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1、本章主要内容本章主要内容功 热量热力学第一定律应用：绝热过程 循环过程 3/8/2023第八章第八章 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律：热力学第一定律：能量守恒能量守恒以实验为基础的逻辑推理的研究方法以实验为基础的逻辑推理的研究方法热能是重要的能源，也是维持生命的主要来源。热能是重要的能源，也是维持生命的主要来源。第六章 狭义相对论基础8-1 8-1 功 热量热力学第一定律 Work Heat First Law of Thermodynamics3/8/2023理想气体的内能理想气体内能的改变方法1）做功A（有规则运动 无规则运动）2）传热Q（无规则运动 无规则运动）3/8/202
2、3对某一过程（系统从初态对某一过程（系统从初态 1 变为末态变为末态 2 ），系统），系统从外界从外界吸热吸热 Q，对外界对外界做功做功 A，系统的系统的内能内能由由 E 1变为变为E 2，则由能量守恒定律：则由能量守恒定律：u对无限小过程：对无限小过程：热力学第一定律3/8/20238-2 8-2 准静态过程 quasi-static process3/8/2023始平衡态始平衡态 一系列非一系列非平衡态平衡态末平衡态末平衡态 过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。热力学中，为能利用平衡态的性质，引入热力学中，为能利用平衡态的性质，引入 热力学热力学
3、系统从一个状态变化到另一个状态系统从一个状态变化到另一个状态 ,称为称为热力学过程热力学过程（简称（简称“过程过程”）。）。准静态过程准静态过程的概念。的概念。1.准静态过程3/8/2023举例举例1：外界对系统做功外界对系统做功u从非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，从非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，约约 10-3 秒秒。如果实际压缩一次所用时间为。如果实际压缩一次所用时间为 1 秒，就可以说是准静态过程。秒，就可以说是准静态过程。外界压强总比系统压外界压强总比系统压强大一小量强大一小量 p，就就可以可以 缓慢压缩。过程缓慢压缩。过程进行得无限缓慢。进行得无限缓慢。系统系统T1T
4、1+TT1+2TT1+3TT2从从 T1 T2 是准静态过程是准静态过程 系统温度系统温度 T1 直接与直接与 热源热源 T2接触，最终达到热平衡，接触，最终达到热平衡，不是准静态过程。不是准静态过程。u因为状态图中任何一点都表示因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如过程可以用系统的状态图，如P-V图（或图（或P-T 图，图，V-T 图）中一图）中一条曲线表示，反之亦如此。条曲线表示，反之亦如此。VPO等温过程等温过程等容过程等容过程等压过程等压过程循环过程循环过程举例举例2：系统（初始温度系统（初始温度 T1）从从 外界吸热，
5、温度达到外界吸热，温度达到T2。2.功功做功可以改变系统的状态做功可以改变系统的状态摩擦升温（机械功）、电加热（电功）摩擦升温（机械功）、电加热（电功）功是过程量功是过程量摩擦功：摩擦功：电功：电功：PV12A通常：微量功通常：微量功=广义力广义力 广义位移广义位移3/8/2023准静态过程中，气体对外界做功：准静态过程中，气体对外界做功：总功：总功：规定：气体对外做功为正；反之为负。pVV1V2p2p1A(+)功是过程量功是过程量P249 例例8.1 气体等温过程气体等温过程 mol理想气体在保持温度理想气体在保持温度T不变的条件下，经准静不变的条件下，经准静态平衡过程体积从态平衡过程体积从
