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1、第三章第三章 热力学第确定律热力学第确定律3.4 3.4 志向气体的绝热过程志向气体的绝热过程3.1 准静态过程准静态过程 内能内能 热量热量 功功3.3 热容热容3.2 3.2 热力学第确定律热力学第确定律3.7 热力学第零和第三定律热力学第零和第三定律3.5 循环过程循环过程 致冷循环致冷循环3.6 卡诺循环卡诺循环3.1 准静态过程准静态过程 内能内能 热量热量 功功3.2 3.2 热力学第确定律热力学第确定律3.3 热容热容热力学基本概念热力学基本概念一、热力学及其探讨对象一、热力学及其探讨对象1.热力学热力学 (thermodynamics)热力学是从探讨热和功之间的相互转化而形成的
2、，热力学是从探讨热和功之间的相互转化而形成的，是从能量守恒和转化的观点来探讨物质热现象和热是从能量守恒和转化的观点来探讨物质热现象和热运动规律的一门学科。运动规律的一门学科。是宏观的方法，其基本规律是宏观的方法，其基本规律(热力学第一、二定律热力学第一、二定律)都是大量试验事实的总结。都是大量试验事实的总结。2.热力学的探讨方法热力学的探讨方法热力学是由视察和试验总结归纳出来的关于热现象热力学是由视察和试验总结归纳出来的关于热现象的宏观理论。的宏观理论。确定质量的志向气体及其经验的准静态过程。确定质量的志向气体及其经验的准静态过程。3.热力学的探讨对象热力学的探讨对象热力学基本概念热力学基本概
3、念二、热力学系统二、热力学系统 (thermodynamics system)热力学的探讨对象叫做热力学系统，由大量的分子组热力学的探讨对象叫做热力学系统，由大量的分子组成，可以是确定质量的气体、液体或固体。成，可以是确定质量的气体、液体或固体。本章主要探讨志向气体构成的热力学系统遵循的规律。本章主要探讨志向气体构成的热力学系统遵循的规律。1.一般系统一般系统2.透热系统透热系统3.绝热系统绝热系统4.孤立系统孤立系统(封闭系统封闭系统)与外界与外界有功及热量交换有功及热量交换的热力学系统。的热力学系统。与外界与外界无功但有热量交换无功但有热量交换的热力学系统。的热力学系统。与外界与外界有功但
4、无热量交换有功但无热量交换的热力学系统。的热力学系统。与外界与外界既无功也无热量交换既无功也无热量交换的热力学系统。的热力学系统。重点：热力学第确定律。重点：热力学第确定律。用能量守恒的观点来探讨热力学系统的状态参量用能量守恒的观点来探讨热力学系统的状态参量变更时，热量、内能和功三者的关系。变更时，热量、内能和功三者的关系。三、热力学过程三、热力学过程 (thermodynamics process)1.自发过程自发过程 (spontaneous process)与外界无关与外界无关，不借助外界的帮助自动进行的过程。，不借助外界的帮助自动进行的过程。2.非自发过程非自发过程 (non-spon
5、taneous process)在在外界帮助下外界帮助下进行的过程进行的过程(外界强迫进行外界强迫进行)。一个过程是否自发过程与系统的选取有关。一个过程是否自发过程与系统的选取有关。3.准静态过程准静态过程 (quasi-static process)过程中的每个状态都可近似看作平衡态。过程中的每个状态都可近似看作平衡态。准静态过程确定是进行的无准静态过程确定是进行的无限缓慢的过程，可以在限缓慢的过程，可以在p p V V图图上用一条曲线表示。上用一条曲线表示。4.非静态过程非静态过程 (non-static process)在系统经验的过程中，各状在系统经验的过程中，各状态态(只要有一个只要
