大學物理 熱力學 教學

.,同學們好,.,第三章熱力學基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)框圖,.,第一節(jié)熱力學第一定律,一、熱力學系統(tǒng)外界,.,平衡態(tài)：無外界影響時，孤立系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)，稱為熱力學平衡態(tài)。此時，狀態(tài)參量有確定的值。,二、狀態(tài)參量平衡態(tài),（1）平衡態(tài)是一種理想模型，包括（力學、熱學、化學）平衡,（2）平衡態(tài)和穩(wěn)衡態(tài)平衡態(tài)：孤立系統(tǒng)，無外界影響，狀態(tài)不變穩(wěn)衡態(tài)：非孤立系統(tǒng)，受外界影響，狀態(tài)不變，是非平衡態(tài),.,三、準靜態(tài)過程,熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間變化的過程叫做熱力學過程，簡稱過程。按平衡性質(zhì)分，熱力學過程可分為：,非靜態(tài)過程：至少有一個態(tài)是非平衡態(tài)的過程。,1.準靜態(tài)過程,.,2.準靜態(tài)過程的功,注意：非靜態(tài)過程不適用,示功圖：p-V圖上過程曲線下的面積,結(jié)論：在準靜態(tài)過程中，系統(tǒng)對外做的功在數(shù)值上等于P-V圖上過程曲線下方的面積。,.,.,四、熱力學第一定律,如果一個系統(tǒng)經(jīng)過一個過程，其狀態(tài)的變化完全由于機械的或電磁的作用，則稱此過程為絕熱過程。在絕熱過程中外界對系統(tǒng)所做的功稱為絕熱功。焦耳實驗結(jié)果表明：用各種不同的絕熱過程使物體升高一定的溫度，所需的功在實驗誤差范圍內(nèi)是相等的，如圖所示。,1.焦耳實驗,在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)所做的功僅取決于系統(tǒng)的初、末狀態(tài)。,.,2、系統(tǒng)的內(nèi)能熱量,（1）系統(tǒng)內(nèi)能E,狹義：所有分子熱運動能量和分子間相互作用勢能。,.,（2）熱量的計算,熱量：物體間由于溫度差別而轉(zhuǎn)移的能量,熱量的傳遞稱為傳熱。傳熱有三種方式：熱傳導、對流、熱輻射。,.,摩爾熱容：,物質(zhì)的比熱容,摩爾熱容：1摩爾物質(zhì)在某一過程中溫度變化1K時，吸收或放出的熱量。,注意：熱量也是過程量,等體摩爾熱容：1摩爾理想氣體在等容過程中溫度變化1K時，吸收或放出的熱量。（無相變和化學反應）,等壓摩爾熱容：1摩爾理想氣體在等壓過程中溫度變化1K時，吸收或放出的熱量。（無相變和化學反應）,.,3.A與Q比較,.,3熱力學第一定律,準靜態(tài)過程：,理想氣體：,微變過程：,（1）熱力學第一定律的數(shù)學形式,.,.,第二節(jié)熱力學第一定律的應用,一、等容過程（dV=0，V=C),.,（2）熱力學第一定律的具體形式,（3）等體摩爾熱容,吸熱全部用于增加內(nèi)能：,注意：,適用于一切過程,.,二、等壓過程(dp=0p=C),（2）熱力學第一定律的具體形式,.,（3）等壓摩爾熱容,由,可得,.,.,三、等溫過程(dT=0T=C),（2）熱力學第一定律的具體形式,吸收的熱量全部用于對外做功,.,.,（1）過程方程,熱力學第一定律,.,令,有,兩邊同除以,有,兩邊積分，得,過程方程的推導,.,（2）熱力學第一定律的具體形式,.,*五、絕熱線和等溫線的比較,a.比較斜率,b.比較壓強變化,使同一理想氣體從相同初態(tài)壓縮相同體積,.,*5.多方過程(一般情況),.,小結(jié)：,.,練習1,答案：不可能發(fā)生的有:(1),(2),(3),.,例1.討論理想氣體在如圖所示兩過程中,T,E,A和Q的正負.,判定的正負：,由圖知:,.,.,例：有bmol理想氣體，其定容摩爾熱容為3R/2，若按如圖所示的無摩擦準靜態(tài)過程由C狀態(tài)變到Z狀態(tài)，求它對外所做的功和吸收的熱量。,.,第三節(jié)熱力學第二定律,一、循環(huán)過程,1.定義：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后又回到初始狀態(tài)的過程叫循環(huán)過程。,參與循環(huán)的物質(zhì)稱為工作物質(zhì)。,.,3.