1、7 熱力學基礎熱力學研究熱現象的宏觀理論 從能量觀點出發,以觀察和實驗事實為依據,分析研究物態變化過程中有關熱、功轉化的關系和條件.闡述熱、功轉化的關系的是熱力學第一定律闡述熱、功轉化的條件的是熱力學第二定律開放系統：系統與外界既有能量傳遞，又有質量傳遞的系統。孤立系統：系統與外界既沒能量傳遞，又沒質量傳遞的系統。封閉系統：系統與外界只有能量傳遞，沒有質量傳遞的系統。（a）一般系統：與外界既有功又有熱量的傳遞（b）透熱系統：與外界沒有功的交換但有熱量的傳遞（c）絕熱系統：與外界沒有熱量的傳遞但有功的交換*熱力學過程：熱力學系統狀態隨時間變化的過程非靜態過程（非平衡過程）實際過程7.1.1 關于

2、熱力學的一些基本概念7.1 熱力學第一定律* 熱力學系統（熱力學研究對象，簡稱系統） 準靜態過程（平衡過程）理想過程：過程所經歷的所有中間狀態都可近似看作平衡態。*系統的內能理想氣體的內能 內能是狀態參量的函數，內能的變化由狀態變化單值決定。PV圖上PT圖上VT圖上平衡態一個點準靜態過程一條曲線VP1(T1)2(T2)* 準靜態過程的功 體系對外作功，消耗體系的內能，體系的溫度降低。所以做功是體系與外界能量交換的一種方法。是系統內分子無序運動的能量向外界有序運動能量的轉換能量傳遞的宏觀形式。A=12p dVVVp1212pdoVVVVuS功的幾何意義: 功在數值上等于pv圖上過曲線下的面積。a

3、babpVomnVV.nambAanbA功和所經歷的過程有關* 熱量 熱量不是一種物質，它是物質之間進行能量交換的一種方式，這種方式是通過分子的熱運動以及分子間的碰撞來實現的能量傳遞的微觀形式。C物質的比熱容實驗證明：外界對系統做功外界對系統傳熱系統內能改變在使系統的狀態改變上傳熱和作功具有等效性。7.1.2 熱力學第一定律對于一微小的過程第一定律可表示為：物理意義：包括熱量在內的能量守恒定律 表明：熱（無規則運動）和功（有規則運動）的轉換可通過系統內能變化來實現。3.熱力學第一定律適用于任何系統的任何過程（包括非靜態過程）2.正負號的規定:注意：4.對于準靜態過程熱力學第一定律可表達為：1.

4、Q是一個過程量7.2 熱力學第一定律對理想氣體等值過程的應用V熱源Q7.2.2 等容過程TT12pVoab.過程方程：（吸熱）等容降壓：（放熱）特征：dp = 012p21o.VVV 7.2.3 等壓過程熱源pQ7.2.4 等溫過程恒溫大熱源TTQ特征：dT = 0pV1122ppIII.oVV過程方程：PV=常量（吸熱）（放熱）7.3 絕熱過程 多方過程特征：dQ = 0IIIpVo.7.3.1絕熱過程絕熱套一、準靜態絕熱過程* 絕熱過程中P，V，T三者同時變化 例：絕熱膨脹VA0EOTP* 絕熱過程的過程方程RTpmV= M RdTVdppdV= Mm+(2)dA =dEpdV =V Mm

5、 C dT(1)(1) 、(2) 中消去dT，得：兩邊積分lnV+lnp=CVC=p 泊松方程(絕熱方程)p=VC 將理想氣體狀態方程代入上式，并從中消去p 或V 就可以得到另外兩個泊松方程：a.圖形上：絕熱線比等溫線陡b.數學解釋：pV=Cdp=+dVpV0等溫過程：dppV=TdV絕熱等溫A.* 絕熱線與等溫線比較pVodpdpTQAAdVdVc.物理解釋：膨脹相同的體積絕熱比等溫壓強下降得快Vnp等溫絕熱VnpVTpV+dpVV=p10d絕熱過程：pV=C絕熱等溫A.pVodppV=QdV例題71設有8g氧氣，體積為0.4110-3m3,溫度為300K，如氧氣作絕熱膨脹，膨脹后的體積為4

