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1、第十四章第十四章 热力学基础热力学基础第一页，本课件共有43页 141 平衡态 理想气体状态方程 142 热力学第一定律 内能 功 热量 143 热力学第一定律在理想气体等值过程中 的应用第十四章第十四章 热力学基础热力学基础 144 绝热过程*多方过程 145 循环过程 卡诺循环 146 热力学第二定律 147 可逆过程和不可逆过程*卡诺定理第二页，本课件共有43页热现象热现象 习惯上习惯上,人们把与温度有关的现象称为热现象人们把与温度有关的现象称为热现象.从从微观看微观看,热现象就是宏观物体内部大量分子或原子等微观粒热现象就是宏观物体内部大量分子或原子等微观粒子永不停息的、无规则热运动的平
2、均效果子永不停息的、无规则热运动的平均效果.研究方法研究方法宏观宏观 热力学热力学微观微观 统计物理学统计物理学热力学第一定律热力学第一定律 是包括热现象在内的能量守恒与转换定律是包括热现象在内的能量守恒与转换定律.热力学第二定律热力学第二定律 指明了热力学过程进行的方向和条件指明了热力学过程进行的方向和条件.第三页，本课件共有43页 141 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 状态参量状态参量(status parameter)：用来描写物体系运动状态用来描写物体系运动状态的物理量的物理量.一、气体的状态参量一、气体的状态参量 压强压强 :作用于容器壁上单位面积的垂直作用力作用于
3、容器壁上单位面积的垂直作用力.单位：单位：体积体积 :气体所能达到的最大空间气体所能达到的最大空间.单位：单位：当气体分子大小不计时当气体分子大小不计时,气体体积等于容器的容积气体体积等于容器的容积.第四页，本课件共有43页C CA AB BC CA AB B热力学第零定律热力学第零定律:如果两个物体分别与处于确定状态的第三如果两个物体分别与处于确定状态的第三个物体达到热平衡，则这两个物体彼此将处于热平衡个物体达到热平衡，则这两个物体彼此将处于热平衡.温度温度 :表征热平衡状态下系统的宏观性质表征热平衡状态下系统的宏观性质.温标温标 温度的数值表示法温度的数值表示法.第五页，本课件共有43页热
4、力学热力学(开尔文开尔文)温标：温标：T K 水的冰点为水的冰点为 273.15K摄氏温标：摄氏温标：t 水的冰点为水的冰点为 0水三相点：水三相点：273.16 K(气态、液态、固态的共存状态气态、液态、固态的共存状态)二、平衡态二、平衡态(equilibrium status)当热力学系统与外界没有能量的交换、系统内又无不同形当热力学系统与外界没有能量的交换、系统内又无不同形式的能量转换时式的能量转换时,经过足够长的时间经过足够长的时间,系统总会达到处处温度系统总会达到处处温度相同相同,所有的宏观量不随时间变化的状态所有的宏观量不随时间变化的状态,这种状态即平衡态这种状态即平衡态.从微观上
5、来看从微观上来看,热力学系统的平衡态是动态平衡热力学系统的平衡态是动态平衡,所以常称为所以常称为热动平衡热动平衡.第六页，本课件共有43页三、准静态过程三、准静态过程 热力学过程热力学过程(thermodynamic process)：热力学系统的状态随热力学系统的状态随时间发生变化的过程时间发生变化的过程.准静态过程准静态过程(approximate static process)：状态变化过程进行状态变化过程进行得非常缓慢，即在这种过程中的每一个中间状态都无限得非常缓慢，即在这种过程中的每一个中间状态都无限接近于平衡态接近于平衡态.准静态过程的过程曲线可以准静态过程的过程曲线可以用用p-V
6、图来描述图来描述,图上的每一点分别图上的每一点分别表示系统的一个平衡态表示系统的一个平衡态.理想过程！理想过程！12第七页，本课件共有43页四、理想气体状态方程四、理想气体状态方程m气体的质量气体的质量M气体的摩尔质量气体的摩尔质量普适气体常量普适气体常量 理想气体理想气体：任何情况下都严格遵守状态方程的气体任何情况下都严格遵守状态方程的气体.在在通常温度和压强范围内的气体通常温度和压强范围内的气体,一般都可近似看做理想气体一般都可近似看做理想气体.第八页，本课件共有43页 例例1 有一打气筒有一打气筒,每打一次可将原来压强每打一次可将原来压强 p0=1.0 atm,温度为温度为t0=-3.0
