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1、第九章热力学基础第九章热力学基础本讲稿第一页，共三十七页1 热力学过程分类热力学过程分类2 功功 准静态过程中体积功的计算准静态过程中体积功的计算3 热热 热量的计算热量的计算4 热力学第一定律热力学第一定律5 绝热过程绝热过程6 循环过程和循环过程和热机热机本讲稿第二页，共三十七页前言：前言：热力学研究对象热力学研究对象：物质的热运动 （另一种运动形式）热运动热运动：（固体、液体、气体）大量微粒（原子，分子等）不停地无规则运动研究对象（系统）的复杂性研究对象（系统）的复杂性：大量微粒1023；速度102103ms-1；线度10-10m；质量10-26kg；每秒碰撞次数109本讲稿第三页，共三
2、十七页研究方法（气体）研究方法（气体）：1、能量观点出发，以实验方法研究热现象的宏观规律（热力学）2、应用统计方法（大量无规律运动微粒的集体行为）研究其微观本质（气体动理论）一、理想气体的物态方程1、描写气体的参量压强体积本讲稿第四页，共三十七页2、平衡态3、理想气体的状态方程绝对温度 气体状态参量不受时间变化 时称为平衡态，在 图上有一确定点 在平衡态时的理想气体各状态量有 气体质量，气体的摩尔质量，（摩尔气体常量）本讲稿第五页，共三十七页二、热力学中的几个基本概念和重要物理量1、热力学系统：研究的对象孤立系统：不受外界任何影响的系统开放系统：与外界有能量等交换的系统2、热力学过程：系统从一
3、个平衡态到另一个平衡态的变化过程平衡（准静态）过程：过程的中间状态都可以看作平衡状态本讲稿第六页，共三十七页图上可用一条曲线表示过程曲线准静态过程是理想过程3、热力学的几个重要物理量（1）功（体积变化所作的功）图上过程曲线下所包围的面积功是过程量不是状态量本讲稿第七页，共三十七页（2）热量：系统与外界由于温差而传递的能量热量传递与过程有关，也是过程量热量传递与过程有关，也是过程量（3）内能：系统内部的能量是描述系统状态的一个物理量（系统内所有分子热运动的能量）复习：热量热容内能是状态量，内能的变化（增量）与经内能是状态量，内能的变化（增量）与经历过程无关历过程无关本讲稿第八页，共三十七页4、热
4、力学第一定律理想气体内能只是温度理想气体内能只是温度的单值函数的单值函数（1）定律：系统从外界吸收热量，使系统内能增加和系统对外做功或注意的正负号规定本讲稿第九页，共三十七页即不消耗任何能量而能不断地即不消耗任何能量而能不断地对外做功的机器是不可能的对外做功的机器是不可能的结论：“要科学，不要永动机！”焦耳（2）第一类永动机是不可能制作的本讲稿第十页，共三十七页三、热力学第一定律在等值过程中的应用1、等体过程（2）热力学第一定律 系统（气体）吸收的热量全部用来增加气体的内能（1）特点：=常量，图上过程线图示 过程方程 =常量本讲稿第十一页，共三十七页（3）定体摩尔热容量对质量 气体重要说明：内
5、能增量只与状态有关与过程重要说明：内能增量只与状态有关与过程无关，所以无关，所以是计算内能的普遍表示式，适用于任何过程是计算内能的普遍表示式，适用于任何过程定义 （1摩尔）（查表）（1摩尔）本讲稿第十二页，共三十七页2、等压过程（1）特点：P=常量常量 图上过程曲线图示过程方程=常量（2）热力学第一定律系统吸收热量是一部分增加气体的内能，系统吸收热量是一部分增加气体的内能，另一部分气体对外做功另一部分气体对外做功本讲稿第十三页，共三十七页（3）定压摩尔热容量由第一定律得所以此时（查表）定义（1摩尔）本讲稿第十四页，共三十七页小结：小结：(迈耶公式)其中摩尔热容比本讲稿第十五页，共三十七页3、等