6、.1010-3 m3,問氣體作功多少？如氧氣作等溫膨脹，膨脹后的體積也是4.1010-3 m3 ，問這時氣體作功多少？解：氣體若作絕熱膨脹，所作的功為：氣體若作等溫膨脹，所作的功為：熱力學第一定律:A=12p dVVV過程量三種等值過程：1.等容過程2.等壓過程3.等溫過程絕熱過程熱力學第一定律:A=12p dVVV過程量三種等值過程：1.等容過程2.等壓過程3.等溫過程絕熱過程例題72 1mol單原子理想氣體,由狀態a(p1,V1)先等壓加熱至體積增大1倍,再等體加熱至壓力增大1倍,最后再經絕熱膨脹,使其溫度降至初始溫度,如圖所示,試求:(1)狀態d的體積Vd;(2)整個過程對外所做的功;(

7、3)整個過程吸收的熱量.p2p1p12v1v1oabcdv解:(1)由絕熱過程方程：根據題意：p2p1p12v1v1oabcdv(2)整個過程對外所做的功;方法一：p2p1p12v1v1oabcdv(3)整個過程吸收的熱量.方法二：對abcd整個應用熱力學第一定律acb（吸熱）(放熱)dpv例題74絕熱過程而 A=0始末兩態滿足狀態方程二、非靜態絕熱過程絕熱自由膨脹真空三、多方過程*過程方程CVnp=n多方指數 n =1 等溫過程 n = 絕熱過程 n= 0 等壓過程 n = 等容過程*多方過程的功*摩爾熱容T Q0 吸熱 T Q0 吸熱T Q0 放熱例題75A=P0V0n=1.5解：解：例題

8、76分子平均動能減少一、特點:pVoa7.4 循環過程 物質系統經歷一系列狀態變化過程又回到初始狀態，稱這一周而復始的變化過程為循環過程.7.4.1 循環過程=QQ12*凈功 A = 循環過程曲線所包圍的面積AQQ21b發電廠蒸汽動力循環示意圖550C0過熱器鍋爐給水泵冷凝器冷卻水氣輪機發電機QQ12A20C0高溫高壓蒸汽7.4.2 熱機和熱機效率PVabcd正循環0AQQ12高溫熱源低溫熱源熱機工作示意圖系統從外界吸收的凈熱量轉化系統對外作功注意：熱機效率：PVabcd正循環0循環過程：E=0 a b c Q1 = Ec - Ea + A1 c d a - |Q2|= Ea - Ec -|A

9、2|Q1 |Q2| = A1 - |A2| = AVOpaV1V2cbdAQ1|Q2|系統從外界吸收的凈熱量轉化系統對外作功注意：熱機效率：家用電冰箱循環散熱器冷凍室蒸發器節流閥儲液器壓縮機2QQ112A高溫熱源低溫熱源QQ(冷凍室)(周圍環境)7.4.3 致冷機和致冷系數pVo負循環ab外界對系統作功，實現從低溫源吸熱向高溫源放熱。制冷系數：例題78 1mol 氫氣作如圖所示的循環過程計算此循環之效率。V2211abcdo(l )p(atm)=QQQ+daab吸解：=Q吸A=219=10.5%cdQabQdaQbcQ例1. 一定質量的氮氣在 7oC 時自 a 態開始做 abca 循環。求：1

