热力学基础.幻灯片.ppt

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1、热力学基础.第1页，共36页，编辑于2022年，星期日5-0 第五章教学基本要求第五章教学基本要求5-1 热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用5-2 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环第五章第五章 热力学基础热力学基础5-3 热力学第二定律热力学第二定律第2页，共36页，编辑于2022年，星期日教学基本要求教学基本要求教学基本要求教学基本要求 一一 理解准静态过程及其图线表示法理解准静态过程及其图线表示法.二二 理解热力学中功和热量的概念及功、热量和内能的微观意义，会计理解热力学中功和热量的概念及功、热量和内能的微观意义，会计算体积功及图示算体积功及图示.会计算理想气体的定压和定体摩尔热容

2、会计算理想气体的定压和定体摩尔热容.三三 掌握热力学第一定律，能分析计算理想气体等体、等压、等温和掌握热力学第一定律，能分析计算理想气体等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量绝热过程中的功、热量和内能的改变量.四四 了解循环过程的特征和热机效率的定义，了解卡诺循环的组成和了解循环过程的特征和热机效率的定义，了解卡诺循环的组成和特点，会计算以理想气体为工质的卡诺循环的效率，了解热机效率的特点，会计算以理想气体为工质的卡诺循环的效率，了解热机效率的限度及提高热机效率的途径限度及提高热机效率的途径.五五 了解热力学第二定律的两种表述及其等价性，了解自然过程的方向了解热力学第二定律的两种

3、表述及其等价性，了解自然过程的方向性及可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律的实质性及可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律的实质.*六六 了解热力学第二定律的统计意义，了解熵的概念及熵的了解热力学第二定律的统计意义，了解熵的概念及熵的玻玻玻玻尔兹曼表达式，了解熵增加原理尔兹曼表达式，了解熵增加原理尔兹曼表达式，了解熵增加原理尔兹曼表达式，了解熵增加原理.第3页，共36页，编辑于2022年，星期日5-1 热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用预习要点预习要点1.注意功、热量、内能的概念以及作功与传热的异同注意功、热量、内能的概念以及作功与传热的异同.2.热力学第一定律的内容、物理实质及数

4、学表达式是什么热力学第一定律的内容、物理实质及数学表达式是什么?3.什么是准静态过程？写出气体在准静态过程中作功的一般什么是准静态过程？写出气体在准静态过程中作功的一般表达式表达式.4.理想气体等体、等压、等温和绝热过程各有什么特征理想气体等体、等压、等温和绝热过程各有什么特征?注意注意用热力学第一定律计算各过程的热量、功及内能变化的方法用热力学第一定律计算各过程的热量、功及内能变化的方法.第4页，共36页，编辑于2022年，星期日一一一一 内能、热量和功内能、热量和功内能、热量和功内能、热量和功1 理想气体内能理想气体内能:系统内能的增量只与系统起始和终了系统内能的增量只与系统起始和终了状态

5、状态有关，与有关，与系统所经历的过程无关系统所经历的过程无关.2 功功 气气体体分分子子热热运运动动各各种种动动能能与与分分子子间间相相互互作作用用势势能能的的总总和和.是是表表征征系系统统状状态态的的单单值值函函数数,理理想想气气体体的的内内能能仅仅是是温温度度的的函函数数.由于压力差导致外界物体有规则运动与系统内分子由于压力差导致外界物体有规则运动与系统内分子无规则热运动的能量转换无规则热运动的能量转换.其通过系统与外界物体之间其通过系统与外界物体之间产生宏观的相对位移来完成产生宏观的相对位移来完成.第5页，共36页，编辑于2022年，星期日功与系统状态变化过程有关，是一个过程量功与系统状

6、态变化过程有关，是一个过程量.3 3 热量热量 由于温度差导致系统外分子无规则热运动与系统内分子由于温度差导致系统外分子无规则热运动与系统内分子无规则热运动的能量转换无规则热运动的能量转换.其通过系统与外部边界处分子间的其通过系统与外部边界处分子间的碰撞完成碰撞完成.热量与系统状态变化过程有关，是一个过程量热量与系统状态变化过程有关，是一个过程量.第6页，共36页，编辑于2022年，星期日1）过程量：都与过程有关；）过程量：都与过程有关；2）等效性：改变系统热运动状态的作用效果相同）等效性：改变系统热运动状态的作用效果相同.宏观运动宏观运动分子热运动分子热运动功功分子热运动分子热运动分子热运动

