1、1熱力學(xué)熱力學(xué): :熱運(yùn)動(dòng)的宏觀宏觀理論,宏觀熱現(xiàn)象. 內(nèi)容內(nèi)容: :熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)狀態(tài) (P, ,V, ,T) 變化時(shí), 功、熱量、內(nèi)能轉(zhuǎn)化關(guān)系、條件、 效率. 對(duì)象對(duì)象: :大量物質(zhì)粒子組成的系統(tǒng), 熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng). 方法方法: :從實(shí)驗(yàn)結(jié)果,能量角度, 不考慮微觀運(yùn)動(dòng).第四章第四章 熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ)21 1 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 2 2 熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用 3 3 循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán) 4 4 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 3二、功和熱量二、功和熱量熱量熱量Q: :分子之間交換無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)的能量.過(guò)程量過(guò)程量.作功

2、作功W: :宏觀位移與無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換.過(guò)程量過(guò)程量.RTiME2一、內(nèi)能一、內(nèi)能 系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的內(nèi)在的各種能量的總和. 1 1 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 理想氣體內(nèi)能理想氣體內(nèi)能: :所有分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)動(dòng)能 和振動(dòng)勢(shì)能之和.只是溫度的函數(shù),態(tài)函數(shù)態(tài)函數(shù). . 212M iER TT4正負(fù)規(guī)定正負(fù)規(guī)定: : 吸熱為正吸熱為正, ,放熱為負(fù)放熱為負(fù); ; 系統(tǒng)對(duì)外作功為正系統(tǒng)對(duì)外作功為正, ,外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù)外界對(duì)系統(tǒng)作功為負(fù); ; 溫度升高溫度升高, ,內(nèi)能增加內(nèi)能增加, ,溫度降低溫度降低, ,內(nèi)能減小內(nèi)能減小. .三、熱力學(xué)第一定律三、熱力學(xué)第一定律dWdEdQ熱力學(xué)第一定

3、律熱力學(xué)第一定律: :狀態(tài)變化時(shí)功W、熱量Q、 內(nèi)能變化E之間的關(guān)系.能量守恒能量守恒.WEQ第一類永動(dòng)機(jī)是不可能第一類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)的! !微分形式：微分形式：5四、功、熱量和內(nèi)能增量的計(jì)算四、功、熱量和內(nèi)能增量的計(jì)算狀態(tài)圖:狀態(tài)量關(guān)系圖, 曲線代表準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,無(wú)摩擦. 弛豫時(shí)間(從非平衡到平衡） 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程: :狀態(tài)變化的時(shí)間 間隔大于弛豫時(shí)間.1. 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程平衡態(tài)新平衡態(tài) 中間態(tài)狀態(tài)變化外界擾動(dòng)平衡被破壞熱力學(xué)過(guò)程熱力學(xué)過(guò)程62. 功的計(jì)算功的計(jì)算dlps計(jì)算膨脹作功: 21VVWdWpdVPV對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)PV圖上曲線下的面積圖上曲線下的面積. . 與過(guò)程有關(guān)

4、與過(guò)程有關(guān).膨脹膨脹 W0, ,壓縮壓縮 W0逆循環(huán)逆循環(huán)(逆時(shí)針):W凈凈0BACDpVBACDpV3 3 循環(huán)過(guò)程和循環(huán)過(guò)程和卡諾卡諾循環(huán)循環(huán)W凈凈 W凈凈 Q凈=W凈熱機(jī)循環(huán)效率熱機(jī)循環(huán)效率: : 吸凈QW熱機(jī)熱機(jī)(正循環(huán)) 制冷機(jī)制冷機(jī) (逆循環(huán)) 23 理想熱機(jī):工作物質(zhì)只與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q能量, 沒(méi)有其它方面的能量損耗卡諾機(jī)卡諾機(jī).卡諾循環(huán)卡諾循環(huán):工質(zhì)是理想氣體; 熱力學(xué)過(guò)程是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程; 熱交換過(guò)程是等溫過(guò)程; 與熱源分離的過(guò)程是絕熱過(guò)程.二、卡諾循環(huán)二、卡諾循環(huán) 1.1.卡諾熱機(jī)卡諾熱機(jī)1T2TpVABCD1Q2Q1T2T1QW2QE等溫膨脹AB吸熱: 0ln11211WVV

5、RTMQ240ln34232VVRTMWQ21 QQW凈功0)(212TTCMEWV0)(124TTCMEWV絕熱壓縮DA : 等溫壓縮CD放熱: 22QQ絕熱膨脹BC : 1T2TpVABCD1Q2Q3212421111ln1lnVMRTQQVWVMQQRTV 1211lnVVRTMQ4322lnVVRTMQ效率:25211TT1T2TpVABCD1Q2Q111223: BCTVTV111 124: DATVTV3214VVVV卡諾熱機(jī)卡諾熱機(jī)效率效率: 221111QTQT 一般熱機(jī)一般熱機(jī)效率效率:211QQ 324211ln1lnVTVVTV 1.必須有兩個(gè)熱源 供吸熱、放熱.2.效率

6、只與T有關(guān), 與工質(zhì)無(wú)關(guān).3.效率小于1,提高 效率,提高T1.26例例1:1:現(xiàn)代熱電廠水蒸氣溫度可達(dá)580度,冷凝水的溫度約30度,若按卡諾循環(huán)計(jì)算,其效率應(yīng)為:%5 .64273580273301實(shí)際最高到36% 1Q2QpV13421V2V12絕熱壓縮,23等容吸熱, 34絕熱膨脹,41等容放熱.證明: 21112111()QVQV 例例2:2:奧托循環(huán). 214()VMQC TT132()VMQC TT111 122TVTV114132TVTV241414132323(1)(1)QTTTT TQTTTT T43TT1211VV27 例例3:3:1mol單原子分子的理想氣體,經(jīng)歷如圖所