7、,体积为体积为V0=4.0L的空气压缩到容器内的空气压缩到容器内,设容器设容器的容积为的容积为V=1.5103L,欲使容器内空气压强变为欲使容器内空气压强变为2.0 atm,温度温度保持为保持为t=45,需要打几次气？需要打几次气？解解:设打一次气送入容器中的空气质量为设打一次气送入容器中的空气质量为原有空气质量为原有空气质量为最后容器中空气质量为最后容器中空气质量为送入容器中的空气质量为送入容器中的空气质量为第九页，本课件共有43页打气次数为打气次数为代入数据得：代入数据得：（次）（次）例例2 一气缸内贮有理想气体，气体的压强，摩尔体积一气缸内贮有理想气体，气体的压强，摩尔体积和温度分别为和
8、温度分别为 ,现将气缸加热，使气体的压现将气缸加热，使气体的压强和体积同时增大强和体积同时增大.设在这过程中设在这过程中,气体的压强气体的压强 和摩尔体和摩尔体积积 满足下列关系：满足下列关系：(1)求常数求常数k,将结果用将结果用 和普适气体常数表示。和普适气体常数表示。(2)设设 ,当摩尔体积增大到当摩尔体积增大到 时气体的温时气体的温度是多高？度是多高？.第十页，本课件共有43页 解解:加热前后气体各状态参量应满足关系加热前后气体各状态参量应满足关系（1）代入上式，得代入上式，得（2）联立各式，可解得联立各式，可解得第十一页，本课件共有43页 142 热力学第一定律热力学第一定律 内能内
9、能 功功 热量热量 一、热力学第一定律一、热力学第一定律(First law of thermodynamics)本质本质 包括热现象在内的能量守恒和转换定律包括热现象在内的能量守恒和转换定律.12*Q 表示外界对系统传递的热量表示外界对系统传递的热量,W 表示系统对外界作功表示系统对外界作功,E 表示系统表示系统内能的增量内能的增量.+系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第十二页，本课件共有43页无限小的状态变化过程无限小的状态变化过程1.能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律.第一类永动机是不可能制成的第一类
10、永动机是不可能制成的.2.实验经验总结实验经验总结,自然界的普遍规律自然界的普遍规律.物理意义物理意义 二、内能二、内能(internal energy)在热力学系统中存在一种仅由其热运动状态单值决定的能在热力学系统中存在一种仅由其热运动状态单值决定的能量量,这种能量称为系统的这种能量称为系统的内能内能.绝热过程绝热过程第十三页，本课件共有43页 三、功三、功(work)准静态过程的功准静态过程的功 I到到II过程的功过程的功 系统所做的功在数值上等系统所做的功在数值上等于于p-V 图上过程曲线以下的面积图上过程曲线以下的面积,不是状态的函数不是状态的函数,是过程量是过程量.第十四页，本课件共
11、有43页 四、热量四、热量(heat)通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递温差而发生的能量传递.功和热量都是功和热量都是过程量过程量,而内能是而内能是状态量状态量,通过做功或传通过做功或传递热量的过程可使系统的状态（内能）发生变化递热量的过程可使系统的状态（内能）发生变化.在国际单位制中在国际单位制中,热量和功的单位相同，均为热量和功的单位相同，均为J（焦耳）（焦耳）.第十五页，本课件共有43页 143 热力学第一定律在理想气体等值过程中的应用热力学第一定律在理想气体等值过程中的应用 一、等体过程一、等体过程 摩尔定体
12、热容摩尔定体热容特性：特性：V=常量常量,如图如图根据热力学第一定律根据热力学第一定律 摩尔定体热容摩尔定体热容 理想气体在理想气体在等体过程中吸收的热量等体过程中吸收的热量 ，使温使温度升高度升高 ,其摩尔定体热容为其摩尔定体热容为第十六页，本课件共有43页单位单位 质量为质量为m,摩尔定体摩尔定体热容恒定的理想气体热容恒定的理想气体对于微小过程对于微小过程 摩尔定体热容恒定摩尔定体热容恒定的有限过程的有限过程第十七页，本课件共有43页 二、等压过程二、等压过程 摩尔定压热容摩尔定压热容特性：特性：p=常量常量,或或根据热力学第一定律根据热力学第一定律12W如图如图,从从1到到2的有限过程的
13、有限过程由理想气体状态方程由理想气体状态方程和和第十八页，本课件共有43页得得摩尔定压热容摩尔定压热容 理想气体在等压过程中吸收的热量理想气体在等压过程中吸收的热量 ,使温度升高使温度升高 ,其摩尔定压热容为其摩尔定压热容为 质量为质量为m,摩尔定压热容恒定的摩尔定压热容恒定的理想气体，在等压过程中吸热理想气体，在等压过程中吸热应用前式应用前式,摩尔定压热容摩尔定压热容可写为可写为第十九页，本课件共有43页考虑到考虑到所以所以Mayer公式公式比热容比比热容比单单原子分子原子分子 3R/2 5R/2 1.67双双原子分子原子分子 5R/2 7R/2 1.40多多原子分子原子分子 3R 4R 1
