18,热力学第一定律.ppt

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1、第十八章 热力学第一定律本章内容Contentschapter 18热力学第一定律热力学第一定律first law of thermodynamics cycle Carnot cycle 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环理想气体几种典型的热力学过程理想气体几种典型的热力学过程typical peocess of ideal gas in thermodynamics第一节1 8-11 8-1first law of thermodynamics 引言热力学是研究物质世界中有关热现象的宏观热力学是研究物质世界中有关热现象的宏观理论，它不涉及物质的微观结构，而是将一物质理论，它不涉及物质的微观

2、结构，而是将一物质系统中大量粒子看作一个整体，研究系统所表现系统中大量粒子看作一个整体，研究系统所表现的各种宏观性质和规律。的各种宏观性质和规律。热力学第一定律是热力学的基本定律，是一个热力学第一定律是热力学的基本定律，是一个包括热现象在内的能量守恒与转化的定律。包括热现象在内的能量守恒与转化的定律。热力学第一定律首先涉及到热力学第一定律首先涉及到内能内能功功热量热量的基本概念的基本概念内能对于理想气体，则是组成该气体系统的全部分子的动能对于理想气体，则是组成该气体系统的全部分子的动能之和，其值为之和，其值为 ，由状态参量，由状态参量 T 决定，决定，内能内能 ，是状态参量，是状态参量 T 的

3、单值函数。的单值函数。对于真实气体，除了其全体分子的动能外还包括分子之对于真实气体，除了其全体分子的动能外还包括分子之间的引力势能。是状态参量间的引力势能。是状态参量 T 和和 V（或（或 p ）的函数，）的函数，即即 或或 。广义上，是指某物体系统由其内部状态所决定的能量。广义上，是指某物体系统由其内部状态所决定的能量。功气体压强气体压强活塞面积活塞面积与与过过程程有有关关定义定义 同前力学同前力学元功元功气体膨胀气体膨胀 dV 0 系统对外做正功系统对外做正功 dA0气体被压缩气体被压缩 dV 0 系统对外做负功系统对外做负功 dA0特点特点 是标量是标量体积从体积从 Va 变到变到 Vb

4、 系统所做的功系统所做的功 沿沿 a c b 过程的功过程的功沿沿 a d b 过程的功过程的功是过程量是过程量在在 p V 图上，功的大小与过程图上，功的大小与过程功的几何意义功的几何意义曲线下方所含面积相等。曲线下方所含面积相等。热量外界系统质量系统质量 m比热比热 容容 c吸收热量吸收热量 dQ Q温度升高温度升高 dT T概念概念 系统与外界仅由于系统与外界仅由于温度不同而传递的能量。温度不同而传递的能量。的过程中所吸收的热量的过程中所吸收的热量系统由温度系统由温度 T1 变到温度变到温度 T2系统吸收的热量为正系统吸收的热量为正若计算结果若计算结果 则表示系统放热。则表示系统放热。特

5、点特点 是标量是标量热量必须与过程相联系，只有发生热量必须与过程相联系，只有发生过程才有吸收或放出过程才有吸收或放出热量可言。系统从某一状态变到另一状态，若其过程不同，热量可言。系统从某一状态变到另一状态，若其过程不同，则吸或放的热量也会不同。则吸或放的热量也会不同。是过程量（是过程量（c 是过程量是过程量）实质内能内能热量热量功功状态量状态量过程量过程量过程量过程量构成系统的全部分子构成系统的全部分子的平均能量之和。的平均能量之和。系统的宏观有序机械系统的宏观有序机械运动与系统内大量分子无运动与系统内大量分子无规热运动的相互转化过程。规热运动的相互转化过程。外界物质分子无规热外界物质分子无规

