第三熱力學第一定律第1頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一

熱力學研究的對象為熱力學系統。

熱力學系統的狀態隨時間變化的過程為熱力學過程。在過程中任意時刻，系統都無限地接近平衡態，因而任何時刻系統的狀態都可以當平衡態處理，也就是說，準靜態過程是由一系列依次接替的平衡態所組成的過程。一、準靜態過程1.什么是熱力學系統2.什么是熱力學過程3.什么是準靜態過程第2頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一如果其中有一個狀態為非平衡態，則此過程為非準靜過程。如果系統進行的速度過快，系統狀態發生變化后，還未來得及恢復新的平衡態，系統又發生了變化，則該過程為非準靜過程。例如：氣缸活塞壓縮的速度過快，氣體的狀態發生變化，還來不及恢復，P、V、T無確定關系，則此過程為非準靜過程。第3頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一

對非常緩慢的過程可近似認為是準靜態過程。準靜態過程中氣體的各狀態參量都有確定的值，可在P~V

圖上作出連續的過程曲線。第4頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一如果過程進行的時間t>可視為準靜過程；如果過程進行的時間t<則為非準靜過程；系統來得及恢復平衡態。系統來不及恢復平衡態。馳豫時間系統從非平衡態過渡到平衡態所用的時間。第5頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一

1.功是系統內能變化的量度。系統作功是通過物體作宏觀位移來完成的。例如：氣缸內的氣壓大于外界大氣壓，氣體膨脹推動氣缸活塞對外作功。二、功2.氣體作功的計算由功的定義：第6頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一如果體積變化從V1—V2，在整個過程中氣體作功為：元功壓強第7頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一3.在P-V圖中曲線下的面積為功曲線下的面積：功的大小不僅取決于系統的始末狀態，且與系統經歷的過程有關.4.功是過程量第8頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一從圖中可看出，1-2與1-1’-2兩個過程的始末狀態相同，但過程曲線不同，兩條曲線下的面積不同，則作功也不同。第9頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一熱量是高溫物體向低溫物體傳遞的能量。熱量是系統內能變化的量度，是過程量。如一杯80oC的熱水，向周圍溫度較低的空氣放出熱量，這是一個過程，而說這杯水具有多少熱量是錯的，具有的是內能，當水溫度下降時，內能也減小。2.熱量與溫度的區別熱量是系統內能變化的量度，是過程量。溫度反映物體冷熱程度，是分子平均平動動能的標志，是狀態量。1.概念§2熱量第10頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一c是比熱：1kg物質升高1oC吸收的熱量；Mc是熱容：Mkg物質升高1oC吸收的熱量；定義

c

為摩爾熱容：1mol氣體升高1

oC所吸收的熱量。熱量摩爾熱容還可寫成1mol物質升高單位溫度所吸收的熱量。3.熱量的計算第11頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一

對于固體吸熱體積變化很小，用一個比熱即可。而氣體吸熱后，對不同的過程吸熱也不一樣。因此對不同過程引入不同的摩爾熱容。等容過程：引入等容摩爾熱容CV，表示在等容過程中，1mol氣體升高單位溫度所吸收的熱量。符號表示“元”，因為Q不是狀態函數，不能寫成全微分d。第12頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一等壓過程：引入等壓摩爾熱容CP，表示在等壓過程中，1mol氣體升高單位溫度所吸收的熱量。熱量熱量第13頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一

熱力學第一定律實際上是包括熱現象在內的能量守恒與轉換定律。一、規定內能增量、功、熱量的正負1.內能增量系統溫度升高系統溫度降低2.功體積膨脹系統對外界做正功。體積收縮系統對外界做負功。§3熱力學第一定律第14頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一或外界對系統作功。3.熱量系統吸熱系統放熱二、熱力學第一定律

設一熱力學系統，初始時內能為E1，如果系統吸熱，使系統內能增加到E2，系統對外作功A。第15頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一系統由能量守恒與轉換定律1.熱力學第一定律