6、V1到到V2，求这一过程系统对外界求这一过程系统对外界的功和气体从外界吸收的热量。的功和气体从外界吸收的热量。3.热量热量u系统和外界温度不同，如果界面不是绝热系统和外界温度不同，如果界面不是绝热的，就会的，就会传热传热，或称，或称能量交换。能量交换。热量传递热量传递也可以改变系统的状态。也可以改变系统的状态。3/8/2023微小热量微小热量：0 表示系统从外界吸热；表示系统从外界吸热；0 表示系统向外界放热。表示系统向外界放热。总热量：总热量：不同过程比热不同。积分与过程有关不同过程比热不同。积分与过程有关。注意！注意！整个过程吸热与元过程吸热或放整个过程吸热与元过程吸热或放热的区别。热的区
7、别。u 热量是过程量热量是过程量比较：比较：（1）功功和和热量热量均是能量传递和转化的量度。均是能量传递和转化的量度。（2）功功总是与物体的总是与物体的宏观位移宏观位移相联系的，对相联系的，对应应有规则有规则的运动与的运动与无规则无规则的运动之间的转化；的运动之间的转化；热量热量是在不发生宏观位移的情况下通过是在不发生宏观位移的情况下通过分子的分子的相互作用相互作用实现能量转移。实现能量转移。3/8/2023热力学第一定律：热力学第一定律：第一类永动机不能制造。第一类永动机不能制造。地位：不可违背地位：不可违背。热力学第一定律：热力学第一定律：系统系统吸收的热量吸收的热量一部分变成一部分变成对
8、外对外界做的功界做的功，另一部分用来，另一部分用来增加系统的内能。增加系统的内能。思考思考如下的如下的“静电永动机静电永动机”能否实现能否实现？+-+-+绝缘杆绝缘杆绝缘杆绝缘杆带电杆带电杆带电杆带电杆FF3/8/20234.热力学第一定律在理想气体等值过程的应用热力学第一定律在理想气体等值过程的应用气体吸收的气体吸收的热量热量全部用来全部用来增加增加系统的系统的内能。内能。(1)等容过程等容过程对外做功对外做功吸收热量吸收热量特征：特征：V 不变，不变，pp2VVO1(T2,p2)2(T1,p1)过程方程过程方程查理定律查理定律内能增量内能增量3/8/2023吸收热量吸收热量（2）等压过程等
9、压过程 特征：特征：p 不变。不变。对外做功对外做功ppV1VO1(T1,p)2(T2,p)V2过程方程过程方程盖吕萨克定律盖吕萨克定律内能增量内能增量3/8/2023吸收热量吸收热量（3）等温过程等温过程特征：特征：T 不变，不变，气气体体吸吸收收的的热热量量用用来来增增加加系系统统的的内内能能和和对对外外做功。做功。3/8/2023吸收热量吸收热量 气体气体吸收的热量吸收的热量全部用来全部用来对外做功。对外做功。对外做功对外做功过程方程过程方程玻义耳马略特定律玻义耳马略特定律内能增量内能增量3/8/20238-3 8-3 热容 Heat Capacity3/8/2023定容定容摩尔摩尔热容
10、量热容量一摩尔物质温度升高一摩尔物质温度升高1度所吸收的热量叫度所吸收的热量叫 摩尔热容量摩尔热容量理想气体的定体理想气体的定体摩尔摩尔热容量热容量3/8/2023 定压定压摩尔摩尔热容量热容量 理想气体理想气体迈耶公式迈耶公式比热容比比热容比3/8/2023用用值和实验比较，常温下符合得很好，多原子分子气体则值和实验比较，常温下符合得很好，多原子分子气体则较差，见教材较差，见教材p251表表8.1；氢气氢气T(K)2.53.54.5502705000CPm/R原因原因：经典理论有缺陷，需用量子理论研究。经典理论有缺陷，需用量子理论研究。低温时，只有平动，低温时，只有平动，i=3；常温时，转动
11、被激发，常温时，转动被激发，i=3+2=5；高温时，振动也被激发，高温时，振动也被激发，i=3+2+2=7。P252 例8.3 等体和等压过程；P253 例8.4 特殊过程20mol氧气由状态1变到状态2，经历过程如图，（1）1a2；（2）12。试分别求出这两个过程中功、热和内能。（氧气可视为刚性理想气体分子）P 1.013105Pa20 2 a 5 1 10 50 V/l3/8/2023VpOp2p1V1V2例题5.2 汽缸内有一定质量的氮气，已知p1为1个大气压时，体积为V1=10L。求：（1）等压膨胀到体积15L时，气体内能变化、对外做的功和吸收的热量；（2）从（p1,V1)等温压缩到压