7、分子热运动热量热量3）功与热量的物理本质不同）功与热量的物理本质不同.1卡卡=4.18 J ，1 J=0.24 卡卡功与热量的异同功与热量的异同第7页，共36页，编辑于2022年，星期日二二 热力学第一定律热力学第一定律 系统从外界吸收的热量系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加一部分使系统的内能增加,另一部分使系统对外界做功另一部分使系统对外界做功.3 热力学第一定律对微小过程的应用热力学第一定律对微小过程的应用2 第一定律的符号规定第一定律的符号规定+系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功1 热力学第一

8、定律热力学第一定律第8页，共36页，编辑于2022年，星期日（1）能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律.第一类永动机是不第一类永动机是不可能制成的可能制成的.（2）实验经验总结，自然界的普遍规律实验经验总结，自然界的普遍规律.物理意义物理意义第9页，共36页，编辑于2022年，星期日 准静态过程准静态过程（理想化的过程）（理想化的过程）从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程状态均可近似当作平衡态的过程.气体气体活塞活塞砂子砂子 系统从一个平衡态变到相邻平衡态所经过的时间叫系系统从一个平衡态变到相邻平衡态所经过的时间叫系统的弛

9、豫时间。统的弛豫时间。*准静态过程是理想准静态过程是理想化过程、无限具有相对化过程、无限具有相对意义意义.第10页，共36页，编辑于2022年，星期日12 准静态过程可以用状态图来表示准静态过程可以用状态图来表示 对于给定的准静态过程，在对于给定的准静态过程，在P-V图（或图（或P-T图，图，T-V图）图）上都能找到一条曲线与之对应。上都能找到一条曲线与之对应。对于非准静态过程（即非平衡过程），在对于非准静态过程（即非平衡过程），在P-V图上找不图上找不到相应的曲线与之对应到相应的曲线与之对应。第11页，共36页，编辑于2022年，星期日三三 准静态过程中气体的功准静态过程中气体的功1 准静态

10、过程准静态过程：12 准准静静态态过过程程中中气气体体的的各各状状态态参参量量都都有有确确定定的的值值，可可在在 P-V 图上作出连续的过程曲线图上作出连续的过程曲线.从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作可近似当作平衡态平衡态的过程的过程.2 气体作功的计算气体作功的计算 设想气缸内的气体进行无摩设想气缸内的气体进行无摩擦的准静态膨胀过程擦的准静态膨胀过程.第12页，共36页，编辑于2022年，星期日由功的定义：由功的定义：功的大小等于功的大小等于在在在在PV图中图中曲线下的面积曲线下的面积.以以S表示活塞的面积，表示活塞的面积

11、，p表示气体的压强，表示气体的压强，dl表示一微表示一微小位移小位移.3 准静态微元过程能量关系准静态微元过程能量关系第13页，共36页，编辑于2022年，星期日四四 准静态过程中热力学第一定律的应用准静态过程中热力学第一定律的应用1 等体过程等体过程 摩尔定容热容摩尔定容热容热力学第一定律热力学第一定律特性特性 常量常量过程方程过程方程 常量常量第14页，共36页，编辑于2022年，星期日摩尔定容热容摩尔定容热容:在体积不变的条件下在体积不变的条件下,1mol 质量的理想气体质量的理想气体温度升高（或降低）温度升高（或降低）1K时吸收时吸收(或放出或放出)的热量的热量.单位单位将将代入，代入

12、，热力学第一定律热力学第一定律可得可得1mol 理想气体理想气体由由mol 理想气体理想气体第15页，共36页，编辑于2022年，星期日2 等压过程等压过程 摩尔定压热容摩尔定压热容过程方程过程方程 常量常量热力学第一定律热力学第一定律特特 性性 常量常量所做的功：所做的功：12摩尔定压热容摩尔定压热容:在体积不变的条件下在体积不变的条件下,1mol 理想气体在理想气体在等压过程中温度升高等压过程中温度升高1K时吸收的热量时吸收的热量.1mol 理想气体理想气体第16页，共36页，编辑于2022年，星期日可得可得称为迈耶公式称为迈耶公式.mol 理想气体理想气体1mol 理想气体理想气体第17

