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1、热学第三章 热力学第一定律第1页，本讲稿共40页 不受外界影响，系统的宏观性质（不受外界影响，系统的宏观性质（P,V,TP,V,T等）不随时间改变。等）不随时间改变。理想过程！理想过程！3.1 3.2 3.1 3.2 热力学基本概念热力学基本概念1 平衡态平衡态2 2 准静态过程准静态过程过程中的每一状态都是平衡态过程中的每一状态都是平衡态 。准静态过程进行中的每一时刻，系统都处于平衡态。准静态过程进行中的每一时刻，系统都处于平衡态。准静态过程只有在准静态过程只有在“无限缓慢无限缓慢”的条件下才能实现。的条件下才能实现。系统从平衡态系统从平衡态1 1到平衡态到平衡态 2 2，经过一个过程，经过
2、一个过程,平衡态平衡态 1 1 必首先被必首先被破坏，系统变为非平衡态，系统从非平衡态到新的平衡态所需的时间破坏，系统变为非平衡态，系统从非平衡态到新的平衡态所需的时间为弛豫时间。为弛豫时间。3 3 弛豫时间弛豫时间第2页，本讲稿共40页 当系统弛豫时间比宏观变化快得多时，这个过程中每一状态都可近似当系统弛豫时间比宏观变化快得多时，这个过程中每一状态都可近似看作平衡态，该过程就可认为是准静态过程。看作平衡态，该过程就可认为是准静态过程。准静态过程是实际过程无限缓慢进行时的极限情况！准静态过程是实际过程无限缓慢进行时的极限情况！例如：外界对系统做功，过程无限缓慢。例如：外界对系统做功，过程无限缓
3、慢。u u 非平衡态到平衡态的过渡时间，非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，约即弛豫时间，约10 10-3-3 秒秒 如果实际压缩一次所用时间大于如果实际压缩一次所用时间大于1010-3-3,如为如为1 1秒，秒，就可以说是准静态就可以说是准静态过程。过程。第3页，本讲稿共40页 非平衡态不能用一定的状态参量描述，因此，非准静态过程也非平衡态不能用一定的状态参量描述，因此，非准静态过程也就不能用状态图上的一条线来表示。就不能用状态图上的一条线来表示。因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态过因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如程可以用系
4、统的状态图，如P-V图、图、P-T图，图，V-T图中一条曲线表图中一条曲线表示。示。VoP循环过程循环过程 P-V 图中：图中：一个一个“点点”表示一个表示一个平衡态平衡态；一条一条“曲线曲线”表示一个表示一个准静态过程。准静态过程。第4页，本讲稿共40页4.4.功、热量、内能功、热量、内能a.功（功（P103)u u体积功：热力学系统体积变化时对外体积功：热力学系统体积变化时对外界所作的功。界所作的功。A0 系统对外界做功；系统对外界做功；A0 Q0Q吸吸正循环正循环pV0A0Q放放逆循环逆循环pV0Q吸热吸热=A对外对外Q放热放热=A外对系外对系（代数和）（代数和）（代数和）（代数和）第2
5、7页，本讲稿共40页2.热机和制冷机热机和制冷机能流图能流图工质工质高温热源高温热源低温热源低温热源热机效率：热机效率：注：注：Q1,Q2 为绝对值为绝对值！正循环：总吸热正循环：总吸热Q1，总放热，总放热Q2，做功，做功A制冷系数：制冷系数：逆循环：（制冷机）逆循环：（制冷机）一台可逆机，正循环为热机，逆一台可逆机，正循环为热机，逆循环为制冷机。循环为制冷机。第28页，本讲稿共40页例例:常温常温1mol理想气体理想气体H2。求。求=?VP0V1V2P1P2123解解:分析哪段吸热分析哪段吸热:只有只有12吸热吸热第29页，本讲稿共40页例例题题：内内燃燃机机的的循循环环之之一一奥奥托托循循