系統吸收的熱量，轉變成系統的內能和系統對外做的功。2.熱力學第一定律對微小過程的應用第16頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一符號表示“元”，因為Q、W不是狀態函數，不能寫成全微分d。3.明確幾點①.注意內能增量、功、熱量的正負規定。②.熱—功轉換不是直接進行的，而是間接的，內能是傳遞工具。系統吸熱后，先使內能增加，再通過降低內能對外作功。由，第17頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一③.熱力學第一定律是從實驗中總結出來的。外界對系統作功，使內能增加，再通過內能降低，系統放熱。所以內能是傳遞工具。第一類永動機：即不從外界吸收能量，而不斷對外作功的機械。第一類永動機違反能量守恒定律,即熱力學第一定律------------------不可能制造出來。第18頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一等容過程也稱等體過程。1.過程特點系統的體積不變2.過程方程3.過程曲線§4熱力學第一定律在等值過程中的應用一、等容過程第19頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一4.內能增量5.功由于等容過程體積不變，P~V

圖曲線下的面積為0，氣體作功為0。6.熱量7.熱力學第一定律應用第20頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一等容摩爾熱容單原子分子氣體雙原子分子氣體意義：等容過程系統吸熱全部轉變成內能。多原子分子氣體第21頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一內能增量又可寫成

此公式不僅適用于等容過程，對任何過程都適用。第22頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一二、等壓過程1.過程特點系統的壓強不變2.過程方程3.過程曲線第23頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一4.內能增量5.功6.熱量7.熱力學第一定律應用壓強不變第24頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一等壓摩爾熱容單原子分子氣體雙原子分子氣體Mayer邁耶公式第25頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一多原子分子氣體CP>CV的物理意義:

1mol理想氣體溫度升高1oC，對于等容過程,體積不變吸熱只增加系統內能，而對于等壓過程除了增加系統內能外，還要對外作功，所吸收的熱量要更多一些。第26頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一三、等溫過程1.過程特點系統的溫度不變2.過程方程3.過程曲線恒溫源第27頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一4.內能增量5.功由理想氣體狀態方程等溫過程的功（1）第28頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一由過程方程則等溫過程的功（2）7.熱力學第一定律應用等溫過程則意義：等溫過程系統吸熱全部用來對外作功。第29頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一四、絕熱過程1.過程特點系統與外界絕熱。無熱量交換。絕熱材料系統對外作功全部靠內能提供。絕熱過程摩爾熱容為0。第30頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一2.內能增量3.熱力學第一定律應用

絕熱過程系統對外作功，全部是靠降低系統內能實現的。絕熱過程第31頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一4.功由和上下同除以CV

,（1）第32頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一定義摩爾熱容比

則（2）由（3）有氣體絕熱膨脹氣體絕熱壓縮第33頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一例如壓縮空氣從噴嘴中急速噴出，氣體絕熱膨脹，溫度下降，甚至液化。再如氣缸活塞急速下壓，氣體絕熱壓縮,溫度升高，使乙醚燃燒。比熱比—摩爾熱容比單原子分子氣體第34頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一5.過程方程由熱力學第一定律的微小過程應用公式雙原子分子氣體多原子分子氣體第35頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一由理想氣體狀態方程（2）全微分（3）（3）-（1）式（1）兩邊乘R有第36頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一由和兩邊同除以PV第37頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一積分（4）由（2）式與（4）消P（5）由（2）式與（4）消V（6）范圍：只適用于準靜態過程。第38頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一6.過程曲線將絕熱線與等溫線比較(P-V圖上)。①.等溫線斜率②.絕熱線斜率全微分斜率第39頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一全微分絕熱線斜率與等溫線斜率比較絕熱線斜率是等溫線斜率的倍。絕熱線要比等溫線陡。意義：對于相同體積變化，等溫過程對外第40頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一作功溫度不變，系統從外界吸收熱量，壓強P下降較慢；對于絕熱過程，系統對外作功全部靠內能提供，所以壓強下降得較快，曲線較陡。例：討論下列幾個過程溫度變化、內能增量、功、熱量的正負。第41頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一1.等容降壓過程；2.等壓壓縮過程；3.絕熱膨脹過程；4.未知過程與等溫線有兩個交點。解答：1.等容降壓過程曲線下面積為0由第42頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一由熱力學第一定律2.等壓壓縮過程體積收縮，曲線下面積為負值。由放熱過程第43頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一由熱力學第一定律放熱3.絕熱膨脹過程由熱力學第一定律第44頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一4.未知過程與等溫線有兩個交點由于1、2點在等溫線上，由熱力學第一定律放熱第45頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一自由膨脹