14、.33分子分子第二十页，本课件共有43页 三、等温过程三、等温过程12特征：特征：T=常量常量,或或过程方程过程方程 PV=常量常量如图如图,等温线为一条双曲线等温线为一条双曲线根据热力学第一定律根据热力学第一定律理想气体从理想气体从1到到2的过程的过程第二十一页，本课件共有43页例例 将将500J的热量传给标准状态下的的热量传给标准状态下的2mol 氢氢.(1)V不变，热量变为什么？氢的温度为多少？不变，热量变为什么？氢的温度为多少？(2)T不变，热量变为什么？氢的不变，热量变为什么？氢的p、V各为多少？各为多少？(3)p不变，不变，热量变为什么？氢的热量变为什么？氢的T、V各为多少？各为多
15、少？解解:(1)V不变，不变，(Q)V=E，热量转变为内能热量转变为内能第二十二页，本课件共有43页 (2)T不变，不变，E=0，热量转变为系统对外作功热量转变为系统对外作功第二十三页，本课件共有43页 (3)p不变，不变，Q=W+E，热量转变为功和内能，热量转变为功和内能第二十四页，本课件共有43页 144绝热过程绝热过程*多方过程多方过程 一、绝热过程一、绝热过程系统不与外界交换热量的过程系统不与外界交换热量的过程.特征：特征：Q=0热力学第一定律可以写成热力学第一定律可以写成气体对外作功为气体对外作功为p绝热的汽缸壁和活塞绝热的汽缸壁和活塞第二十五页，本课件共有43页绝热方程绝热方程*理
16、想气体在绝热过程所做的功理想气体在绝热过程所做的功考虑到考虑到 二、绝热线和等温线二、绝热线和等温线ABC常量常量等温过程等温过程曲线的斜率曲线的斜率第二十六页，本课件共有43页绝热过程绝热过程曲线的斜率曲线的斜率考虑到考虑到绝热线的斜率大于等温线的斜率绝热线的斜率大于等温线的斜率.原因原因:等温过程中压强等温过程中压强的减小仅是体积增大所致，的减小仅是体积增大所致，而在绝热过程中压强的减小而在绝热过程中压强的减小是由于体积增大，同时温度是由于体积增大，同时温度降低两个因素所致降低两个因素所致.第二十七页，本课件共有43页例例 3.210-3kg的氧气（看做理想气体），其初态的压强的氧气（看做
17、理想气体），其初态的压强p1=1.0atm,体积体积V1=1.010-3m3，先对其进行等压加热，使它的，先对其进行等压加热，使它的体积加倍；然后对其等体加热，使它的压强加倍，最后使其绝热体积加倍；然后对其等体加热，使它的压强加倍，最后使其绝热膨胀而温度回到初态值。试在膨胀而温度回到初态值。试在P-V图上表示该气体所经历的过程，图上表示该气体所经历的过程，并求各个过程中气体吸收的热量，气体对外所作的功及气体内能并求各个过程中气体吸收的热量，气体对外所作的功及气体内能的增量的增量.解解:已知已知p1=1.0atm,V1=1.010-3m3,M=3210-3kgmol-1,m=3.210-3kg,
18、CV,m=5R/2,=1.4.第二十八页，本课件共有43页对于等压过程，有对于等压过程，有对于等体过程，有对于等体过程，有对于绝热过程，有对于绝热过程，有第二十九页，本课件共有43页图略图略.求三个过程的求三个过程的Q,W,E对于等压过程，有对于等压过程，有对于等体过程，有对于等体过程，有对于绝热过程，有对于绝热过程，有第三十页，本课件共有43页 145 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 一、循环过程一、循环过程 系统经过一系列变化状态过程系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫后，又回到原来的状态的过程叫热热力学循环过程力学循环过程.热机热机就是实现这种循就是实现这种循环的一
19、种机器环的一种机器.循环特征循环特征:经历一个循环过经历一个循环过程后程后,内能不变内能不变.气体作功气体作功BAbapBVBpAVApOVAaB为膨胀过程为膨胀过程:WaBbA为压缩过程：为压缩过程：-Wb净功净功:W=Wa-Wb第三十一页，本课件共有43页结论结论:在任何一个循环过程中在任何一个循环过程中,系统所作的净功在数值上等于系统所作的净功在数值上等于 p-V 图上循环曲线所包围的面积图上循环曲线所包围的面积.正循环正循环:在在p-V图上循环过程按顺时针进行图上循环过程按顺时针进行.逆循环逆循环:在在p-V图上循环过程按逆时针进行图上循环过程按逆时针进行.热机热机:工作物质作正循环的
