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1、第十二章系统第一页，本课件共有64页本章主要内容本章主要内容12-112-1 准静态过程，功，热量准静态过程，功，热量12-212-2 内能，热力学第一定律内能，热力学第一定律12-312-3 理想气体的等体过程和等压过理想气体的等体过程和等压过 程，摩尔热熔程，摩尔热熔12-412-4 理想气体的等温过程和绝热过程理想气体的等温过程和绝热过程12-512-5 循环过程，卡诺循环循环过程，卡诺循环第二页，本课件共有64页12-112-1 准静态过程准静态过程,功，热量功，热量第三页，本课件共有64页一一 准静态过程准静态过程（理想化的过程）（理想化的过程）从一个平衡态到另一平衡态所经过的每从一
2、个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程一中间状态均可近似当作平衡态的过程.气体气体活塞活塞砂子砂子12第四页，本课件共有64页二二 功（过程量）功（过程量）功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动 状态的变化状态的变化.准静态过程功的计算准静态过程功的计算注意：注意：作功与过程有关作功与过程有关.宏观运动能量宏观运动能量热运动能量热运动能量第五页，本课件共有64页三三 热热 量（过程量）量（过程量）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
3、传递.1）过程量：与过程有关；）过程量：与过程有关；2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；）等效性：改变系统热运动状态作用相同；宏观运动宏观运动分子热运动分子热运动功功分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动热量热量3）功与热量的物理本质不同）功与热量的物理本质不同.1卡卡=4.18 J ，1 J=0.24 卡卡功与热量的异同功与热量的异同第六页，本课件共有64页12-212-2 内能，热力学第一定律内能，热力学第一定律第七页，本课件共有64页作机械功改变系统作机械功改变系统 状态的焦耳实验状态的焦耳实验AV作电功改变系统作电功改变系统 状态的实验状态的实验第八页，本课件共有64页 实验证明
4、系统从状态实验证明系统从状态A 变化到状态变化到状态B，可以采用做功和传热的方法，不管经过，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变热之和保持不变.一一 内能内能（状态量）（状态量）第九页，本课件共有64页2AB1*2AB1*第十页，本课件共有64页 理想气体内能理想气体内能:表征系统状态的单值函数表征系统状态的单值函数，理想气体的内，理想气体的内能仅是温度的函数能仅是温度的函数.第十一页，本课件共有64页 系统内能的增量只与系统的初态和末态有系统内能的增量只与系统的初态和末态有关，与系统所经历的过程无关关，与系统
5、所经历的过程无关.2AB1*2AB1*第十二页，本课件共有64页二二 热力学第一定律热力学第一定律 系统系统从外界吸收的热量从外界吸收的热量,一一部分使系统的内能增加部分使系统的内能增加,另一部另一部分使系统对外界做功分使系统对外界做功.准静态过程准静态过程微小过程微小过程12*第十三页，本课件共有64页 1）能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律.第一类永动机是不第一类永动机是不可能制成的可能制成的.2）实验经验总结，自然界的普遍规律实验经验总结，自然界的普遍规律.+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一定律
6、的符号规定第一定律的符号规定物理意义物理意义第十四页，本课件共有64页凡例 的过程中，系统内能的变化及对外作的功。从b态 回到a态 系统从平衡态a 平衡态b,吸收热量500J，对外作功400J；然后从b态 回到a态，向外放出热量300J。过程500400100(J)过程100(J)300100200(J)外界向系统作功外界向系统作功第十五页，本课件共有64页13-313-3 理想气体的等体过程和等压过程，理想气体的等体过程和等压过程，摩尔热熔摩尔热熔第十六页，本课件共有64页 计算各等值过程的热量、功和内能的理计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础论基础.（1）（理想气体的（理想气体的共性共
7、性）（2）解决过程中能解决过程中能量转换的问题量转换的问题（3）（理想气体的状态函数）（理想气体的状态函数）（4）各等值过程的特性各等值过程的特性.第十七页，本课件共有64页一一 等体过程等体过程 摩尔摩尔定体热容定体热容由热力学第一定律由热力学第一定律特性特性 常量常量过程方程过程方程 常量常量第十八页，本课件共有64页单位单位 摩尔摩尔定体热容定体热容:理想气体在等体理想气体在等体过程中吸收热量过程中吸收热量 ，使温度升高，使温度升高 ，其，其摩尔摩尔定体热容为定体热容为:理想气体理想气体由热力学第一定律由热力学第一定律第十九页，本课件共有64页 等等体体升升压压 12 等等体体降降压压