6、热运动与系统内物质分子无运动与系统内物质分子无规热运动的相互转化过程。规热运动的相互转化过程。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热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律的一种表达形式。转化定律的一种表达形式。该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机是不该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机是不可能造成的。可能造成的。第一类永动机是指能不断对外作功而又不需消耗任何形式的能第一类永动机是指能不断对外作功而又不需消耗任何形式的能量、或消耗较少的能量却能得到更多的机械功的机器。量、或消耗较少的能量却能得到更多的机械功的机器。微过程表达式对于一个无限小的过程，热力学第一定律

7、可写成对于一个无限小的过程，热力学第一定律可写成式中各量均为代数量，有正有负式中各量均为代数量，有正有负系统吸收热量，系统吸收热量，或或为正，放出热量则为负为正，放出热量则为负系统内能增加，系统内能增加，或或为正，内能减少则为负为正，内能减少则为负系统对外作功，系统对外作功，或或为正，外界对系统作功则为负为正，外界对系统作功则为负例 的过程中，系统内能的变化及对外作的功。的过程中，系统内能的变化及对外作的功。从从 b 态态 回到回到 a 态态 系统从平衡态系统从平衡态a 平衡态平衡态b,吸收热量吸收热量500J，对外作对外作功功400J；然后从然后从b态态 回到回到a态，向外放出热量态，向外放

8、出热量300J。过程过程500400100(J)300200 过程过程100(J)100(J)外界向系统作功第二节1 8-21 8-2typical peocess of ideal gasin thermodynamics等体过程等等等等V过程系统吸收的热量为过程系统吸收的热量为其中其中称为称为定体摩尔热容定体摩尔热容本式也是计算本式也是计算的普遍式的普遍式等体升压过程所吸收的热量等体升压过程所吸收的热量全部用于增加系统的内能全部用于增加系统的内能理想气体的内能理想气体的内能理想气体的物态方程理想气体的物态方程过程方程过程方程常量常量体积体积 V 不变不变 的过程的过程等压过程等压膨胀过程所

9、吸收的热量等压膨胀过程所吸收的热量一部分用于增加系统的内能一部分用于增加系统的内能一部分用于对外界做功一部分用于对外界做功理想气体的内能理想气体的内能故 常写成常写成其中其中称为定压摩尔热容称为定压摩尔热容压强压强 p 不变不变 的过程的过程过程方程过程方程常量常量理想气体的物态方程理想气体的物态方程比热容比定体定体摩尔热容摩尔热容（1 1molmol气体在气体在等体等体过程中过程中温度升高温度升高1 1K K所吸收的热量所吸收的热量）理想气体常用式理想气体常用式理想气体常用式理想气体常用式 热力学中还常用到热力学中还常用到比热容比比热容比的概念：的概念：定压定压摩尔热容摩尔热容比热容比比热容

10、比定体定体摩尔热容摩尔热容（定压、定体两种定压、定体两种摩尔摩尔热容之比热容之比）定压定压摩尔热容摩尔热容（1 1molmol气体在气体在等压等压过程中过程中温度升高温度升高1 1K K所吸收的热量）所吸收的热量）理想气体常用式理想气体常用式等体等压例题全过程系统吸收量热、全过程系统吸收量热、对外作功及内能变化对外作功及内能变化1.75 10 (J)1.09 10 (J)2.84 10 (J)放热放热内能减少内能减少等体等体262.5(K)等压等压210(K)1.75 10 (J)外界对系统作功外界对系统作功等温过程等温过程气体吸收的热量全部转化为对外作功。等温过程气体吸收的热量全部转化为对外

11、作功。理想气体的物态方程理想气体的物态方程系统保持温度系统保持温度 不变不变常量常量过程方程过程方程理想气体的内能理想气体的内能绝热过程不与外界交换热量的过程不与外界交换热量的过程理想气体的内能理想气体的内能在绝热过程中在绝热过程中全靠消耗系统自身的内能对外作功全靠消耗系统自身的内能对外作功1mol 理想气体绝热功的大小为理想气体绝热功的大小为AQ Q值也可由气体的值也可由气体的 g g 值及初末态的值及初末态的 pV 值求得值求得续得常用的得常用的绝热过程方程绝热过程方程常量常量其它形式其它形式常量常量常量常量理想气体的物态方程理想气体的物态方程即即两边积分得两边积分得常量常量则则常量常量由

