重讨论它。,热学,10,外界对系统的作用使系统的状态发生了变化，这种相互作用的情况用力的情况来反映是不方便的，有的时候

5、甚至是不可能的，但是作用的结果是使系统的能量发生了改变，作为能量变化的量度是功，作为能量变化的主要形式之一是热量的交换，因此，外界的作用就是功和热的转移，从而使系统的状态发生改变，为此，我们以后就以功和热为两条主要线索来反映系统和外界的相互作用了。,热学,11,2.2 功,一、功是力学相互作用下的能量转移,力学相互作用：将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响。,在力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量就是功。,热力学认为力是一种广义力，所以功也是广义功。,1）、只有在系统状态变化过程中才有能量转移。,2）、只有在广义力（如压强、电动势等）作用下产生了广义位移（如体积变化、电量迁移等

6、）后才作了功。,3）、在非准静态过程中很难计算系统对外作的功。,4）、功有正负之分。,热学,12,2、外界对气体所作的功为：,所作的总功为：,二、功的表达式（体积功）,1、气体对外界所作的元功为：,热学,13,注意,三、功的图示,当dV0，即气体体积膨胀时， 则dA0，作正功，系统对外界作功； 当dV0，即气体体积压缩时， 则dA0，作负功，外界对系统作功。,热学,14,四、功是过程量,三种过程的初、末状态相同，但所作的功不同；说明功不仅与初、末状态有关，而且与变化的路径也有关，证明它不是状态的函数，而是过程量。,注意,热学,15,五、理想气体在几种等值过程中功的计算,热学,16,六、其它形式

7、的功,1、拉伸弹簧棒所作的功,热学,17,2、表面张力功,3、可逆电池所作的功,2、表面张力功,是表面张力系数,3、可逆电池所作的功,热学,18,4、功的一般表达式,x是 广义坐标，它是广延量，广延量的特征是：若系统在相同情况下质量扩大一倍，则广延量也扩大一倍。如：体积，面积，电极化强度等。,Y是广义力，它是强度量，强度量的特征是：当系统在相同情况下质量扩大一倍时，强度量不变。如：压强，表面张力，电场强度等。,热学,19,七、对功的计算公式，有几点说明：,1、功不但与系统的初、末状态有关，而且与过程有关，即功是过程量； 2、只适用于无摩擦的准静态过程； 3、用公式来计算功时，必须先找到压强p随

8、体积V变化的函数关系式p=p(V)，然后代入公式，就可以求出一过程所作的功； 4、我们讨论的都是体积功； 5、功还可以利用p-V图求出作功的大小，在图中曲线下方所围成的面积就是功的大小，功的正负由曲线上的箭头来判断。,热学,20,例题：1mol理想气体，初态的压强、体积和温度分别为p1、V1和T1。若体系经历一个压强与体积满足关系p=aV的过程，其中a为常数，试求：（1）用p1、T1和R来表示常数a；（2）若系统经历此过程体积扩大一倍，则系统的温度T为多少？在此过程中对外所做的功为多少？,解：（1）由理想气体的状态方程，得,热学,21,（2）初态： 末态：,热学,22,2.3 内能 热量 焦耳

9、热功当量实验,一、内能 （一）绝热过程中的功 1、绝热过程：是指绝热壁与外界隔绝的情况下与外界发生相互作用的过程。 2、绝热系统：只能以作功的方式与外界交换能量的系统。 3、绝热过程的功的特点： （1）作机械功 （2）作电流功,热学,23,4、由实验表明：系统经过一绝热过程，从一个平衡态变到另一个平衡态，外界对系统所作的功与过程无关，而仅取决于系统的初、末两个状态。,热学,24,（二）内能 1、定义：在绝热条件下，任何一个热力学系统，都存在一个只依赖于内部运动状态的态函数，当系统从平衡态1经过一个绝热过程到达平衡态2时，这个函数的增量等于外界对系统所作的绝热功，这个态函数，我们称它为系统的内能