13、页，共36页，编辑于2022年，星期日3 等温过程等温过程热力学第一定律热力学第一定律12特征特征 常量常量过程方程过程方程常量常量由由第18页，共36页，编辑于2022年，星期日4 绝热过程绝热过程 绝热过程是系统在和外界无热绝热过程是系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程量交换的条件下进行的过程.特征特征对于理想气体对于理想气体12由理想气体的状态方程，由理想气体的状态方程，两边微分两边微分（1）（2）第19页，共36页，编辑于2022年，星期日令令 （比热容比）（比热容比）得到得到对上式积分：对上式积分：或或由理想气体的状态方程，得到由理想气体的状态方程，得到都称为理想气体的绝热方程都

14、称为理想气体的绝热方程.（1）、（）、（2）消去）消去dT得：得：则则（1）（2）第20页，共36页，编辑于2022年，星期日三三 绝热线和等温线绝热线和等温线绝热绝热过程曲线的斜率过程曲线的斜率常量常量第21页，共36页，编辑于2022年，星期日 绝热线的斜率大于等温线的斜率绝热线的斜率大于等温线的斜率.等温等温过程曲线的斜率过程曲线的斜率常量常量ABC常量常量第22页，共36页，编辑于2022年，星期日5-2 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环预习要点预习要点1.循环过程有什么特征循环过程有什么特征?热机效率是怎样规定的？热机效率是怎样规定的？2.什么是卡诺循环什么是卡诺循环?卡诺循环的效

15、率取决于哪些因素卡诺循环的效率取决于哪些因素？第23页，共36页，编辑于2022年，星期日一一 循环过程循环过程 系统经过一系列状态变化过程后，又回到原来的状系统经过一系列状态变化过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程态的过程叫热力学循环过程.热力学第一定律热力学第一定律净功净功特征特征AB（取绝对值）（取绝对值）总放热总放热总吸热总吸热 循环工作的物质系统称为工作物质循环工作的物质系统称为工作物质,简称工质。简称工质。第24页，共36页，编辑于2022年，星期日二二 热机效率热机效率热机就是把热机就是把热能转换成机械能热能转换成机械能的装置的装置.热机从高温热源吸取热量，一部分转变成

16、功，另一热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源部分放到低温热源.热机热机高温热源高温热源低温热源低温热源热热机机的的效效率率是是在在一一次次循循环环中中工工质质对对外外做做的的净净功功占占它它从从高高温温热热库库吸吸收收的的热热量量的比率的比率.第25页，共36页，编辑于2022年，星期日三三 卡诺循环卡诺循环 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在作在两两热源之间的热源之间的理想理想循环循环 卡诺卡诺循环循环.给给出了热机效率的理论极限值；出了热机效率的理论极限值；他还提出了著名他还提出了著名的卡诺定理的卡诺定理.第26页，共36

17、页，编辑于2022年，星期日三三 卡诺循环卡诺循环 卡诺卡诺循环是由两个准静态循环是由两个准静态等温等温过程和两个准静态过程和两个准静态绝绝热热过程组成过程组成，工质仅和两个热源交换热量，循环工作物质为，工质仅和两个热源交换热量，循环工作物质为理想气体理想气体.WABCDA B：使气缸和温度为使气缸和温度为T1 的高温库接触，气体的高温库接触，气体等温等温膨胀，膨胀，体积由体积由V1增到增到V2，它从高温库中，它从高温库中吸收热量吸收热量Q1B C：气体做绝热膨胀，体：气体做绝热膨胀，体积变为积变为V3，温度降到，温度降到T2第27页，共36页，编辑于2022年，星期日WABCDC D：使使气

18、气缸缸和和温温度度为为T2的的低低温温库库接接触触，使使气气体体等等温温压压缩缩，体体积积由由V3减减小小到到V4，气气体向低温库中体向低温库中放出热量放出热量Q2D A：沿：沿绝热线压缩绝热线压缩气体，气体，直到它回到起始状态直到它回到起始状态A，体积，体积变为变为V1,完成一个循环完成一个循环.第28页，共36页，编辑于2022年，星期日卡诺卡诺循环的效率：循环的效率：得得代入上式代入上式由由第29页，共36页，编辑于2022年，星期日讨讨 论论1 卡诺机必须有高温和低温两个热源卡诺机必须有高温和低温两个热源.3 热机效率不能大于热机效率不能大于 1 或等于或等于 1，只能小于，只能小于