6、环环.内内燃燃机机利利用用液液体体或或气气体体燃燃料料,直直接接在在气气缸缸中中燃燃烧烧,产产生生巨巨大大的的压压强强而而作作功功.内内燃燃机机的的种种类类很很多多,试试说说明明活活塞塞经经过过四四个个过过程程完完成成一一个个循循环环（如如图图)的的四四冲冲程程汽汽油油内内燃燃机机整整个个循循环环中中各各个个分过程的特征分过程的特征,并计算这一循环的效率并计算这一循环的效率.气缸开始吸入汽油蒸汽及助燃空气，此时压强约等气缸开始吸入汽油蒸汽及助燃空气，此时压强约等 于于1.01.0 10105 5PaPa奥托循环的四个分过程如下：奥托循环的四个分过程如下：解：解：首先吸入燃料：首先吸入燃料：ea
7、 ea 是个等压膨胀过程。是个等压膨胀过程。p p0 0p pV VV V1 1O Oa ae eb bV V2 2c cQ Q1 1 由于压缩较快，气缸散热较慢，可由于压缩较快，气缸散热较慢，可看作一绝热过程。看作一绝热过程。1 1、abab 活塞自右向左移动，将已吸入气缸内的混合气体活塞自右向左移动，将已吸入气缸内的混合气体加以压缩，使之体积减小，温度升高，压强增大。加以压缩，使之体积减小，温度升高，压强增大。（外界做功）（外界做功）绝热压缩过程绝热压缩过程第30页，本讲稿共40页 在上述高温压缩气体中，用电火花或其他方式引起燃烧爆炸，气体压在上述高温压缩气体中，用电火花或其他方式引起燃烧
8、爆炸，气体压强随之骤增，由于爆炸时间短促，活塞在这一瞬间移动的距离极小，这近强随之骤增，由于爆炸时间短促，活塞在这一瞬间移动的距离极小，这近似是个等体过程似是个等体过程2 2、bcbc等体吸热（爆炸）过程等体吸热（爆炸）过程 这一巨大的压强把活塞向右推动而作这一巨大的压强把活塞向右推动而作功，同时压强也随着气体的膨胀而降低，功，同时压强也随着气体的膨胀而降低，爆炸后的作功过程可看成一绝热过程。爆炸后的作功过程可看成一绝热过程。3 3、cdcd绝热膨胀（系统作功绝热膨胀（系统作功 ）p p0 0p pV VV V1 1O Oa ae eb bV V2 2c cQ Q1 1d dQ Q2 24 4
9、、dada等体放热过程等体放热过程 开放排气口，使气体压强突然降为大气压，这过程近似于一个等体过程。开放排气口，使气体压强突然降为大气压，这过程近似于一个等体过程。最最后后再再由由飞飞轮轮的的惯惯性性带带动动活活塞塞，使使之之从从右右向向左左移移动动，排排出出废废气气，这这是是个个等等压压过程。过程。即由即由 aeae 第31页，本讲稿共40页 气体主要在循环的等体过程气体主要在循环的等体过程bcbc中吸热（相当于在爆炸中产生的热），而中吸热（相当于在爆炸中产生的热），而在等体过程在等体过程dada中放热（相当于随废气而排出的热），设气体的摩尔数中放热（相当于随废气而排出的热），设气体的摩尔数
10、为为，定体摩尔热容为，定体摩尔热容为C CV,mV,m而在等体过程而在等体过程dada中放出的热量为中放出的热量为所以这个循环的效率应为所以这个循环的效率应为p pV VV V1 1O Oa ab bd dc cp p0 0V V2 2Q Q1 1Q Q2 2e e在等体过程在等体过程bcbc中，气体吸取的热量为中，气体吸取的热量为由由abab和和cdcd为绝热过程得：为绝热过程得：式中式中r=Vr=V1 1/V/V2 2 叫做压缩比。叫做压缩比。第32页，本讲稿共40页3.7 卡诺循环卡诺循环只与只与两个恒温两个恒温热源交换能量的热源交换能量的无摩擦无摩擦的的准静态准静态循环。循环。povT