10、，以U表示。 2、表达式：-A绝热=U2-U1=U 3、表达式的解释： 当外界对系统做绝热功，即作负功时，系统内能增加； 当系统对外界做绝热功，即作正功时，系统内能减少。,热学,25,内能是系统内部所有微观粒子（如分子、原子等）的微观的无序运动能以及相互作用势能两者之和。内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态间有一一对应关系。 注意几点： 内能是系统内部状态所决定的一种能量； 内能是一个相对量； 内能是系统的单值函数，即在选定某参考状态内能后，系统在一平衡态的内能完全被确定，即内能是状态函数； 对绝热过程，内能的增量等于外界对系统所作的功。,热学,26,二、热量,1、热传

11、递：热力学系统和外界之间还存在着另一种相互作用方式。 条件：系统与外界之间存在温度差时才会发生的相互作用。 2、热量：是在不作功的纯传热过程中系统内能变化的量度。 3、表达式： 规定：Q0，即系统吸热； Q0，即系统放热。,热学,27,4、热量是一个过程量,前面我们说的功是一个过程量，不仅与初、末状态有关，而且与中间所经历的状态也有关，亦即与过程有关；这里的热量也是是过程量，初、末状态一定时，过程不同，传递给系统的热量数值也不同。 对于过程量，不能说在某个状态下具有多少功或多少热量，也不能说这杯热水在此状态下具有多少热量，只有当过程发生时热量才有意义，这也是内能与热量的区别。,热学,28,三、

12、功与热量的区别与联系,作功和传热都是系统与外界交换能量的方式，但是产生这两种能量交换的原因却不同。 作功是由于不满足力学平衡条件而引起的，与宏观位移相联系。确切的说，外界通过作机械功的方式向系统传递能量，实质是分子有规则运动的能量向分子无规则运动能量转化和传递。 传热是由于不满足热平衡条件而引起的，与温度差的存在相联系。从微观上看，温度高的物体分子平均平动动能大，反之成立。当温度不同的两个物体作热接触时，通过分子间的碰撞，分子平均平动动能大的把动能传给分子平均平动动能小的物体，所以传热的本质是分子无规则热运动的能量从高温物体向低温物体的传递。,热学,29,1、功与热量区别,作功和传热都是系统与

13、外界交换能量的方式，但是产生这两种能量交换的原因却不同。 作功是由于不满足力学平衡条件而引起的，与宏观位移相联系。 传热是由于不满足热平衡条件而引起的，与温度差的存在相联系。只有能量的转移。,热学,30,2、功与热量联系,使系统能量发生变化的方式。 宏观实质相同是系统内能变化的量度。 都是过程量。 热量与作功可以相互转化（热力学第一定律）。 热功的转化是不可逆的（热力学第二定律）。,热学,31,焦耳(Joule 1818-1889)于1840年最早研究了电流的热效应，1840-1879年焦耳进行了大量的实验，测定了功与热相互转化的数值关系-热功当量。,1956年国际规定的热功当量精确值为:,1

14、cal= 4.1868 J,热量与热质说,热量：,它是从高温物体传递给低温物体的能量,四、焦耳热功当量实验及其重要意义,热学,32,一、热力学第一定律,Q0，系统吸收热量；Q0,系统对外作正功；A0,系统内能增加，U0,系统内能减少。,规定：,热力学第一定律的表达式：,2.4 热力学第一定律,热力学第一定律的表述：它表明当热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时，系统内能的增量等于在这过程中外界对系统所作的功与系统所吸收的热量的总和。或者说，系统所吸收的热量等于在这过程中系统对外界所作的功与内能的增量的总和。,热学,33,对无限小过程,对于准静态过程，如果系统对外作功是通过体积的变化来实

15、现的，则,热力学第一定律另一表述： 制造第一类永动机(能对外不断自动作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的机器)是不可能的。,热力学第一定律 的普遍形式,热学,34,能量守恒和转化定律的内容是：自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数值不变。,第一类永动机是不可能制造的。,二、能量守恒和转化定律,热学,35,例题1：一系统如右图所示的a态沿acb到达b态时，吸收了80J的热量，同时系统对外作了30J的功，试问：（1）若沿图中adb过程，则系统对外作的功为10J，这时系统吸收了多少热量？（2）若系统