19、1.2 卡诺热机卡诺热机效率效率 与工作物质无关与工作物质无关，只与两个热源的只与两个热源的温度有关温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高越高.4 一切实际热机的效率不可能大于一切实际热机的效率不可能大于 ，尽可能提高高，尽可能提高高温热源的温度，加大高、底温热源之间的温差是提高温热源的温度，加大高、底温热源之间的温差是提高热机效率的有效途径热机效率的有效途径.第30页，共36页，编辑于2022年，星期日5-3 热力学第二定律热力学第二定律预习要点预习要点1.注意准确理解热力学第二定律两种表述的内容注意准确理解热力学第二定律两种表述的内容.2.什么

20、是可逆过程和不可逆过程什么是可逆过程和不可逆过程?3.注意理解热力学第二定律的实质并了解其统计意义注意理解热力学第二定律的实质并了解其统计意义.*4.了解熵的基本物理意义及其与热力学第二定律的关系了解熵的基本物理意义及其与热力学第二定律的关系.第31页，共36页，编辑于2022年，星期日一一 热力学第二定律两种表述热力学第二定律两种表述根据实践经验的总结得出根据实践经验的总结得出:开开尔尔文文表表述述：不不可可能能制制造造出出这这样样一一种种循循环环工工作作的的热热机机，它它只只从从单单一一热热源源吸吸热热来来做做功功，而而不不放放出出热热量量给给其其他他物物体体，或或者者说说不不使使外外界界

21、发发生生任任何何变变化化.即即经经历历循循环环将将热热全全部部转转变变为功的过程是不可能的为功的过程是不可能的.或或第二类永动机（单热源热机）不能制成第二类永动机（单热源热机）不能制成.克劳修斯说法：克劳修斯说法：热量不能自动从低温物体传向高温物热量不能自动从低温物体传向高温物体体.热力学第二定律两种表述的实质是相同的，都指明了热力学第二定律两种表述的实质是相同的，都指明了自然界某些实际过程进行的方向性自然界某些实际过程进行的方向性.第32页，共36页，编辑于2022年，星期日二二 可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程 可可逆逆过过程程:在在系系统统状状态态变变化化过过程程中中,如如果果逆

22、逆过过程程能能重重复复正正过过程程的的每每一一状状态态回回到到初初态态,而而不不引引起起其其他他变变化化,这这样样的过程叫做可逆过程的过程叫做可逆过程.不不可可逆逆过过程程：在在不不引引起起其其他他变变化化的的条条件件下下，不不能能使使逆逆过过程程重重复复正正过过程程的的每每一一状状态态，或或者者虽虽能能重重复复但但必必然然会会引引起起其其他变化，他变化，这样的过程叫做不可逆过程这样的过程叫做不可逆过程.可逆过程的条件是可逆过程的条件是准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散.第33

23、页，共36页，编辑于2022年，星期日三三 自然过程的方向自然过程的方向 通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的.例如：飞轮转动、焦耳实验（重物下落）例如：飞轮转动、焦耳实验（重物下落）.1 自然界里的功热转换过程具有方向性自然界里的功热转换过程具有方向性.2 热量由高温物体自动地传向低温物体的过程即热传导过程是热量由高温物体自动地传向低温物体的过程即热传导过程是不可逆的不可逆的.作功可全部转换为热；但经历循环，热不可能全部变作功可全部转换为热；但经历循环，热不可能全部变成功成功.热传导过程具有方向性，热可以从高温物体自动传向低热传导过程具有方向性，热可以从高温物

24、体自动传向低温物体，但热不能有低温物体自动传向高温物体温物体，但热不能有低温物体自动传向高温物体.第34页，共36页，编辑于2022年，星期日3 气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的.以以上上三三个个典典型型的的实实际际过过程程都都是是按按一一定定的的方方向向进进行行的的，是是不不可可逆逆的的.相相反反方方向向的的过过程程不不能能自自动动地地发发生生，或或者者说说，可以发生，但必然产生其他后果可以发生，但必然产生其他后果.一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，这一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，这就是热力学第二定律的实质就是热力学第二定律的实质.第35页，共36页，编辑于2022年，星期日非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的逆的.热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发第36页，共36页，编辑于2022年，星期日