正循環(huán)及其效率,凈功,整個過程吸的凈熱,整個過程對外做的凈功,d,和取絕對值,由于,所以,.,熱機的能量轉(zhuǎn)換:,熱機效率:,熱機及其效率,熱機：利用工作物質(zhì)的正循環(huán)不斷把熱轉(zhuǎn)化為功的裝置。,.,實例：蒸汽機的循環(huán),.,4.逆循環(huán)及致冷系數(shù),和取絕對值,由于,所以,外界對系統(tǒng)做的凈功,.,注意：這里的Q2僅是循環(huán)過程中系統(tǒng)從冷庫吸收的熱量衡量致冷的效力,致冷機及致冷系數(shù),致冷機：利用工作物質(zhì)的逆循環(huán)獲取低溫的裝置。,致冷系數(shù),.,實例：電冰箱,.,（1）高溫熱源與低溫熱源是相對的。,注意：對于熱機和致冷機：,正循環(huán)中，把熱量傳遞給工作物質(zhì)的熱源叫高溫熱源；反之就是低溫熱源。逆循環(huán)與正循環(huán)正好相反。,（2）熱量,逆循環(huán),（3）功,正循環(huán),逆循環(huán),正循環(huán),.,.,二、卡諾循環(huán),18世紀末19世紀初，蒸汽機的效率很低，不能滿足資本主義大工業(yè)的需要。提高熱機效率，解決動力問題就成了當時的首要任務(wù)。法國工程師卡諾認為：“要最完整地研究由熱得到動力的道理，必須不依賴于任何特定機構(gòu)和任何特殊的工作物質(zhì)，必須使所進行的討論不僅適合于蒸汽機，而且可以應用于一切可以想象的熱機，不管它們用的什么物質(zhì)，也不管它們?nèi)绾蝿幼鳌?。在此思想的指導下，提出了一個十分重要的循環(huán)-卡諾循環(huán)。,.,1.卡諾循環(huán)及其特點：,卡諾正循環(huán)或卡諾逆循環(huán)與兩個恒溫熱源交換能量（兩個等溫過程）2）不與其它熱源交換能量（兩個絕熱過程）,如何在P-V圖中表示？,卡諾循環(huán)：工質(zhì)只與兩個恒溫熱源交換能量的循環(huán)過程。,.,卡諾循環(huán)過程：,正循環(huán),逆循環(huán),.,2.理想氣體的卡諾循環(huán),1)卡諾正循環(huán)的效率,等溫過程：,絕熱過程：,.,一般地，對于一個由個分過程構(gòu)成的循環(huán)有：,注意：,.,等溫過程：,2)逆循環(huán)致冷系數(shù),.,注意：,.,.,練習1:,20-16,.,解：1-2:,.,等溫壓縮,3-1:,.,練習2.,解：,.,(2)效率,.,(3)與A內(nèi)能相同的點必與A在同一條等溫線上，而過A的等溫線必然與CD相交。設(shè)交點為F，則,所以，與A內(nèi)能相同F(xiàn)點的狀態(tài)為：,.,.,.,三、熱力學第二定律,是否不違反熱力學第一定律的過程就一定能發(fā)生？,1.自然現(xiàn)象的不可逆性,（1）可逆過程和不可逆過程,定義：,設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷,過程,.,自然界中存在大量不可逆過程：例如生物的生長發(fā)育過程、日月星辰的運行過程、化學反應過程等。,大量實驗事實說明：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的。,.,2.熱力學第二定律的兩種典型表述及其等效性,從熱機角度（熱功轉(zhuǎn)換角度）說明能量轉(zhuǎn)換的方向和限度。,*不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。,*單熱源熱機是不可能制成的。,*,1.開爾文表述(K),.,注意理解：,.,熱力學第二定律并不意味著熱不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?.,熱力學第二定律指出了熱功轉(zhuǎn)換的方向性,熱力學第二定律與能源危機,.,從致冷機角度（熱傳導角度）說明能量轉(zhuǎn)換的方向和限度。,*熱量不能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。,2.克勞修斯表述(C),.,注意理解:,.,3.兩種表述的等效性,用反證法證明后兩項,可以證明，熱力學第二定律的兩種表述是完全等效的。,.,假設(shè)K表述不成立。則存在單熱源熱機，可以將熱量完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它影響。建立如圖聯(lián)合循環(huán)，,.,假設(shè)C不成立。則存在A=0的致冷機，可以將熱量從低溫熱源傳向高溫熱源而不引起其它影響。建立如圖聯(lián)合循環(huán),總效果：,.,.,二.熱力學第二定律的實質(zhì),從可逆、不可逆過程的角度看熱力學第二定律,溶解、擴散、