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1、热学第四章第1页，共26页，编辑于2022年，星期日等温准静态过程等温准静态过程pV等压准静态过程等压准静态过程(I)-(II)(I)-(II)不是准静态过程，不是准静态过程，(I)-(III)(I)-(III)是准静态过程是准静态过程第2页，共26页，编辑于2022年，星期日 二、可逆过程和不可逆过程二、可逆过程和不可逆过程 当一个过程逆向进行，系统和环境都恢复原来的状态，则当一个过程逆向进行，系统和环境都恢复原来的状态，则这个过程为可逆过程这个过程为可逆过程 如果用任何方法都不能使系统和环境完全复原，则这个如果用任何方法都不能使系统和环境完全复原，则这个过程为不可逆过程过程为不可逆过程可逆
2、过程可逆过程绝热自由膨胀，不可逆过程绝热自由膨胀，不可逆过程第3页，共26页，编辑于2022年，星期日准静态过程一般是可逆过程准静态过程一般是可逆过程 有例外，如理想气体的准静态自由膨胀有例外，如理想气体的准静态自由膨胀自发过程不可逆，或说非平衡态驰豫过程不可逆自发过程不可逆，或说非平衡态驰豫过程不可逆耗散过程耗散过程：机械功、电磁功等有序能量转化为热量的过程：机械功、电磁功等有序能量转化为热量的过程 如摩擦生热，电流生热，流体内摩擦生热如摩擦生热，电流生热，流体内摩擦生热含耗散过程的过程不可逆，含耗散过程的过程不可逆，尽管有些过程看起来似乎可逆。尽管有些过程看起来似乎可逆。例如，例如，(I)
3、-(III)的过程中，活塞如果存在摩擦力，不可逆，因的过程中，活塞如果存在摩擦力，不可逆，因为摩擦生热的过程不可逆。为摩擦生热的过程不可逆。所以，所以，探讨可逆性时系统和环境都要考虑探讨可逆性时系统和环境都要考虑一般的力学过程可逆，一般的力学过程可逆，一般的生命过程不可逆一般的生命过程不可逆。第4页，共26页，编辑于2022年，星期日4.2 功和热量功和热量一、体积膨胀功一、体积膨胀功准静态过程的功准静态过程的功 本书中规定外界对系统做功为正本书中规定外界对系统做功为正非准静态过程的功难以直接计算非准静态过程的功难以直接计算功与过程相关功与过程相关 等体过程等体过程第5页，共26页，编辑于20
4、22年，星期日 等压过程等压过程 等温过程，等温过程，并设并设第6页，共26页，编辑于2022年，星期日 二、其他形式的功二、其他形式的功 dW=Fdl，拉伸弹性棒所作的功拉伸弹性棒所作的功 dW=dA，表面张力的功表面张力的功 dW=Edq，可逆电池的功可逆电池的功 三、热量三、热量 由温度差引起的能量转移叫热量由温度差引起的能量转移叫热量。它源于热运动，是一种。它源于热运动，是一种能量的转移形式。对准静态过程能量的转移形式。对准静态过程 本书中规定系统吸热为正，非准静态过程的热量也难本书中规定系统吸热为正，非准静态过程的热量也难以直接计算以直接计算热量传递与过程有关热量传递与过程有关第7页
5、，共26页，编辑于2022年，星期日4.3 热力学第一定律热力学第一定律 一、内能定理一、内能定理 内能定理内能定理：对初态和末态确定的：对初态和末态确定的所有绝热过程所有绝热过程，外界对系统，外界对系统作的功是一个恒量，这个恒量定义为内能的改变量：作的功是一个恒量，这个恒量定义为内能的改变量：二、热力学第一定律的表述二、热力学第一定律的表述对对任意过程任意过程，设，设Q为系统吸收的热量，为系统吸收的热量，W为外界对系统作的功，为外界对系统作的功，则系统内能的增加则系统内能的增加与过程无关与过程无关。内能是状态函数，如。内能是状态函数，如U=U(T,V)或或 U=U(T,p)。注意，第一定律注
6、意，第一定律不管是对可逆或不可逆过程均成立。不管是对可逆或不可逆过程均成立。第8页，共26页，编辑于2022年，星期日对无限小过程对无限小过程是全微分是全微分，即，即第一定律也就是説，第一类永动机是不可能实现的。第一定律也就是説，第一类永动机是不可能实现的。从微观看从微观看，内能是系统微观粒子的微观运动动能和相互作用能之和内能是系统微观粒子的微观运动动能和相互作用能之和 对对理想气体，内能仅是温度的函数理想气体，内能仅是温度的函数，U=U(T)实验验证实验验证：理想气体的自由膨胀：理想气体的自由膨胀第9页，共26页，编辑于2022年，星期日4.4 热容和焓热容和焓一、定体热容与内能一、定体热容