6、温过程（2）热力学第一定律气体吸收的热量全部用来对外做功气体吸收的热量全部用来对外做功（1）特点：=常量图上过程线图示过程方程=常量本讲稿第十六页，共三十七页（2）热力学第一定律绝热过程外界对气体做功使气体内能增加4、绝热过程或（1）特点：图上过程曲线(?)过程方程(?)本讲稿第十七页，共三十七页讨论讨论（1）绝热过程的绝热方程的推导（略）（2）图上绝热线和等温线的比较等温线绝热线本讲稿第十八页，共三十七页解释：在改变相同的体积解释：在改变相同的体积下，绝热过程中压强的变下，绝热过程中压强的变化要大些化要大些等温线绝热线=常量，曲线斜率因为 ，绝热线比等温线陡！等值过程中等值过程中 和和 的计
7、算的计算 本讲稿第十九页，共三十七页例1、计算2mol的氦气（He）在图示过程中的各值解：等体查表得（放热，内能减少）等压本讲稿第二十页，共三十七页 从P-V图上直接判断各量的正负 注意 普遍适应 讨论：先计算再由 计算 （或由 计算 ）本讲稿第二十一页，共三十七页解：等温过程例2、已知5mol的氢气 并压缩至 所做的功（1）等温过程（2）绝热过程等温线绝热线（外界对气体作功）绝热过程又本讲稿第二十二页，共三十七页讨论：两者压强变化（外界对气体作功）由 =常量由 =常量本讲稿第二十三页，共三十七页解题思路和方法解题思路和方法zz1.选好研究对象具体的热力学系统zz2.弄清系统经历的状态变化过程
8、的特征及已知状态参量和未知状态参量zz3.应用状态方程和过程方程先求出有关的状态参量zz4.再应用内能，热量，功的计算规律和热力学第一定律列出相关方程并求出结果本讲稿第二十四页，共三十七页四、循环过程：系统经历一系列状态变化后，又回到原来状态1、循环过程的特点：P-V图上为一闭合曲线（正、逆循环）曲线面积为循环的净功本讲稿第二十五页，共三十七页2、热机与致冷机热机效率：吸热 ，放热 ，（1）对外做功高温热源低温热源热机本讲稿第二十六页，共三十七页（2）致冷机 致冷系数（作逆循环）从低温热源吸热 ，向高温热源放热 ，外界作功高温热源低温热源致冷机致冷系数致冷系数本讲稿第二十七页，共三十七页例题、
9、1mol单原子气体氖经历图示循环求其效率解：吸热放热本讲稿第二十八页，共三十七页或本讲稿第二十九页，共三十七页六、卡诺循环问题：如何提高热机效率？热机效率能否达到100%？从一个理想的热机循环着手1、卡诺循环：两个等温过程（）和两个绝热过程组成。其效率：等温（）吸热本讲稿第三十页，共三十七页等温（）放热由于 绝热有绝热有比较得卡诺热机效率本讲稿第三十一页，共三十七页2 2、讨论、讨论仿上得 卡诺致冷机（1）这是完成一个循环所需的最少热源（高温热源 和低温热源 ）（2）提高热机效率的途径 或降低（提高 ）本讲稿第三十二页，共三十七页实际上约30%！（3）卡诺热机的效率即热机效率不能达到100%（
10、？）例如：南京发电厂某台机组则其效率为本讲稿第三十三页，共三十七页又例：一台致冷机(冰箱)，其致 冷系数约是卡诺致冷机的55%，今在如下情况下工作：室温200C（293K）冰箱冷室50C（278K）欲使从室内传入冰箱的热量(每天2.0107J)不断排出，该冰箱的功率为多大？解：冰箱的致冷系数由 的定义本讲稿第三十四页，共三十七页即一昼夜耗电约0.6度所以（每天）其中 为从低温热源吸收的热量，则（每天）又因为（每天）功率 （瓦）本讲稿第三十五页，共三十七页（3）“冷泵”与“热泵”而从另一角度来看，所放出的热量是可以利用的，把它送到高温热源中去，又是一个“热泵”如果将机器适当如果将机器适当“换向换向”，一机就能两用！，一机就能两用！致冷机向高温热源放出热量 降低了低温热源的温度“冷泵”高温热源低温热源致冷机高温热源低温热源热机本讲稿第三十六页，共三十七页3、卡诺定理、卡诺定理（1）在同样高低温度之间工作的一切卡诺机（可逆机），其效率都相等 给出提高热机效率的途径和提高效率的局限。（2）在同样高低温度之间工作的一切不可逆机效率本讲稿第三十七页，共三十七页