特點：迅速來不及與外界交換熱量則Q=0

非準靜態過程無過程方程

辦法：只能靠普遍的定律（熱律）自由膨脹絕熱熱律第46頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一自由膨脹理氣狀態方程能量守恒由因為自由膨脹所以系統對外不作功即得第47頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一自由膨脹能量守恒思考：初態和末態溫度相同理氣第48頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一19.一定質量的理想氣體,由狀態a經b到達c,（如圖,abc為一直線）求此過程中。（1）氣體對外做的功；（2）氣體內能的增加；（3）氣體吸收的熱量；(1atm=1.013×105Pa).第49頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一第50頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一1.循環過程:系統經歷一系列熱力學過程后又回到初態2.能量特點§6循環過程一、熱機循環與制冷循環第51頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一循環曲線所包圍的面積為系統做的凈功。循環曲線為閉合曲線。4.正循環與逆循環正循環循環曲線順時針。系統吸熱，對外做正功；返回時，系統放熱，對外做負功；循環面積為正值。正循環熱機3.循環曲線的特點第52頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一逆循環逆循環循環曲線逆時針。系統吸熱，對外做正功；返回時，系統放熱，對外做負功；循環面積為負值。制冷機第53頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一二、熱機效率1.什么是熱機

把熱能轉換成機械能的裝置稱為熱機，如蒸汽機、汽車發動機等。2.熱機工作特點需要一定工作物質。需要兩個熱源。熱機是正循環工作的。正循環第54頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一3.工作示意圖高溫熱源T1低溫熱源T2熱機從高溫熱源吸取熱量，一部分轉變成功，另一部分放到低溫熱源。4.熱機效率由能量守恒

如果從高溫源吸取的熱量轉變成功越多，則熱機效率就越大。第55頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一熱機效率通常用百分數來表示。說明:Q1是系統在一個循環中吸收的總熱量,Q2是放出的總熱量,二者均為絕對值W是系統對外做的凈功W=Q1-Q2第56頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一三、致冷機

致冷機是逆循環工作的，是通過外界作功將低溫源的熱量傳遞到高溫源中。使低溫源溫度降低。逆循環例如：電冰箱、空調都屬于致冷機。第57頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一高溫熱源T1低溫熱源T21.工作示意圖致冷機是通過外界作功將低溫源的熱量傳遞到高溫源中，使低溫熱源溫度降低。2.致冷系數如果外界做一定的功，從低溫源吸取的熱量越多，致冷效率越大。室外室內第58頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一由能量守恒電冰箱的工作物質為氟里昂12(CCL2F2)，氟里昂對大氣的臭氧層有破壞的作用，2005年我國將停止使用氟里昂作致冷劑。以保護臭氧層。溴化鋰致冷和半導體致冷已進入市場。第59頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一例1：一熱機以1mol雙原子分子氣體為工作物質，循環曲線如圖所示，其中AB為等溫過程，TA=1300K，TC=300K。求①.各過程的內能增量、功、和熱量；②.熱機效率。

解:①A-B為等溫膨脹過程第60頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一B-C為等壓壓縮過程吸熱第61頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一放熱第62頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一或由熱力學第一定律C-A為等容升壓過程放熱第63頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一②.熱機效率一個循環中的內能增量為：經過一個循環內能不變。吸熱第64頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一第65頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一1.卡諾循環是由兩條等溫線和兩條絕熱線組成的循環。2.需要兩個熱源，高溫源T1和低溫源T2。3.不計摩擦、熱損失及漏氣，視為理想熱機。4.熱機效率為五、卡諾循環第66頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一1-2等溫膨脹過程吸熱3-4等溫收縮過程放熱第67頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一2-3與4-1為絕熱過程第68頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一2-3絕熱膨脹過程4-1絕熱收縮過程上兩式相比即第69頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一討論1.卡諾機必須有兩個熱源。熱機效率與工作物質無關，只與兩熱源溫度有關。2.熱機效率不能大于1或等于1，只能小于1。第70頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一如果為1則現在的技術還不能達到絕對0K；或這是不能實現的，因此熱機效率只能小于1。如果大于1，W>Q吸