6、有一个)不能近似看不能近似看成平衡态的过程。成平衡态的过程。p VO如：描述孤立系统由非平衡态到平衡态的过程。如：描述孤立系统由非平衡态到平衡态的过程。三、热力学过程三、热力学过程 (thermodynamics process)5.按特征分类的过程有按特征分类的过程有 等体等体过程过程；等压等压过程过程；等温等温过程过程；绝热绝热过程过程。p VO a 为等为等体体过程；过程；a b 为等为等压压过程；过程；c 为等为等温温过程。过程。b c d 为为绝热绝热过程。过程。(adiabatic process)d等温过程曲线等温过程曲线为以为以 V 轴和轴和 p 轴为渐近线的轴为渐近线的双曲线
7、双曲线。绝热过程曲线绝热过程曲线比比等温过程曲线等温过程曲线 更徒更徒。(isochoric process)(isobaric process)(isothermal process)在一个状态变更的过程中，若系统所经验的全部中在一个状态变更的过程中，若系统所经验的全部中间状态都可近似看作平衡态，则这种过程称为准静间状态都可近似看作平衡态，则这种过程称为准静态过程态过程(或称为平衡过程或称为平衡过程)。一、准静态过程一、准静态过程(quasi-static process)例如，活塞缓慢压缩汽缸例如，活塞缓慢压缩汽缸内的气体对气体做功时，内的气体对气体做功时，实际汽缸中的燃气由每一个非平衡态
8、到平衡态的过渡实际汽缸中的燃气由每一个非平衡态到平衡态的过渡时间约为时间约为10-3s，远小于远小于“每次每次”压缩过程所用的时压缩过程所用的时间，故可以近似认为是准静态过程。间，故可以近似认为是准静态过程。活塞的压强若比气体的压活塞的压强若比气体的压强总大一强总大一微小量微小量 p ，就就可以缓慢压缩气体。可以缓慢压缩气体。3.1 准静态过程准静态过程 内能内能 热量热量 功功1.准静态过程准静态过程(quasi-static process,internal energy,heat,work )3.P-V 图图(p1,V1,T1)(p2,V2,T2)过程线过程线V1V2p、V、T 中只有两
9、中只有两个参量是独立的。个参量是独立的。（1）点点（3）曲线各点满足）曲线各点满足pVO一、准静态过程一、准静态过程(quasi-static process)1.准静态过程准静态过程2.弛豫时间弛豫时间 (relaxation time )系统由非平衡态到平衡态的过渡时间称为系统由非平衡态到平衡态的过渡时间称为弛豫时间弛豫时间。在一个实际过程中，若系统发生一个可以被感知的微在一个实际过程中，若系统发生一个可以被感知的微小变更过程所用的时间远大于弛豫时间，则过程可以小变更过程所用的时间远大于弛豫时间，则过程可以被认为是准静态过程。被认为是准静态过程。（4）（2）曲线曲线 平衡态平衡态 准静态过
10、程准静态过程 热力学系统由其内部状态所确定的能量。热力学系统由其内部状态所确定的能量。系统的内能是系统的内能是状态量状态量,与过程无关与过程无关。2.i 个自由度的确定质量个自由度的确定质量(m)志向气体的内能志向气体的内能功和热量：是物质能量转化和传递的功和热量：是物质能量转化和传递的过程量。过程量。例：一杯水通过例：一杯水通过加热加热或或搅拌搅拌均可以升温。均可以升温。二、内能二、内能(internal energy)1.定义定义(微观：微观：包括分子热运动的动能和分子间引力势能）包括分子热运动的动能和分子间引力势能）说明：说明：可以通过作功或热传递来变更系统的内能。在热传递过程中系统吸取
11、在热传递过程中系统吸取(或放出或放出)的能量叫做热量。的能量叫做热量。三、热量三、热量(heat)功和热量都是系统内能变更的量度，其量值与过程功和热量都是系统内能变更的量度，其量值与过程有关，都是过程形式的函数。有关，都是过程形式的函数。或或说明：说明：pVO(p1,V1,T1)(p2,V2,T2)过程线过程线pdVV22.功的计算功的计算 dxdA=fdxf=ps=pdV=pSdx四、功四、功(work )功是过程量。功是过程量。如磨擦生热、电加热。如磨擦生热、电加热。通过通过作功作功可以改变系可以改变系统的内能。统的内能。1.V1只知道始态和末态并只知道始态和末态并不能确定功的大小。不能确