16、由b沿曲线ba返回a态时，外界对系统作功为20J，这是系统是吸热还是放热？且热量传递为多少？（3）设d态与a态的内能Ud-Ua=40J，则在过程ad、db中系统吸热为多少？,热学,36,分析：ac和ad都是等压过程； cb和db都是等体过程。,解：,热学,37,例题2一物质系统从外界吸收一定的热量，则 （）系统的内能一定增加 （）系统的内能一定减少 （）系统的内能一定保持不变 （）系统的内能可能增加，也可能减少或保持不变,（）,热学,38,例题3要使一热力学系统的内能增加，可以通过_或_两种方式，或者两种方式兼用来完成,热力学系统的状态发生变化时，其内能的改变量只决定于_，而与_无关,外界对系

17、统作功 向系统传递热量,始末两个状态 所经历的过程,热学,39,2.5 理想气体的内能与热容,1845年焦耳用自由膨胀实验研究了气体的内能。 右图为其实验装置的示意图。 容器A充满气体，容器B为真 空。AB相连处用一活门C隔 开，将它们全部浸在水中。 将活门打开后，气体将自由 膨胀并充满 A和B 。焦耳测 量了自由膨胀前后水温的变化。,一、理想气体的内能 焦耳实验,实验结果表明：,水温不变!,热学,40,说明：,*膨胀前后气体的温度没有改变。 *水和气体没有发生热交换。Q=0 ，即气体 的自由膨胀是绝热过程。气体向真空自由 膨胀过程中不受外界阻力，所以外界不对 气体作功，即W=0。,（虽然，在

18、膨胀过程中，后进到容器B的气 体将对先进入B的气体作功，但此功是气体 系统内部各部分之间进行的，不是外界对气 体系统所作的功。）,热学,41,把热力学第一定律应用于此过程：,即 气体绝热自由膨胀过程内能不变。,气体的内能 只是温度的 函数，与体 积无关。,焦耳实 验结果,热学,42,焦耳实验的结果是否正确,？,事实上，焦耳的实验并不精确，原因是水 的热容比气体要大上千倍，气体膨胀前后即使 会有微小的温度变化，也不足以引起水的温度 发生可观察的变化，焦耳无法检测到水温变化。 后来，在1852年焦耳和汤姆逊做了节流过程实 验，才较好的测得气体温度的变化。,焦耳的结果只适用于理想气体 。只有在实际气

19、体密度趋于零的极限情形下，气体的内能才只是温度的函数而与体积无关。,热学,43,二、理想气体的热容,1.热容 热容（C）是在一定的过程中，当系统的温度升高（或降低）1度时吸收（或放出）的热量。,单位：焦耳 / 开（J/K）,热容也是过程量，不能仅由态参量决定，并且可正，可负。如饱和水蒸汽，当温度升高时，释放能量，热容量为负值。,热学,44,2.比热 单位质量物质的热容量称为比热容，简称比热（c）。,单位：焦耳 / （千克开） J kg-1 K-1,3.摩尔热容 1mol 物质的热容量，称为该物质的摩尔热容（Cm）。,单位：焦耳 / （摩尔开） （J mol-1K-1）,热学,45,4.定体热容

20、,定体摩尔热容,5.定压热容,定压摩尔热容,热学,46,理想气体的 与 的关系,6.迈耶公式 对理想气体，内能只是温度的函数。,热力学第一定律,体积不变时,热学,47,热力学第一定律,压强不变时,称为迈耶公式,热学,48,三、焓,热学,49,（）等压过程,（）等容过程,（）等温过程,（）绝热过程,例1某理想气体状态变化时，内能随体积的变化关系如图中直线AB所示 AB表示的过程是,（）,热学,50,例2理想气体向真空作绝热膨胀 （）膨胀后，温度不变，压强减小 （）膨胀后，温度降低，压强减小 （）膨胀后，温度升高，压强减小 （）膨胀后，温度不变，压强不变,（）,热学,51,2-6 热力学第一定律对