12、强p2=100个大气压时，气体内能变化、环境对气体做的功和气体吸收的热量。作业：P122 5.203/8/20238-4 8-4 绝热过程绝热过程Adiabatic Process3/8/2023 在不与外界交换热量的条件下，系统经历的在不与外界交换热量的条件下，系统经历的状态变化过程。特征是状态变化过程。特征是 1.准静态绝热过程准静态绝热过程绝热过程绝热过程3/8/2023微分得：微分得：2等温等温12绝热绝热OV p绝热线与等温线的比较绝热线与等温线的比较u气体绝热自由膨胀。它不是准静态过程。气体绝热自由膨胀。它不是准静态过程。气体气体真空真空Q=0，A=0，E=02.绝热自由膨胀绝热自
13、由膨胀例题8.5 一定质量的理想气体，从初态（p1,V1）开始，经过准静态绝热过程，体积膨胀到V2,求在这一过程中气体对环境做的功。3/8/20238-5 8-5 循环过程 Cyclic Process3/8/2023热机中用来吸收热量并对外做功的物质热机中用来吸收热量并对外做功的物质工质工质循环过程：循环过程：实例：火力发电厂的热力循环实例：火力发电厂的热力循环 列变化后又回到初态的整个过程叫循环过程列变化后又回到初态的整个过程叫循环过程。系统系统（如热机中的工质）经一系如热机中的工质）经一系绝热绝热VO|Q2|p饱饱 pQ1A3/8/2023锅炉锅炉烟筒烟筒现现代代火火力力发发电电厂厂结结
14、构构示示意意图图碾磨机碾磨机空气空气喷射给水器喷射给水器发电机发电机水管水管冷凝塔冷凝塔除尘器除尘器涡轮涡轮水泵水泵传送带传送带3/8/2023热机效率：热机效率：(efficiency)u循环为准静态过程，在状态图中对应闭合曲线。循环为准静态过程，在状态图中对应闭合曲线。V例，例，在在P-V 图上图上 P正循环正循环逆循环逆循环返回例：例：在汽油机中，混入少量汽油的空气所组成的气体被送在汽油机中，混入少量汽油的空气所组成的气体被送入入 汽缸内，然后气体经历循环过程。这个过程可以近似地汽缸内，然后气体经历循环过程。这个过程可以近似地 用以下各步表示，气体先被压缩，气体爆炸，膨胀做功，用以下各步
15、表示，气体先被压缩，气体爆炸，膨胀做功，最后排气，完成循环。求该热机的效率。最后排气，完成循环。求该热机的效率。解：解：设想一个比较接设想一个比较接近的可逆循环过程近的可逆循环过程PVabcdV1V2Q2Q1P259 例例8.6 空气标准奥托循环。空气标准奥托循环。计算计算 Q1同理同理3/8/2023由绝热过程由绝热过程只决定于体积压缩比。只决定于体积压缩比。若压缩比若压缩比 7，=1.4，则则 =55%。实际只有实际只有25%。3/8/20238-6 8-6 卡诺循环 Carnot Cycle3/8/2023卡诺热机循环卡诺热机循环：只和两个恒温热库交换热量：只和两个恒温热库交换热量Q1Q
16、2A高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质卡诺卡诺（Carnot，法国人，法国人，1796 1832）p0Q12134A|Q2|T1T2V绝热线绝热线等温线等温线V1 V4 V2 V33/8/2023准静态循环，工质为理想气体，准静态循环，工质为理想气体，只和两个恒温热库交换热量。只和两个恒温热库交换热量。卡诺循环的热机效率卡诺循环的热机效率：由两个等温过程和两个绝热过程构成。由两个等温过程和两个绝热过程构成。8-7 8-7 致冷循环 Refrigeration Cycle3/8/2023精品课件精品课件！3/8/2023精品课件精品课件！3/8/2023Q1Q2A高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质若为卡诺致冷循环，则若为卡诺致冷循环，则PVT1T2致冷系数：致冷系数：5.4.3 卡诺致冷循环卡诺致冷循环 (Refrigerator)效率