12、定功的大小。(1)微量功微量功不是状态的函数。不是状态的函数。(2)系统体积膨胀（缩小）时系统体积膨胀（缩小）时，对外作正（负）功。对外作正（负）功。说明：说明：1.机械功总是和物体的宏观位移相联系机械功总是和物体的宏观位移相联系如气缸中活塞移动时，全部的气体分子都发生相同如气缸中活塞移动时，全部的气体分子都发生相同方向的位移。即气体分子在共同的无规则运动的基方向的位移。即气体分子在共同的无规则运动的基础上又具有了共同的运动础上又具有了共同的运动分子的有规则运动。分子的有规则运动。2.作功过程中有规则运动和无规则运动可相互转化作功过程中有规则运动和无规则运动可相互转化在作功过程中在作功过程中，
13、通过分子间的碰撞（如活塞分子和，通过分子间的碰撞（如活塞分子和气缸内气体分子间），气缸内气体分子间），有规则运动的能量可以转化有规则运动的能量可以转化为无规则运动的能量，或者相反为无规则运动的能量，或者相反。作功是通过分子间碰撞实现机械能和内能的转化。作功是通过分子间碰撞实现机械能和内能的转化。因物体分子的有规则运动的能量宏观上表现为因物体分子的有规则运动的能量宏观上表现为机械机械能能，而物体分子的无规则运动能量的总和在宏观上，而物体分子的无规则运动能量的总和在宏观上表现为物体的表现为物体的内能内能。因此，。因此，五、系统因作功而使状态变更时能量变更的微观说明五、系统因作功而使状态变更时能量变
14、更的微观说明 pV=RT mol 的志向气体在保持温度的志向气体在保持温度T 不不变变的状况下，体的状况下，体积积从从V1 经过经过准静准静态过态过程程变变更到更到V2 ，求在，求在这这一一过过程中程中系系统对统对外作的功。外作的功。解：解：志向气体在准静态过程中，压强志向气体在准静态过程中，压强p p 随体积随体积V V变更关系为变更关系为可见，可见，气体等温膨胀时，气体等温膨胀时，对外作正功对外作正功；气体等温气体等温压缩压缩时时，对外作负功，对外作负功，即即外界对气体作功外界对气体作功。例例3.1（P105）一、热力学第确定律一、热力学第确定律Q=(E2 E1)+A在某一过程在某一过程(
15、系统状态的变更系统状态的变更)中，若系统从外界吸中，若系统从外界吸热热 Q Q，对外界做功，对外界做功 A A，系统内能由，系统内能由E1E1变为变为E2E2，则，则(重点内容重点内容)Q 0 ：吸热吸热 Q 0：系统系统对外界对外界作功作功 A 0.不须要任何动力和燃料，却能不断对外作功。不须要任何动力和燃料，却能不断对外作功。一、热力学第确定律一、热力学第确定律(The First Law of Thermodynamics)设想违反了热力学第确定律设想违反了热力学第确定律(能量守恒定律能量守恒定律)，不成立。不成立。dQ=dE +dA说明：说明：热力学第一定律热力学第一定律是是包含热现象
16、包含热现象在内的在内的能量守恒与转能量守恒与转换换定律，定律，适用于任何系统的任何过程适用于任何系统的任何过程，不论是气体、，不论是气体、液体还是固体的热力学统，也液体还是固体的热力学统，也不论是否为准静态过不论是否为准静态过程程，该定律均成立。，该定律均成立。（1）A1.等温过程等温过程 (isothermal process)特征特征:T=恒量恒量,(dT=0)pVO(p1,V1,T)(p2,V2,T)等温线等温线p2p1V1V2内能内能:E2-E1=0热量和功热量和功:等温过程中等温过程中,气体吸取气体吸取(放出放出)的热量的热量,全部对外全部对外界界(来自外界对气体来自外界对气体)作功