7、与内能定体过程，定体过程，AB定体热容定体热容二、定压热容与焓二、定压热容与焓对定压过程，对定压过程，AC第10页，共26页，编辑于2022年，星期日定义函数定义函数 H：H=U+pV 称为称为焓焓，也是，也是状态函数状态函数。等压过程中的吸热等于系统焓的增加。等压过程中的吸热等于系统焓的增加。定压热容定压热容4.5 第一定律对理想气体的应用第一定律对理想气体的应用对理想气体，状态方程已知，内能仅是温度的函数对理想气体，状态方程已知，内能仅是温度的函数第11页，共26页，编辑于2022年，星期日一、等体过程（一、等体过程（W=0）二、等压过程二、等压过程焓只是温度的函数焓只是温度的函数第12页
8、，共26页，编辑于2022年，星期日 三、等温过程（三、等温过程（U不变）不变）四、绝热过程（四、绝热过程（Q=0）可逆可逆绝热过程绝热过程第13页，共26页，编辑于2022年，星期日因为因为 1，可逆绝热线比，可逆绝热线比可逆等温线陡。可逆等温线陡。可逆可逆绝热过程方程绝热过程方程第14页，共26页，编辑于2022年，星期日任意绝热过程的功任意绝热过程的功可逆绝热过程的功可逆绝热过程的功如果应用可逆绝热过程方程，两表达式一致。如果应用可逆绝热过程方程，两表达式一致。第15页，共26页，编辑于2022年，星期日4.6 热机热机 一、循环过程和热机效率一、循环过程和热机效率热机热机循环过程循环过
9、程 U=0，系统从高温热源吸热系统从高温热源吸热 系统向低温热源放热系统向低温热源放热 系统做功系统做功正循环，系统净吸热，对外作功正循环，系统净吸热，对外作功Q1Q2Q1Q2吸收的热量只有一部分变成功，另一部分放回到环境中吸收的热量只有一部分变成功，另一部分放回到环境中 热机循环过程可以可逆或不可逆热机循环过程可以可逆或不可逆正循坏正循坏逆循坏逆循坏第16页，共26页，编辑于2022年，星期日Q1Q2逆循环逆循环，制冷机制冷机外界对系统作功，系统净放热外界对系统作功，系统净放热 因为因为 ，所以有了空，所以有了空调天气更热。调天气更热。Q1Q2热机效率热机效率正循坏正循坏逆循坏逆循坏第17页
10、，共26页，编辑于2022年，星期日二、卡诺热机二、卡诺热机 如下四个如下四个可逆过程可逆过程的热机：的热机：设工作物质为理想气体设工作物质为理想气体第18页，共26页，编辑于2022年，星期日理想气体绝热过程理想气体绝热过程卡诺热机的效率仅取决于热源的温度卡诺热机的效率仅取决于热源的温度第19页，共26页，编辑于2022年，星期日例：以理想气体为工作物质的热机从状例：以理想气体为工作物质的热机从状态态 等体加热到状态等体加热到状态，又从状态，又从状态绝绝热膨胀热膨胀到状态到状态，再从状态，再从状态等压压缩到等压压缩到状态状态。已知。已知V1，V2，求热机效率。，求热机效率。pO V1 V2
11、V解：，等体，吸热，Q1=CV（T2T1），绝热。，等压，放热，Q2=Cp（T3T1）第20页，共26页，编辑于2022年，星期日pO V1 V2 V等体等体等压等压绝热绝热第21页，共26页，编辑于2022年，星期日4.7 制冷机制冷机和焦耳和焦耳-汤姆孙效应汤姆孙效应 一、制冷机和制冷系数一、制冷机和制冷系数制冷系数：制冷系数：理想气体的卡诺制冷机的制冷系数理想气体的卡诺制冷机的制冷系数T2越小，制冷越困难越小，制冷越困难第22页，共26页，编辑于2022年，星期日 二、焦耳二、焦耳-汤姆孙效应汤姆孙效应焦耳焦耳-汤姆孙实验汤姆孙实验:（节流过程）V2,T2p1p2V1,T1p1p2初态，
12、初态，p1,V1,T1,U1末态，末态，p2,V2,T2,U2绝热过程，绝热过程，p1,p2不变，不变，p1p2这是这是等焓过程等焓过程。对。对实际气体实际气体，实验发现节流前后温度改变。这是可以，实验发现节流前后温度改变。这是可以理解的，因为理解的，因为 H=H(p,T)第23页，共26页，编辑于2022年，星期日 T2 T1，为节流致温效应（负节流效应），为节流致温效应（负节流效应）在在Tp图上画等焓线，图上画等焓线，i 代表初态，代表初态，1-7代表各个末态。所有的态都等代表各个末态。所有的态都等焓。焓。但节流过程不是可逆过程，但节流过程不是可逆过程，因为这是扩散过程。因为这是扩散过程。致冷还是致致冷还是致温与分子之间相互作用相关。温与分子之间相互作用相关。1234567pTipiTipfTf第24页，共26页，编辑于2022年，星期日对于对于理想气体理想气体，的表达式的表达式第25页，共26页，编辑于2022年，星期日小结：热力学第一定律，内能是态函数小结：热力学第一定律，内能是态函数 如何计算准静态过程的功和热量以及内能等如何计算准静态过程的功和热量以及内能等 热机效率的计算热机效率的计算作业：4.2.1 4.4.2 4.5.3 4.5.9 4.6.1 4.6.3 4.6.4第26页，共26页，编辑于2022年，星期日