則違反了能量守恒定律。第71頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一3.提高熱機效率的方法。使越小越好，但低溫熱源的溫度為外界大氣的溫度不宜人為地改變，只能提高高溫熱源溫度。要求記住卡諾循環的三個特點1.2.絕熱曲線下的面積相等3.卡諾熱機效率在所有可能熱機中效率最大第72頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一高溫熱源T1低溫熱源T2第73頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一高溫熱源T1低溫熱源T2室內制冷系數:第74頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一本章小結習題課第75頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一第76頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一第77頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一1.熱機效率2.致冷系數3.卡諾機效率第78頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一例1：兩個循環過程，過程2

1—2等溫、2—3’等容、3’—4等壓、4—1絕熱。過程1

1—2等溫、2—3絕熱、3—4等壓、4—1絕熱。試比較哪個過程熱機效率高。第79頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一兩個過程吸熱是一樣的，但循環面積不同，循環過程作功不同，解答：第80頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一例2：質量M=28

g,溫度t=27°C，P=1atm的氮氣，先使其等壓膨脹到原來體積的2倍，再由體積不變的情況下，使壓強增大1倍，最后作等溫膨脹使壓強降為1atm。①.1、2、3、4態的狀態參量P、V、T。②.各過程中的內能增量、功、熱量。求:第81頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一解：①M=28

g注明:P的單位為atm,應該為國際單位第82頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一1-2等壓膨脹過程或第83頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一2-3等容升壓過程第84頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一3-4等溫膨脹過程第85頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一例3：一定量的單原子分子理想氣體，從初態A出發，沿圖示直線過程變到另一狀態B，又經過等容、等壓兩過程回到狀態A。求:（1）.A—B，B—C，C—A各過程中系統對外所作的功W，內能增量及所吸收的熱量Q。第86頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一（2）.整個循環過程中系統對外所作的總功以及總熱量。解：(1)A—B過程（3）.熱機效率。第87頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一B—C過程第88頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一C—A過程第89頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一（3）熱機效率總功總熱量（2）第90頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一1.汽缸內貯有36g水蒸汽(視為理想氣體),經abcda循環過程如圖所示.其中a-b、c-d為等容過程,b-c等溫過程,d-a等壓過程.試求:(1)Wda=?(2)DEab=?(3)循環過程水蒸氣作的凈功W=?(4)循環效率h=?(注:循環效率h=W/Q1,W為循環過程水蒸汽對外作的凈功,Q1為循環過程水蒸氣吸收的熱量,1atm=1.013105Pa)

第91頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一解:水的質量水的摩爾質量第92頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一第93頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一3.如圖所示，abcda為1mol單原子分子理想氣體的循環過程，求：(1)氣體循環一次，在吸熱過程中從外界共吸收的熱量；(2)氣體循環一次做的凈功；(3)證明TaTc=TbTd。第94頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一所吸熱為解：（１）過程ab和bc為吸熱過程。第95頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一(2)氣體循環一次做的凈功為圖中矩形面積第96頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一(3)證明TaTc=TbTd第97頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一4.如圖示，有一定量的理想氣體，從初狀態a（P1,V1）開始，經過一個等容過程達到壓強為P1/4的b態，再經過一個等壓過程達到狀態c,最后經等溫過程而完成一個循環，求該循環過程中系統對外作的功W和凈吸熱量Q。第98頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一解：設狀態C的體積為V2，則由a、c兩狀態的溫度相同，故有，又：循環過程而在ab等容過程中功在bc等壓過程中功第99頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一在ca的過程在整個循環過程系統對外作的功和吸收的熱量為負號說明外界對系統作功、系統對外放熱。第100頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一6.0.02kg的氦氣（視為理想氣體）,溫度由17°C升為27°C,若在升溫過程中,（1）體積保持不變；（2）壓強保持不變；（3）不與外界交換熱量,試分別求出氣體內能的改變、吸收的熱量、外界對氣體作的功。第101頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一第102頁，共114頁，2023年，2月20日，星期一7.一定量的剛性雙原子分子氣體,開始時處于壓強為P0=1.0×105Pa,體積為V0=4×10-3m3,溫度為T0=300K的初態