20、机器工作物质作正循环的机器.制冷机制冷机:工作物质作逆循环的机器工作物质作逆循环的机器.设：系统吸热设：系统吸热Q1，系统放热，系统放热Q2.循环过程的热力学第循环过程的热力学第一定律：一定律：热机热机高温热源高温热源低温热源低温热源第三十二页，本课件共有43页致冷机致冷机高温热源高温热源低温热源低温热源 二、循环效率二、循环效率热机（正循环）热机（正循环）热机效率热机效率致冷机（逆循环）致冷机（逆循环）致冷系数致冷系数第三十三页，本课件共有43页 三、卡诺循环三、卡诺循环 1824年，法国青年科学家年，法国青年科学家卡诺（卡诺（1796-1832）提出一种）提出一种理想热机，工作物质只与两个
21、理想热机，工作物质只与两个恒定热源（一个高温热源，一恒定热源（一个高温热源，一个低温热源）交换热量个低温热源）交换热量.整个整个循环过程是由两个绝热过程和两循环过程是由两个绝热过程和两个等温过程构成个等温过程构成，这样的循环过，这样的循环过程称为程称为卡诺循环卡诺循环.第三十四页，本课件共有43页卡诺热机卡诺热机高温热源高温热源低温热源低温热源正向卡诺循环正向卡诺循环W1234 1 2 等温膨胀等温膨胀 2 3 绝热膨胀绝热膨胀 3 4 等温压缩等温压缩 4 1 绝热压缩绝热压缩第三十五页，本课件共有43页 1 2 等温膨胀等温膨胀 3 4 等温压缩等温压缩 2 3 绝热膨胀绝热膨胀 4 1
22、绝热压缩绝热压缩卡诺循环效率卡诺循环效率第三十六页，本课件共有43页两式相比两式相比代入得到代入得到 卡诺热机效率与工作物质卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高诺循环的效率越高.逆向卡诺循环逆向卡诺循环卡诺致冷机卡诺致冷机高温热源高温热源低温热源低温热源致冷系数致冷系数第三十七页，本课件共有43页例例 计算奥托机的循环效率计算奥托机的循环效率.c-d,e-b为等容过程为等容过程,b-c，d-e为绝热过程为绝热过程.解解:V0VpVacdebOc-d 过程中过程中,吸热吸热e-b 过程中过程
23、中,放热放热效率效率第三十八页，本课件共有43页代入可得代入可得第三十九页，本课件共有43页 146 热力学第二定律热力学第二定律 一、开尔文表述一、开尔文表述 不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只从单一热源吸不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只从单一热源吸取热量使之完全转换为功而不产生任何其他影响取热量使之完全转换为功而不产生任何其他影响.第二类永动机是不可能制成第二类永动机是不可能制成.二、克劳修斯表述二、克劳修斯表述 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化.热量不可能自动地从低温物体传到高温物体去热量不可能自动地从低温
24、物体传到高温物体去.第四十页，本课件共有43页 三、热力学第二定律的两种表述是等价的三、热力学第二定律的两种表述是等价的高高 温温 热热 源源 T1低低 温温 热热 源源 T2ABQW=QWQ2Q+Q2Q2Q2开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立.第四十一页，本课件共有43页 147 可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程 *卡诺定理卡诺定理 一、可逆过程和不可逆过程一、可逆过程和不可逆过程 可逆过程可逆过程:在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过如果逆过程能重复正过程的每一状态程的每一状态,而不引起其他变化而不引起其他变化
25、,这样的过程叫做可逆过程这样的过程叫做可逆过程.不可逆过程：不可逆过程：对于某一过程，用任何方法都不能使系统和对于某一过程，用任何方法都不能使系统和外界恢复到原来的状态，这样的过程叫做不可逆过程外界恢复到原来的状态，这样的过程叫做不可逆过程.非准静态过程为非准静态过程为不可逆过程不可逆过程 第四十二页，本课件共有43页 大量事实告诉我们，和热现象有关的实际宏观过程大量事实告诉我们，和热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的都是不可逆的.这是热力学第二定律的这是热力学第二定律的实质实质.非自发传热非自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不完全不完全热热 这是从有序到无序的自发过程这是从有序到无序的自发过程 这是从非均匀、非平衡到均匀、平衡的自发过程这是从非均匀、非平衡到均匀、平衡的自发过程第四十三页，本课件共有43页