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1、第09章热力学基础(1)第1页，本讲稿共53页1.1.热力学过程热力学过程2.2.准静态过程准静态过程3.3.准静态过程的功准静态过程的功4.4.内能内能5.5.热量热量9-1热力学过程热力学过程内能、功和热量内能、功和热量第2页，本讲稿共53页1.1.热力学过程热力学过程系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程p12第3页，本讲稿共53页2.2.准静态过程准静态过程过程进行的每一步系统均处于平衡态过程进行的每一步系统均处于平衡态说明：说明：是一理想模型是一理想模型 当实际过程进行得非常缓慢，可当实际过程进行得非常缓慢，可近似近似认为是准认为是准静态过程
2、静态过程第4页，本讲稿共53页系统平衡态可用（系统平衡态可用（P-V）（或）（或P-T、V-T）描述）描述一个平衡态可用一个平衡态可用一个点一个点表示表示一个准静态过程：一个准静态过程：可用可用一条曲线一条曲线表示表示反之亦如此。反之亦如此。非准静态过程对应一条虚线非准静态过程对应一条虚线2(p2,V2,T2)OV p 1(p1,V1,T1)第5页，本讲稿共53页一般地，一般地，“无限缓慢无限缓慢”进行的过程可看成准静进行的过程可看成准静态过程态过程假定系统从某一平衡态开始变化，状态的变化必假定系统从某一平衡态开始变化，状态的变化必然会使原来的平衡受到破坏，需要经过一定的时然会使原来的平衡受到
3、破坏，需要经过一定的时间（称为间（称为弛豫时间弛豫时间）才能达到新的平衡态）才能达到新的平衡态例例.气缸气体的弛豫时间气缸气体的弛豫时间10-3 s常温下气体分子速率：常温下气体分子速率：容器线度容器线度为为1 m，1000 m/s则弛豫时间约为：则弛豫时间约为：第6页，本讲稿共53页压缩时间压缩时间 驰豫时间，相比是个缓慢的过程驰豫时间，相比是个缓慢的过程气缸一次压缩时间：气缸一次压缩时间：1010-2-2秒秒则该气缸压缩近似为准静态过程则该气缸压缩近似为准静态过程1010-2-2s s第7页，本讲稿共53页例：系统（初始温度例：系统（初始温度T1）从外界吸热）从外界吸热T1 T2若系统温度
4、若系统温度T1 直接直接与热源与热源T2 接触：接触：非淮静态过程非淮静态过程T1T2T1T1+TT1+2TT1+3TT2第8页，本讲稿共53页3.3.准静态过程的功准静态过程的功系统对外做功系统对外做功说明说明 系统对外做功系统对外做功 系统所作的功在数值上等于系统所作的功在数值上等于P-VP-V图上图上 过程曲线以下的面积。过程曲线以下的面积。VV2V1Opm 12dlp12第9页，本讲稿共53页4.4.内能内能焦耳实验：焦耳实验：焦耳反复做了大量此类的实验，结果发现：用焦耳反复做了大量此类的实验，结果发现：用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，
5、所需要的功是相等的。所需要的功是相等的。第10页，本讲稿共53页上述实验事实表明，系统一定存在一个态函上述实验事实表明，系统一定存在一个态函数数 E，称为内能，它在初态、末态之间的差值，称为内能，它在初态、末态之间的差值等于沿任意绝热过程外界对系统所作的功等于沿任意绝热过程外界对系统所作的功利用功来定义内能：利用功来定义内能：第11页，本讲稿共53页理想气体：理想气体：内能是温度的单值函数：内能是温度的单值函数：-内能是状态的单值函数内能是状态的单值函数 E=E(V,T)微观上，热力学系统的内能是所有分子热运微观上，热力学系统的内能是所有分子热运 动的动能和分子间相互作用势能之和。动的动能和分
6、子间相互作用势能之和。一般气体：一般气体：第12页，本讲稿共53页5.5.热量热量在功和内能的基础上可进一步引入热量的概念。在功和内能的基础上可进一步引入热量的概念。热传递：热传递：热力学系统之间的另一种相互作用，热力学系统之间的另一种相互作用，温度不同的两个系统接触时，冷的物温度不同的两个系统接触时，冷的物体温度会升高，热的物体温度会降低体温度会升高，热的物体温度会降低热功当量：热功当量：焦耳做了大量实验，发现传热和做功焦耳做了大量实验，发现传热和做功都可使物体温度升高，并精确地测出都可使物体温度升高，并精确地测出了传热和做功的数值关系了传热和做功的数值关系热功当量热功当量热量：热量：热力学
7、系统从外界吸收的热量定义为在不热力学系统从外界吸收的热量定义为在不做功过程中系统内能的增量做功过程中系统内能的增量第13页，本讲稿共53页说明说明 从能量角度看，传热相当于内从能量角度看，传热相当于内能在不同系统之间的流动能在不同系统之间的流动 改变系统内能的两种途径：改变系统内能的两种途径：做功和热传递做功和热传递钻木取火钻木取火 热容量热容量摩尔热容量摩尔热容量Cm：比热容比热容 c：单位：单位：J/molK单位：单位：J/kgKC 与过程有关与过程有关dQ 为过程量为过程量第14页，本讲稿共53页9-2热力学第一定律热力学第一定律第15页，本讲稿共53页某一过程，系统从外界吸收热量某一过