17、作功,气体内能无变更。气体内能无变更。二、热力学第确定律对志向气体等值过程的应用二、热力学第确定律对志向气体等值过程的应用证明：证明：因志向气体作等温变更时因志向气体作等温变更时的内能不变，的内能不变，E2 E1=0而系统而系统对外界对外界作功作功 Q=(E2 E1)+A由由知知结论结论:（例（例3.1）Q=A(双曲线双曲线)二、热力学第确定律对志向气体等值过程的应用二、热力学第确定律对志向气体等值过程的应用如熔化、凝固、汽化、液化等。如熔化、凝固、汽化、液化等。（1）熔化热熔化热 (heat of fusion)固体熔化时吸取的热量称熔化热。固体熔化时吸取的热量称熔化热。熔化的固体在凝固时将
18、放出同样多的热量熔化的固体在凝固时将放出同样多的热量。（2）汽化热汽化热 (heat of vaporization)液体在沸点汽化时吸取的热量称汽化热。液体在沸点汽化时吸取的热量称汽化热。汽化的液体在液化时将放出同样多的热量汽化的液体在液化时将放出同样多的热量。水水在在100汽化热汽化热为为 40.6 kJ/mol。冰冰在在0时的时的熔化热熔化热为为 6.03 kJ/mol。E2-E1=0Q=A注：注：热力学系统发生相变时，虽温度不变，但其内能热力学系统发生相变时，虽温度不变，但其内能将发生变更。将发生变更。等温过程等温过程特例特例系统的相变系统的相变。1.等温过程等温过程 (isother
19、mal process)Q=L压强为压强为1.013 105 Pa 时时，1 mol 的水在的水在100 C变成水变成水蒸气蒸气，它的内能增加多少它的内能增加多少？已知水和水蒸气已知水和水蒸气的摩尔体的摩尔体积分别为积分别为V1=18.8cm3/mol和和Vg=3.01 104 cm3/mol。而水的汽化热而水的汽化热L=4.06 104 J J/mol。解：解：=1 4.06 104=4.06 104（J J）因水变为水汽的过程中吸取的热量为因水变为水汽的过程中吸取的热量为而而水汽对外作功水汽对外作功为为A=p(Vg-V1)=1.013 105 （3.01 104 18.818.8）106=
20、3.05 103（J J）E=Q A=4.06 104 3.05 103=3.75 104（J J）水的内能增量水的内能增量为为由由 Q=E+A 知，知，例例3.2（P108）等容过程中气体吸取等容过程中气体吸取(放出放出)热量热量,使内能增加使内能增加(削减削减););2.等容过程等容过程 (isochoric process)特征特征:V=恒量恒量 (dV=0)(T2T1)pVOp2p1V(p1,V,T1)(p2,V,T2)等容线等容线热量和内能热量和内能功功 二、热力学第确定律对志向气体等值过程的应用二、热力学第确定律对志向气体等值过程的应用气体对外界气体对外界(外界对气体外界对气体)作
21、功为零。作功为零。结论结论:等压膨胀过程中等压膨胀过程中,气体吸取热量气体吸取热量,一部分对外一部分对外界作功，另一部分使内能增加。界作功，另一部分使内能增加。A#3.等压过程等压过程 (isobaric process)特征特征:p=恒量恒量 (d p=0)(p,V1,T1)(p,V2,T2)pV1V2(T2T1)功功:内能内能:热量热量:二、热力学第确定律对志向气体等值过程的应用二、热力学第确定律对志向气体等值过程的应用结论结论:pVO证：证：一、一、热容热容3.3 热容热容 (heat capacity)1.定义定义一个系统的温度上升一个系统的温度上升dT dT 时所吸取的热量时所吸取的
22、热量dQdQ与与dT dT 的的比值称作系统的热容。比值称作系统的热容。系统的压强保持不变的过程中的热容称系统的压强保持不变的过程中的热容称定压热容定压热容。系统的体积保持不变的过程中的热容称系统的体积保持不变的过程中的热容称定体热容定体热容。单位：单位：J/K说明：说明：系统的系统的热容与过程有关热容与过程有关。3.定体热容定体热容 (heat capacity at constant volume)2.定压热容定压热容 (heat capacity at constant pressure)1.定义定义1mol 某种物质温度上升某种物质温度上升1K 时吸取的热量称摩尔热容。时吸取的热量称摩