10、.凈功 A = ? 2.Tb = ? Tc = ? 3.計算各分過程吸收或放出的熱量? 4. 效率 = ?130p(大氣壓)V(升)0.20.4abc解： 1. 凈功：2. 3. a b 等容過程(吸熱)c a 等壓過程(放熱)b c(放熱)4.求效率abQbcQcaQ解：=Q放Q吸1= 例題79 1mol 氧氣作如圖所示的循環。求：循環效率pVpV000等溫abco2VbacT(k)V(10-3m3)o12pvabc012等容等壓等溫例題710pvabc012等容等壓等溫放熱吸熱吸熱 解一：解二：pvabc012等容等壓等溫多方過程 n =1 等溫過程 n = 絕熱過程 n= 0 等壓過程

11、n = 等容過程正循環ovp（熱機）從外界吸熱對外作功7.4.4卡諾循環為了提高熱機效率，1824年法國青年工程師卡諾提出了一個理想循環，它體現了熱機循環的基本特怔，我們稱它為卡諾循環。卡諾循環條件1. 準靜態循環，可以正逆循環。2. 工質為理想氣體。3. 工質只和兩個溫度不同的恒 溫熱庫交換熱量。卡諾循環組成 卡諾(1796-1832)順時針轉組成正卡諾循環，逆時針轉組成逆卡諾循環。OVpT112T234由上兩式得到一、卡諾熱機dVVVpVV2o2314T.T1c.ba.2.指明了提高熱機效率的方向 (1).提高高溫熱源的溫度。(2).可用更優的工作物質取代蒸汽。1.指明了兩個熱源是熱機工作

12、的必要前提，即1意義：二、卡諾制冷機1234PQ0V1V4V2V3T1T2例題711某理想氣體準靜態卡諾循環，當高溫熱源溫度T1=400k,低溫熱源溫度T2=300k時,對外作功A=8000J,今維持低溫熱源溫度不變,提高高溫熱源溫度,使其對外作功增至A=10000J, 若兩次卡諾循環都工作在相同的兩絕熱線間,試求:(1).第二次循環效率=？(2).第二次循環中高溫熱源溫度T1=？PVT1T2解：VPT1T2 7.5 熱力學第二定律 熱力學第一定律： 說明一切熱力學過程中能量必須守恒但滿足能量守恒的熱力學過程是否都能實現？可以功全部熱高溫自動低溫有條件有條件表明自然界里的熱功轉換熱傳遞過程具有

13、方向性熱力學第二定律指明了過程進行的方向和限度7.5.2 熱力學第二定律的兩種表述這兩種敘述是完全等價的 不可能制造成功一種循環動作的機器，它只從單一熱源吸熱，使之全部變為功而對外界不發生任何影響。 熱量不可能自動地從低溫熱源傳給高溫熱源。一、開耳芬敘述：英國物理學家 開耳芬二、克勞修斯敘述：德國物理學家克勞修斯一、違背了克勞修斯敘述也就是違背了開耳芬敘述7.5.3 兩種表示的等價性TT12EB對于熱源T2并沒有損失熱量 對于E、B 組合的結果等效為從單一熱源吸收了熱量,并全部變為功，而低溫源無任何變化。若低溫熱源自動地將熱量Q2傳給高溫熱源TT12E二、違背了開耳芬敘述也必然違背了克勞修斯敘述若熱機C 能從單一熱源T1吸收熱量Q1并全部變為功利用熱機C 的功A去推動制冷機D，從低溫熱源吸收熱量Q2，再將熱Q1+Q2量傳給高溫熱源 總體來看，整個系統唯一的效果是有熱量Q2自動地傳給了高溫熱源TT112Q1A=QC高溫熱源低溫熱源TT12CD1A=Q三、熱力學第二定律的意義 1.宏觀意義：一切與熱相聯系的現象中，自發實現的過程都是不可逆的。 2.微觀意義：一切自然過程總是沿著無序性增大的方向進行初始狀態幾率大搖動后幾率很小 3.熱力學第二定律是一個統計規律只有對有大量分子所組成的系統才正確。 本學期“大學物理”課程教學到此結束，謝謝同學們配合。預