8、程，系统从外界吸收热量Q，对外界做功，对外界做功W，系，系统内能从初始态统内能从初始态E1 变为变为E2，则由能量守恒：，则由能量守恒：QAp1E1p2E2热力学第一定律热力学第一定律第16页，本讲稿共53页注意注意（4）Q，W，E的正负号：的正负号：（1）对一切热力学系统适用：对一切热力学系统适用：（固、液、气）（固、液、气）（2）对微元过程：）对微元过程：（3）对准静态过程：）对准静态过程：（5）热力学第一定律另一种表述：热力学第一定律另一种表述：第一类永动机制不成。第一类永动机制不成。W：系统对外做功为正，系统对外做功为正，外界对系统做功为负外界对系统做功为负Q：吸热为正，放热为负：吸热
9、为正，放热为负E：增大为正，减小为负：增大为正，减小为负第17页，本讲稿共53页不工作机器博物馆不工作机器博物馆第18页，本讲稿共53页据说，据说，13世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的边缘上等间隔地安装了边缘上等间隔地安装了12根可活动的锤杆根可活动的锤杆(如图如图1)。他设想一旦。他设想一旦轮子被启动轮子被启动,由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些，就会驱动轮由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些，就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。子按箭头方向永不停息地转动下去。第19页，本讲稿共53页第20页，本讲稿共53页Overbalanced
10、 Wheel第21页，本讲稿共53页SimonStevinsChain斯蒂文于斯蒂文于1568年写了一本年写了一本静力学基础静力学基础，明确地提出了永，明确地提出了永动机不可能实现的观点动机不可能实现的观点“神奇其实并不神奇神奇其实并不神奇”“运动没有尽头是荒谬的运动没有尽头是荒谬的”第22页，本讲稿共53页1570年，意大利的泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永年，意大利的泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。动机。A是一个磁石，铁球是一个磁石，铁球C受磁石吸引可沿斜面滚到上端的受磁石吸引可沿斜面滚到上端的E处，从小洞落下，经曲面返回，复又被磁石吸引，铁球就可以处，从小洞落下，经曲面
11、返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。沿螺旋途径连续运动下去。第23页，本讲稿共53页1681年，英国有一位著名的医生弗拉德提出一个建议，利用年，英国有一位著名的医生弗拉德提出一个建议，利用阿基米得螺旋（如图）把水池的水提到高处，再让升高的水阿基米得螺旋（如图）把水池的水提到高处，再让升高的水推动水轮机，水轮机除了带动水磨做功以外，还可使阿基米推动水轮机，水轮机除了带动水磨做功以外，还可使阿基米得螺旋转不断提水，如此周而复始。得螺旋转不断提水，如此周而复始。第24页，本讲稿共53页浸润永动机浸润永动机第25页，本讲稿共53页Buoyancy MotorA wheel in t
12、he form of a perfect sphere or cylinder rotates about a frictionless horizontal shaft.The left side is in a chamber filled with water,perfect(frictionless and leakproof)seals around the rotating wheel prevent the liquid from escaping.The left side of the wheel therefore experiences an upward buoyant
13、 force due to the liquid it displaces.So that side will rise,and the wheel rotates clockwise.第26页，本讲稿共53页Capillary Motorcapillary action.Suppose we have such a tube capable of lifting the liquid to a height h.Now lower the tube to a height less than h.Or make a hole in its side below the top of the
14、liquid column.The liquid,trying to rise to height h will then spill out the top of the tube,where a very tiny waterwheel can capture its energy as it falls.第27页，本讲稿共53页The shield apertures permit each armature pole to see only a couple of the magnets of the outer ring.Each armature pole is affected