23、尔热容。单位：单位：J/mol K固体和液体固体和液体 Cm 基本与过程无关基本与过程无关；气体气体Cm与过程有关。与过程有关。说明：说明：2.摩尔摩尔定压热容定压热容3.摩尔摩尔定体热容定体热容热容在工程实际及物质微观结构探讨中有重要意义！热容在工程实际及物质微观结构探讨中有重要意义！单位质量的热容称为单位质量的热容称为比热比热。2.单位单位1.定义定义J/kg K三、比三、比热热 (specific heat)二、二、摩尔热容摩尔热容 (molar heat capacity)(1(1摩尔物质）摩尔物质）(1(1摩尔物质）摩尔物质）四、志向气体的热容四、志向气体的热容(heat capac
24、ity of ideal gas)(heat capacity of ideal gas)1.志向气体的摩尔定体热容志向气体的摩尔定体热容由热力学第确定律知，对由热力学第确定律知，对 mol 志向气体志向气体故有故有志向气体的摩尔定体热容是一个只与分子自由度有志向气体的摩尔定体热容是一个只与分子自由度有关的而与气体温度无关的物理量。关的而与气体温度无关的物理量。dQ=dE+dA=dE+PdV证：证：又因 dV=0（2）定体条件下的热力学第确定律）定体条件下的热力学第确定律（1）志向气体的摩尔定体热容）志向气体的摩尔定体热容四、志向气体的热容四、志向气体的热容(heat capacity of
25、ideal gas)(heat capacity of ideal gas)2.志向气体的摩尔定压热容志向气体的摩尔定压热容由由 pV=RT 知知V=RT/p因因故故说明：说明：经典统计理论认为，志向气体的热容与气体温度无关。经典统计理论认为，志向气体的热容与气体温度无关。但试验测得志向气体的热容与气体温度有关。但试验测得志向气体的热容与气体温度有关。这是因经典统计理论有缺陷（认为粒子能量可连续变更）所致。这是因经典统计理论有缺陷（认为粒子能量可连续变更）所致。只有量子理论才能对志向气体的热容作较圆满说明。只有量子理论才能对志向气体的热容作较圆满说明。故有故有定义：定义：计算：计算：五、比热比
26、五、比热比 (specific heat ratio)四、志向气体的热容四、志向气体的热容(heat capacity of ideal gas)(heat capacity of ideal gas)3.志向气体摩尔定压热容与定体热容的关系志向气体摩尔定压热容与定体热容的关系故故迈耶公式迈耶公式证：证：CP,m=CV,m+R#附：各种气体分子的附：各种气体分子的CVm、Cpm 和和 单原子分子单原子分子刚性双原子分子刚性双原子分子刚性多原子分子刚性多原子分子i=3i=5i=6表表3.1 室温下气体分子的室温下气体分子的 CVm、Cpm 和和 （P112）*一、热力学第确定律（普遍形式）一、热
27、力学第确定律（普遍形式）*二、热力学第确定律二、热力学第确定律功的计算功的计算:Q=(E2 E1)+AdQ=dE +dA1.等温过程等温过程E2-E1=02.等容过程等容过程3.等压过程等压过程对志向气体准静态过程对志向气体准静态过程内能不变内能不变无功交换无功交换Q=EQ=A小小 结结过程过程 特点特点过程过程方程方程EQA等压等压P=常量常量等温等温T=常量常量等容等容V=常量常量00#志向气体等值过程小小 结结三、三、热容热容四、比四、比热热单位质量的热容称为单位质量的热容称为比热比热。1.志向气体的摩尔定体热容志向气体的摩尔定体热容2.志向气体的摩尔定压热容志向气体的摩尔定压热容3.迈耶公式迈耶公式五、比热比五、比热比精品课件精品课件！精品课件精品课件！再再 见见阅 读（P100117）3.13.4