11、1T2abcdQ1（吸热）（吸热）Q2（放热）（放热）热流图热流图PV 图图第33页，本讲稿共40页ab 等温膨胀等温膨胀cd 等温压缩等温压缩bc 绝热膨胀绝热膨胀da 绝热压缩绝热压缩povT1T2abcd卡诺循环：卡诺循环：两条等温线和两条绝热线组成。两条等温线和两条绝热线组成。由绝热过程由绝热过程Q1（吸热）（吸热）Q2（放热）（放热）由等温过程由等温过程得循环闭合条件：得循环闭合条件：同样的方法可求得卡诺制冷机的制冷系同样的方法可求得卡诺制冷机的制冷系数为：数为：第34页，本讲稿共40页例例 图为一理想气体几种状态变化过程的图为一理想气体几种状态变化过程的 p-V 图，其中图，其中
12、MT为等温线，为等温线，MQ 为绝热线，在为绝热线，在 AM,BM,CM 三种准静态过程中：三种准静态过程中：（1）温度升高的是温度升高的是过程；过程；（2）气体吸热的是气体吸热的是过程。过程。BM,CM解解:（1）B,C 在等温线在等温线 TM 下方，分别处在另外温下方，分别处在另外温度较低的两条等温线上，故温度升高。度较低的两条等温线上，故温度升高。（2）QM 是绝热过程：是绝热过程：CM 过程：过程：CM 过程吸热。过程吸热。CM（系统对外作负功，绝对值小者数值大。）（系统对外作负功，绝对值小者数值大。）VPMATBQC0第35页，本讲稿共40页例：如图，例：如图，bca为理想气体绝热过
13、程，为理想气体绝热过程，b1a和和b2a是任意过程，分析上述是任意过程，分析上述两过程中气体做功是正还是负，过程是吸热还是放热？两过程中气体做功是正还是负，过程是吸热还是放热？VPV1V2Obac21解：解：把把b1acbb1acb看做一部热机的正循环过程。看做一部热机的正循环过程。整个循环过程与外界的热交换等于系统整个循环过程与外界的热交换等于系统对外所做的净功对外所做的净功 b1a b1a过程体积减小，故气体做负过程体积减小，故气体做负功。功。acb acb为绝热过程，只有为绝热过程，只有b1ab1a过程与外界有热交换，所以过程与外界有热交换，所以b1ab1a为为吸热过程。吸热过程。第36
14、页，本讲稿共40页 acb acb为绝热过程，只有为绝热过程，只有b2ab2a过程与外界有热交换，故过程与外界有热交换，故Q Q 0 0，所以，所以b2ab2a为放热过程。为放热过程。把把b2acbb2acb看做一部制冷机的逆循环过程看做一部制冷机的逆循环过程对全过程对全过程 Q=A Q=A0 0VPV1V2Obac21气体在气体在 b2a b2a过程仍做负功。过程仍做负功。第37页，本讲稿共40页例：一卡诺热机低温热源的温度为例：一卡诺热机低温热源的温度为7.0，效率为，效率为40%，若要将，若要将其效率提高到其效率提高到50%，则高温热源温度需要提高几度？，则高温热源温度需要提高几度？则：则：解：解：由：由：得：得：第38页，本讲稿共40页3.29 一暖气装置用热机带动致冷机，致冷机自河中吸热供给暖气中的水，同时暖气中的水又作为热机的冷却器，已知：热机的高温热库T1=210,暖气中的水T2=60，河水温度T3=15。设工质都是理想气体，且都以卡诺循环的形式工作，求：1.燃烧1kg煤暖气中的水得到的热量？2.这些热量是煤所发热量的几倍？煤的燃烧值3.34 ET1T2Q1Q2ART3第39页，本讲稿共40页作业作业第三章第三章3.33.43.63.93.203.243.25第40页，本讲稿共40页