8、12第二十页，本课件共有64页12二二 等压过程等压过程 摩尔摩尔定压热容定压热容过程方程过程方程 常量常量由热力学第一定律由热力学第一定律特性特性 常量常量 功功W第二十一页，本课件共有64页 摩尔摩尔定压热容定压热容:理想气体在等压过理想气体在等压过程中吸收热量程中吸收热量 ，温度升高，温度升高 ，其摩尔，其摩尔定定压压热容为：热容为：第二十二页，本课件共有64页 可得摩尔可得摩尔定压定压热容和摩尔热容和摩尔定体定体热容的关系热容的关系 摩尔热容比摩尔热容比 三个量：三个量：适用于任何过程第二十三页，本课件共有64页12W等等 压压 膨膨 胀胀 W W12W等等 压压 压压 缩缩第二十四页
9、，本课件共有64页四四 比热容比热容热容热容比热容比热容第二十五页，本课件共有64页13-413-4 理想气体的等温过程理想气体的等温过程和绝热过程和绝热过程第二十六页，本课件共有64页等温过程等温过程第二十七页，本课件共有64页12等温等温膨胀膨胀W12W等温等温压缩压缩 W W第二十八页，本课件共有64页12二二 绝热过程绝热过程与外界无热量交换的过程与外界无热量交换的过程特征特征由热力学由热力学第一定律第一定律绝热的汽缸壁和活塞绝热的汽缸壁和活塞第二十九页，本课件共有64页由热力学第一定律有由热力学第一定律有12W第三十页，本课件共有64页若已知若已知 及及由由 可得可得第三十一页，本课
10、件共有64页 绝热过程方程的推导绝热过程方程的推导12第三十二页，本课件共有64页分离变量得分离变量得绝绝 热热 方方 程程常量常量常量常量常量常量常量常量第三十三页，本课件共有64页12W绝热绝热膨胀膨胀12W绝热绝热压缩压缩 W W第三十四页，本课件共有64页三三 绝热线和等温线绝热线和等温线绝热绝热过程曲线的斜率过程曲线的斜率常量常量第三十五页，本课件共有64页 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.等温等温过程曲线的斜率过程曲线的斜率常量常量ABC常量常量第三十六页，本课件共有64页 例例1 1 设有摩尔数为设有摩尔数为 n 的理想气体，定体摩尔热容和定压摩尔热容为
11、的理想气体，定体摩尔热容和定压摩尔热容为 CV 和和 Cp(g=CV/Cp)，其初态和终态的状态参量用，其初态和终态的状态参量用(p1,V1,T1)和和(p1,V1,T1)表示。表示。试完成试完成下列表格（所有过程均为准静态）：下列表格（所有过程均为准静态）：过程方程过程方程等体等体过程过程等压等压等温等温绝热绝热第三十七页，本课件共有64页 例例2 设有设有 5 mol 的氢气，最初温度的氢气，最初温度 ，压强压强 ，求下列过程中把氢气压缩，求下列过程中把氢气压缩为原体积的为原体积的 1/10 需作的功需作的功:（1）等温过程等温过程（2）绝热过程绝热过程（3）经这两过程后，气体的经这两过程
12、后，气体的压强各为多少？压强各为多少？12常量常量第三十八页，本课件共有64页 解解 （1）等温过程等温过程（2）氢气为双原子气体氢气为双原子气体由表查得由表查得 ，有，有 已知：已知：12常量常量第三十九页，本课件共有64页（3）对等温过程对等温过程对绝热过程，对绝热过程，有有12常量常量第四十页，本课件共有64页 例例3 氮气液化，氮气液化，把氮气放在一个绝热的汽缸中把氮气放在一个绝热的汽缸中.开始开始时时,氮气的压强为氮气的压强为5050个标准大气压、温度为个标准大气压、温度为300K300K；经急速；经急速膨胀后，其压强降至膨胀后，其压强降至 1 1个标准大气压，从而使氮气液化个标准大
13、气压，从而使氮气液化.试问此时氮的温度为多少？试问此时氮的温度为多少？氮气为双原子气体由表查得氮气为双原子气体由表查得 解解 氮气可视为理想气体，氮气可视为理想气体，其液化过程其液化过程为绝热过程为绝热过程.第四十一页，本课件共有64页12-512-5 循环过程，卡诺循环循环过程，卡诺循环第四十二页，本课件共有64页 热机发展简介热机发展简介 1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可门先后发明了年纽可门先后发明了蒸气机蒸气机，当，当时蒸气机的效率极低时蒸气机的效率极低.1765年瓦特进行了重大改进年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率大大提高了效率.人们一直在为提高热机的效率而努人们一直在为提
14、高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题，力，从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高效一方面指明了提高效率的方向，率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展另一方面也推动了热学理论的发展.各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸气机蒸气机第四十三页，本课件共有64页 热力学理论最初是在研究热机工作过程的基热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发展起来的。所谓础上发展起来的。所谓热机热机（EngineEngine）就是把）就是把热量转化为有用的功的装置。热机中必须有热量转化为有用的功的装置。热机中必须有工作物质工作物质（即热力学系统）靠工作物质从热