7、示可逆循環(huán),連接ac兩點(diǎn)曲線方程為p=p0V2/V02,a點(diǎn)溫度為T0.(1)以T0 ,R分別表示過(guò)程中 氣體吸收的熱量.(2)求此循環(huán)的效率.解：a b c V p oV0p09p0 a狀態(tài)的參量為p0,V0,T0,b:0009,9bbbbaapp VVTppTTc:0220000009327cccccccbbpppp VVVVppVTV VTT28 (1) 等體: 00039122VVbaQCTTRTTRT等壓: 0005279452ppcbQCTTRTTRT: QEW acVVacVCTTpdV00047.71116.3%1245VpQRTQQRTRT (2) 2000203272acV

8、VpVR TTdVV3300002039273pRTVVV00 003926347.7RTpVRTa b c V p oV0p09p0 292.2.卡諾制冷機(jī)卡諾制冷機(jī)吸熱Q2,放熱Q1,外界作功Q1-Q2 一般制冷機(jī) 的制冷系數(shù)制冷系數(shù):2212QQWQQT1一定, T2越小,越小.T2一定, T1越小,越大;1T2TpVABCD2Q1Q2221212QQTWQQTT卡諾卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)制冷系數(shù): 21111lnVMQQRTV3224lnVMQRTV111 22 3 TVTV111 124TVTV3214VVVV30例例4:4:一個(gè)作可逆卡諾循環(huán)的熱機(jī),其效率為,它逆向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)便成為一臺(tái)制

9、冷機(jī),該制冷機(jī)的制冷系數(shù) ,則與的關(guān)系為 .212TTT121TTT1121TTT121211TTTT1111或314 4 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 一、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程一、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程可逆過(guò)程可逆過(guò)程: :一系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)程所產(chǎn)生的效果,在 逆過(guò)程中使系統(tǒng)和外界完全恢復(fù)原狀, 而不引起其它變化.例:無(wú)摩擦準(zhǔn)靜態(tài).例:功變熱、熱傳導(dǎo)、氣體自由膨脹.不可逆過(guò)程不可逆過(guò)程: :一系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)程所產(chǎn)生的效果,在 逆過(guò)程中使系統(tǒng)和外界完全恢復(fù)原狀, 而引起其它變化(不能完全恢復(fù)原狀).自發(fā)過(guò)程都是按一定方向進(jìn)行. 與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自發(fā)過(guò)程都是不可逆過(guò)程.32 不可能從單一熱源取熱不可能從單

10、一熱源取熱, ,使之全部變?yōu)槭怪孔優(yōu)?有用的功有用的功, ,而不引起其他變化而不引起其他變化. .開(kāi)爾文表述開(kāi)爾文表述,1851年提出: 不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體, ,而不引起其它變化而不引起其它變化. .克勞修斯表述克勞修斯表述,1850年提出: 二、熱力學(xué)第二定律二、熱力學(xué)第二定律開(kāi)爾文表述和克勞修斯表述的等效性等效性. 反證法.違反開(kāi)氏說(shuō)法必違反克氏說(shuō)法. 第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的! ! 33三、熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義三、熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)解釋宏觀不可逆性 的微觀本質(zhì). ABA Ba bcdb a

11、cdc abdd abcbcd aacd babd cabc dA Bab cdcd abac bdbd acad bcbc adabcd abcd自然界中出現(xiàn)的自發(fā)過(guò)程是有方向性的.一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的.熱現(xiàn)象是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn).統(tǒng)計(jì)規(guī)律.34態(tài)數(shù)微觀4032101234146411/164/166/164/161/16概率最不均勻分布的概率：421161推廣到1mol,1023個(gè),全部集中到A或B的概率:231021微觀解釋和統(tǒng)計(jì)意義微觀解釋和統(tǒng)計(jì)意義: :孤立系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的過(guò)孤立系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程總是自發(fā)地由出現(xiàn)概率小的狀態(tài)向出現(xiàn)概率程總是自發(fā)地由出現(xiàn)概

12、率小的狀態(tài)向出現(xiàn)概率大的狀態(tài)進(jìn)行大的狀態(tài)進(jìn)行; ;由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行. .AB35例例: :一定質(zhì)量理想氣體,先經(jīng)過(guò)等體過(guò)程使其熱力學(xué)溫度升高一倍,再經(jīng)過(guò)等溫過(guò)程使其體積膨脹為原來(lái)的兩倍,則分子的平均自由程為原來(lái)的 倍.2 例例: :氣缸中有一定量的氦氣(視為理想氣體),經(jīng)過(guò)絕熱壓縮,體積變?yōu)樵瓉?lái)的一半,則氣體分子的平均速率變?yōu)樵瓉?lái)的( ).A. 24/5倍B. 22/3倍C. 22/5倍D. 21/3倍8RTv253pVCiCi1112 31112221122VTVT VTTTVD36例例: :bca為理想氣體絕熱過(guò)程,b1a和b2a是任意過(guò) 程,則上述兩過(guò)程中氣體作功與吸收熱量是( )A. b1a過(guò)程放熱,作負(fù)功; b2