12、物态方程由物态方程消去消去及及理想气体准静态理想气体准静态绝热过程绝热过程得得绝热线绝热线的斜率绝热线的斜率绝热过程方程绝热过程方程常量常量其中其中绝热线绝热线等温线等温线绝热线较陡绝热线较陡Q QT T等温过程方程等温过程方程等温线的斜率等温线的斜率常量常量Q QT T对同一对同一除除 共同因素外，还因消耗内能，共同因素外，还因消耗内能，绝热线较陡的物理解释：绝热线较陡的物理解释：等温膨胀等温膨胀绝热膨胀绝热膨胀 不变，导致不变，导致 的因素只是的因素只是使等温绝热例题绝热线绝热线等温线等温线20.8 J mol K1.4等温过程等温过程5.74 10 (J)绝热过程绝热过程11.94(K)

13、3.76 10 (J)等值及绝热归纳理想气体物态方程理想气体物态方程过程过程过程方程过程方程常量常量常量常量常量常量常量常量或或或或或等等体体等等压压等等温温绝绝热热多方过程概念现在讨论现在讨论（多方）（多方）都变都变 的普遍情况的普遍情况为常量为常量（含零及非零）时（含零及非零）时绝热绝热都变都变但过程量但过程量即即或或理想气体物态方程理想气体物态方程过程过程等体、等体、等压、等压、等温等温状态参量状态参量分别不变分别不变多方过程方程联立消去联立消去令令（常量）（常量）两边积分得两边积分得常量常量得多方过程方程得多方过程方程常量常量称为称为多方指数多方指数理想气体的物态方程理想气体的物态方程

14、多方热功算式等温过程等温过程常量常量绝热过程绝热过程常量常量等压过程等压过程等体过程等体过程可写成可写成 可以是非整数，给定一可以是非整数，给定一个个 对应着一个多方过程对应着一个多方过程 等温、绝热、等压、等体等温、绝热、等压、等体过程，是多方过程的特例过程，是多方过程的特例介于等温与绝热之介于等温与绝热之间的过程间的过程多方过程方程多方过程方程常量常量内能变化内能变化多方过程多方过程 系统系统 对外作功对外作功吸收热量吸收热量随堂小议结束选择结束选择请在放映状态下点击你认为是对的答案请在放映状态下点击你认为是对的答案如图，如图，a、b为为 P P-V V 图中两平衡态的代表点，且图中两平衡

15、态的代表点，且 p pa a=p pb b，则则(1)Ea Eb(2)Aab 0(3)Qab 0(4)以上结论都不对以上结论都不对小议链接1结束选择结束选择请在放映状态下点击你认为是对的答案请在放映状态下点击你认为是对的答案如图，如图，a、b为为 P P-V V 图中两平衡态的代表点，且图中两平衡态的代表点，且 p pa a=p pb b，则则(1)Ea Eb(2)Aab 0(3)Qab 0(4)以上结论都不对以上结论都不对小议链接2结束选择结束选择请在放映状态下点击你认为是对的答案请在放映状态下点击你认为是对的答案如图，如图，a、b为为 P P-V V 图中两平衡态的代表点，且图中两平衡态的

16、代表点，且 p pa a=p pb b，则则(1)Ea Eb(2)Aab 0(3)Qab 0(4)以上结论都不对以上结论都不对小议链接3结束选择结束选择请在放映状态下点击你认为是对的答案请在放映状态下点击你认为是对的答案如图，如图，a、b为为 P P-V V 图中两平衡态的代表点，且图中两平衡态的代表点，且 p pa a=p pb b，则则(1)Ea Eb(2)Aab 0(3)Qab 0(4)以上结论都不对以上结论都不对小议链接4结束选择结束选择请在放映状态下点击你认为是对的答案请在放映状态下点击你认为是对的答案如图，如图，a、b为为 P P-V V 图中两平衡态的代表点，且图中两平衡态的代表