21、理想气体几种典型过程的应用,一、基本公式 1、理想气体状态方程： 2、体积功： 3、热力学第一定律： 4、理想气体的内能：,热学,52,二、等体过程,1、过程方程： 2、热力学特征： 3、热量和内能： 4、图像：,热学,53,三、等压过程,1、过程方程： 2、功、热量和内能：,3、图像：,热学,54,四、等温过程,1、过程方程： 2、热力学特征： 3、功和热量：,4、图像：,热学,55,五、绝热过程,1、热力学特征： 2、功和内能： 3、过程方程：,pV=恒量，TV-1=恒量，Tp-1=恒量 又称为泊松方程。,热学,56,4、图像：绝热线与等温线的比较,等温线斜率,绝热线斜率,由于 1，故绝热

22、线比等温线更陡一些。,热学,57,六、多方过程,1、过程方程： 2、多方过程的摩尔热容：,pV n=恒量，TV n-1=恒量，T np n-1=恒量,热学,58,3、功： 4、内能： 5、热量：,6、图像：,热学,60,例题 温度为 的理想气体，先经等温过程体积膨胀到原来的5倍，然后等体加热，使其末态的压强刚好等于初始压强， 整个过程传给气体的热量为 试画出此过程的 图，并求这种气体的摩尔热容比值 ,图如图所示,等温过程：,热学,61,等容过程：,热学,62,2.7 循环过程,历史上，热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发展起来的。在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质叫工质。工质往往经

23、历一系列变化后又回到初始状态。,一、循环过程,循环过程：热力学系统经历了一系列热力学过程后又回到初始状态的过程。,如果循环过程中各个分过程都是准静态过程，这个循环可用P-V图上的一条闭合曲线表示，并用箭头表示过程进行的方向。,热学,63,1.准静态循环过程的特点：,(1)经过一个循环，内能不变;,(2)循环曲线为闭合曲线。,(3)循环曲线所包围的面积为系统做的净功。,2.正循环与逆循环,正循环：按顺时针方向进行,逆循环：按逆时针方向进行,热学,64,正循环,热机,在一般情况下，系统要从某些高温热源处吸收热量，部分用来对外作功，部分在某些低温热源处放出，而系统回到原来的状态。,逆循环,循环曲线逆

24、时针。,在一般情况下，对于逆循环过程，通过外界对系统作功，系统要从某些低温热源处吸收热量，并向高温热源处放出热量，而系统回到原来的状态。,制冷机,正循环,逆循环,热学,65,二、热机效率和致冷机的致冷系数,热机效率,热机（正循环）,热学,66,致冷机致冷系数,致冷机（逆循环）,热学,67,例题 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其中 , 求12、23、34、41各过程中气体吸收的热量和热机的效率 .,解 由理想气体物态方程得,热学,68,热学,69,69,一、内燃机循环,1、定体加热循环（奥托循环）,K为绝热容积压缩比，K越大，效率越高。,如：当K=7时，效率为55%.,2.8 技术上的

25、循环实例,热学,70,热学,71,71,2、定压加热循环（笛塞尔循环）,热学,72,热机发展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机 ，当时蒸汽机的效率极低 . 1765年瓦特进行了重大改进 ，大大提高了效率 . 人们一直在为提高热机的效率而努力， 从理论上研究热机效率问题， 一方面指明了提高效率的方向， 另一方面也推动了热学理论的发展 .,各种热机的效率,液体燃料火箭,柴油机,汽油机,蒸汽机,热学,73,热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .,工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质 .,热学,74,冰箱循环示意图,热学,75,本章复习主要内容,一、掌握功、热量、内能的物理意义及它们之间的区别于联系； 二、明确什么是准静态过程，为什么要引入准静态过程； 三、熟练的掌握热力学第一定律及其应用； 四、明确什么是循环过程，什么是循环过程的效率，记住循环过程的特征。,