15、（即热力学系统）靠工作物质从热源吸收热量，再利用系统的体积膨胀对外做功。源吸收热量，再利用系统的体积膨胀对外做功。蒸汽机的水蒸气、内燃机的雾化的燃油和助蒸汽机的水蒸气、内燃机的雾化的燃油和助燃气体混合物等。燃气体混合物等。第四十四页，本课件共有64页热机热机:持续地将热量转变为功的机器持续地将热量转变为功的机器.第四十五页，本课件共有64页冰箱循环示意图冰箱循环示意图第四十六页，本课件共有64页 系统经过一系列变化状态过程后，又回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热力学循环过程到原来的状态的过程叫热力学循环过程.由热力学第一定律由热力学第一定律特征特征一一 循环过程循环过程
16、AB第四十七页，本课件共有64页净功净功总吸热总吸热二二 热机效率和致冷机的致冷系数热机效率和致冷机的致冷系数热机（热机（正正循环）循环）致冷机（致冷机（逆逆循环）循环）净吸热净吸热总放热总放热（取绝对值）取绝对值）2Q第四十八页，本课件共有64页热机热机热机效率热机效率高温热源高温热源低温热源低温热源AB第四十九页，本课件共有64页致冷机致冷系数致冷机致冷系数致冷致冷机机高温热源高温热源AB低温热源低温热源第五十页，本课件共有64页 例例 1 汽油机可近似看成如图循环过程汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环循环)，其中，其中AB和和CD为绝热过程，求此为绝热过程，求此循环效率循环效率.
17、解解吸放CDBApV1V2o第五十一页，本课件共有64页又又AB和和C CD是绝热过程：是绝热过程：所以所以V吸放CDBApV1V2o第五十二页，本课件共有64页三三 卡诺循环卡诺循环 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在个工作在两两热源之间的热源之间的理想理想循环循环 卡诺卡诺循循环环.给出了热机效率的理论极限值给出了热机效率的理论极限值；他还提他还提出了著名的卡诺定理出了著名的卡诺定理.第五十三页，本课件共有64页 卡诺卡诺循环是由两个准静态循环是由两个准静态等温等温过程和两过程和两个准静态个准静态绝热绝热过程组成过程组成.卡诺热机卡诺热机WABCD低
18、温热源低温热源T2高温热源高温热源T121TT 第五十四页，本课件共有64页 理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体卡诺循环热机效率的计算 A B 等温膨胀等温膨胀 B C 绝热膨胀绝热膨胀 C D 等温压缩等温压缩 D A 绝热压缩绝热压缩卡诺循环卡诺循环WABCD第五十五页，本课件共有64页A B 等温膨胀等温膨胀吸吸热热C D 等温压缩放热等温压缩放热WABCD第五十六页，本课件共有64页 D A 绝热过程绝热过程B C 绝热过程绝热过程 所以所以WABCD第五十七页，本课件共有64页 卡诺热机效率卡诺热机效率 卡诺热机效率与工作卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源物质无关，只与两个
19、热源的温度有关，两热源的温的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效差越大，则卡诺循环的效率越高率越高.第五十八页，本课件共有64页WABCD高温热源高温热源T1卡诺致冷机卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数低温热源低温热源T2第五十九页，本课件共有64页 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗？讨讨 论论第六十页，本课件共有64页 例例2 一电冰箱放在室温为一电冰箱放在室温为 的房的房 间里间里，冰箱储藏柜中的温度维持在，冰箱储藏柜中的温度维持在 .现每天有现每天有 的热量自房间传入冰箱的热量自房间传入冰箱 内内,若要维持冰箱内温度不变若要维持冰箱内温度不变,外界每天外界每天 需作多少功需作多少功,其功率为多少？设在其功率为多少？设在 至至 之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的致冷机致冷系数的 55%.解解第六十一页，本课件共有64页房间传入冰箱的热量房间传入冰箱的热量 热平衡时热平衡时由由 得得第六十二页，本课件共有64页保持冰箱在保持冰箱在 至至 之间运转，每天之间运转，每天需作功需作功 功率功率第六十三页，本课件共有64页本章结束本章结束The End of This Chapter第六十四页，本课件共有64页