17、点，且 p pa a=p pb b，则则(1)Ea Eb(2)Aab 0(3)Qab 0(4)以上结论都不对以上结论都不对第三节1 8-31 8-3cycle Carnot cycle 循环过程循环过程循环过程内能变化内能变化准静态循环过程准静态循环过程循环曲线包围面积循环曲线包围面积代表系统作的净功代表系统作的净功净顺时针顺时针 正循环正循环 (热机热机)净系统对外作正功系统对外作正功逆时针逆时针 逆循环逆循环 (致冷机致冷机)净外界对系统作功外界对系统作功净 系统从某一状态出发经历一系列变化系统从某一状态出发经历一系列变化后又回到了原态的整个变化过程。后又回到了原态的整个变化过程。循环热功

18、转换吸热膨胀吸热膨胀吸收热量吸收热量对外作功对外作功放热压缩放热压缩放出热量放出热量外界作功外界作功绝对值吸收的吸收的净热净热量量对外作的对外作的净功净功循环过程净则循环效率热机的循环效率热机的循环效率工质工质对外作的对外作的净功净功工质从工质从高温高温热源吸收的热量热源吸收的热量工质从工质从低温低温热源吸收的热量热源吸收的热量致冷机的致冷系数致冷机的致冷系数外界外界对工质作的对工质作的净功净功卡诺循环高温热源高温热源低温热源低温热源 两两个个等等温温 两个绝热两个绝热 过程构成的一种过程构成的一种理想循环理想循环卡诺循环分析高温热源低温热源绝热膨胀绝热膨胀 过程方程过程方程绝热压缩绝热压缩

19、过程方程过程方程等温压缩等温压缩 放热放热量量等温膨胀等温膨胀 吸热吸热量量两式对比两式对比得得 两两个个等等温温 两个绝热两个绝热 过程构成的一种过程构成的一种理想循环理想循环卡诺循环效率高温热源高温热源低温热源卡诺逆循环致冷高温热源高温热源低温热源低温热源 致冷系数随着被致冷物体的温度变化致冷系数随着被致冷物体的温度变化而变化。被致冷物体的温度而变化。被致冷物体的温度 越低，越低，则卡诺逆循环的致冷系数越小。则卡诺逆循环的致冷系数越小。例题奥托循环吸 气绝 热压 缩点火等体吸热绝热膨胀等体放热排 气 应用热机效率的一般概念，应用热机效率的一般概念，导出四冲程火花塞点燃式气油发动机导出四冲程

20、火花塞点燃式气油发动机的理想循环（的理想循环（奥托循环奥托循环）效率）效率奥托奥托等体吸热等体吸热等体放热等体放热均为绝热过程，有均为绝热过程，有奥托奥托奥托奥托两个绝热两个绝热两个两个等体等体过程过程主体主体大 气 压随堂练习1mol单原子理想气体循环如图单原子理想气体循环如图105pa10-3m-3循环一次的循环一次的证明证明TaTc=TbTd为吸热过程为吸热过程800(J)面积面积100(J)因因故故致冷例题卡诺致冷机使卡诺致冷机使1 1kg 0 Ckg 0 C的水变成的水变成 0 0 C C的冰，需作多少功？的冰，需作多少功？10.11kg 0 C 的水变的水变0 C的冰的冰需取出热量需取出热量3.35 10 3.35 10 （J）外界需向致冷机作功外界需向致冷机作功3.32 10 (J)低温热源低温热源 0+273=2730+273=273（K K）高温热源高温热源27+273=300 27+273=300(K)K)环境温度环境温度 27 27 C C被致冷的被致冷的 0 C 水变水变 0 0 C的冰的冰冰的溶解热为冰的溶解热为 3.35 10 J kg作业HOME WORK18-918-1 318-1 518-1818-2 0