15、primarily by the north poles of the ring,those being nearest.Therefore,in the position shown in the picture,the N pole of the armature is repelled,experiencing a force to the left.The S pole of the armature is attracted,experiencing a force to the right.These two forces make a couple,which rotates t
16、he armature clockwise.Magnetic Shield Engine 第28页，本讲稿共53页It may be perpetual motion,but it will take forever to test it.Cartoon by Donald Simanek.第29页，本讲稿共53页1）将一理想气体封闭起来（）将一理想气体封闭起来（m 不变）不变）2）特殊的等值过程：过程中某一状态）特殊的等值过程：过程中某一状态参量不变参量不变3）在）在p-V 图中给出过程曲线图中给出过程曲线4）计算）计算W、Q、E 和和C9-3热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理
17、想气体的应用第30页，本讲稿共53页1.1.等体过程等体过程热力学过程中体积保持不变热力学过程中体积保持不变过程方程：过程方程：dV=0功：功：dW=0W=0热量：热量：(dQ)V=dEQV=E2-E1内能（理想气体）：内能（理想气体）：过程方程、状态方程过程方程、状态方程第31页，本讲稿共53页定体摩尔热容：定体摩尔热容：证明：证明：热力学第一定律热力学第一定律理想气体：理想气体：第32页，本讲稿共53页2.2.等温过程等温过程热力学过程中温度保持不变热力学过程中温度保持不变过程方程：过程方程：dT=0 或或 pV=const.功和热量：功和热量：对理想气体：对理想气体：内能内能:dW=dQ
18、=pdVp1p2TVO pV1 V2第33页，本讲稿共53页思考：等温过程的摩尔热容量思考：等温过程的摩尔热容量=？第34页，本讲稿共53页3.3.等压过程等压过程热力学过程中压强保持不变热力学过程中压强保持不变过程方程：过程方程：p=const.热量：热量：内能内能:pVO pV1 V2功：功：第35页，本讲稿共53页定压摩尔热容：定压摩尔热容：证明：证明：p=const.迈耶公式迈耶公式状态方程：状态方程：过程方程：过程方程：第36页，本讲稿共53页定压摩尔热容：定压摩尔热容：定体摩尔热容：定体摩尔热容：热容比：热容比：单原子气体：单原子气体：双原子气体：双原子气体：多原子气体：多原子气体
19、：同一状态下同一状态下1 mol 的理想气体温度升高的理想气体温度升高1K，等压过程需要吸收的热量比等体过程中吸收的热等压过程需要吸收的热量比等体过程中吸收的热量多量多8.31 J：这是因为在这两个过程中内能的增量这是因为在这两个过程中内能的增量相同，但是等压过程需要吸收更多的热量用于对相同，但是等压过程需要吸收更多的热量用于对外做功。外做功。第37页，本讲稿共53页用用值和实验比较：值和实验比较：351.67571.40681.33（常温下（常温下)符合得很好符合得很好第38页，本讲稿共53页4.4.绝热过程（绝热过程（*重点重点*）热力学过程中没有任何热传递热力学过程中没有任何热传递过程方
20、程：过程方程：转化成对转化成对(p，V，T)的的约束方程约束方程绝热过程方程绝热过程方程Q0W第39页，本讲稿共53页证明：证明：从热力学第一定律出发从热力学第一定律出发微分得：微分得：第40页，本讲稿共53页讨论讨论 过程曲线过程曲线 p O V 过程方程的其它形式过程方程的其它形式第41页，本讲稿共53页 绝热过程曲线比等温线陡绝热过程曲线比等温线陡绝热线绝热线 等温线等温线 O V p第42页，本讲稿共53页 绝热过程的功绝热过程的功 p O V1 V2 V绝热线绝热线 第43页，本讲稿共53页 绝热过程内能的改变绝热过程内能的改变 绝热过程的热容量呢？绝热过程的热容量呢？第44页，本讲
21、稿共53页解：解：先求原体积先求原体积V1(1)等压过程：等压过程：第45页，本讲稿共53页(2)等温过程：等温过程：第46页，本讲稿共53页(3)绝热过程：绝热过程：第47页，本讲稿共53页V(103m3)2 a b1p(105Pa)26O 第48页，本讲稿共53页V(103m3)2 a b1p(105Pa)26O (1)内能改变（双原子理想气体）：内能改变（双原子理想气体）：(2)功：功：(3)热量：热量：第49页，本讲稿共53页V(103m3)2 a b1p(105Pa)26O 第50页，本讲稿共53页V(103m3)2 a b1p(105Pa)26O 用斜率求：用斜率求：等温线斜率：等
22、温线斜率：等温线斜率：等温线斜率：最高温度时：最高温度时：V=1.2510-3m3V=(35/24)10-3m3之前吸热之前吸热第51页，本讲稿共53页热力学第一定律小结热力学第一定律小结：热力学第一定律：热力学第一定律：内能增量：内能增量：功（准静态过程）：功（准静态过程）：热容：热容：比热容：比热容：摩尔热容：摩尔热容：定体摩尔热容：定体摩尔热容：定压摩尔热容：定压摩尔热容：迈耶公式：迈耶公式：比热容比比热容比：等体过程；等体过程；等压过程；等压过程；等温过程；等温过程；绝热过程：绝热过程：（以上过程中（以上过程中 的计算；教材的计算；教材P18）第52页，本讲稿共53页作业：作业：9-4、9-5、9-8第53页，本讲稿共53页