[理學]4熱力學第1定律ppt課件

1、第四章第四章熱力學第一定律熱力學第一定律4.1 準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程4.2 功、內(nèi)能、熱量功、內(nèi)能、熱量4.3 熱力學第一定律熱力學第一定律4.4 焓、熱容焓、熱容4.5氣體的內(nèi)能氣體的內(nèi)能4.6熱力學第一定律對理想氣體的運用熱力學第一定律對理想氣體的運用4.7 熱機、循環(huán)過程和卡諾循環(huán)熱機、循環(huán)過程和卡諾循環(huán)準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程非靜態(tài)過程非靜態(tài)過程闡明：闡明： 過程中系統(tǒng)與外部隨時處于熱力學平衡。過程中系統(tǒng)與外部隨時處于熱力學平衡。 理想過程。理想過程。 實踐過程發(fā)生的足夠緩慢時，可看作準實踐過程發(fā)生的足夠緩慢時，可看作準靜態(tài)過程。靜態(tài)過程。判別規(guī)范：弛豫時間判別規(guī)范：弛豫時間系統(tǒng)變化特征時

2、間系統(tǒng)變化特征時間(PB,VB,TB)(PA,VA,TA)PVO準靜態(tài)過程的表示準靜態(tài)過程的表示準靜態(tài)過程可在形狀準靜態(tài)過程可在形狀圖上用一條曲線表示，圖上用一條曲線表示，曲線的方程稱為過程曲線的方程稱為過程方程。方程。非靜態(tài)過程？非靜態(tài)過程？1. 準靜態(tài)過程中的功準靜態(tài)過程中的功在準靜態(tài)過程中，當沒有摩擦和其他損耗在準靜態(tài)過程中，當沒有摩擦和其他損耗時，系統(tǒng)做功可用系統(tǒng)形狀參量表示。時，系統(tǒng)做功可用系統(tǒng)形狀參量表示。體積功體積功dWPSdlPdVdl規(guī)定：系統(tǒng)對外做功為正。規(guī)定：系統(tǒng)對外做功為正。WdBAVVWPdV系統(tǒng)所作的體積系統(tǒng)所作的體積功在數(shù)值上等于功在數(shù)值上等于P-VP-V圖上過程

3、曲線圖上過程曲線以下的面積。以下的面積。(PB,VB,TB)(PA,VA,TA)PVOVAVB3.3.其他方式的功其他方式的功外表張力功外表張力功dWdS 可逆電池功可逆電池功dWdZ 固體桿拉伸功固體桿拉伸功dWfdL 介質(zhì)極化功介質(zhì)極化功dWVEdP 廣義功廣義功d112233WYdyY dyY dyYi廣義力，廣義力，yi廣義坐標。廣義坐標。4.系統(tǒng)做功的效果系統(tǒng)做功的效果與外界發(fā)生了能量交換；與外界發(fā)生了能量交換；系統(tǒng)形狀發(fā)生變化。系統(tǒng)形狀發(fā)生變化。二、熱量二、熱量1.熱質(zhì)說熱質(zhì)說焦耳實驗焦耳實驗 1840-18792.熱功當量熱功當量絕熱過程絕熱過程焦耳實驗焦耳實驗 的兩個結論：的兩

4、個結論：3.熱量熱量闡明：闡明：功和熱量都是過程量。單位：焦耳功和熱量都是過程量。單位：焦耳 J。功和熱量是兩種本質(zhì)不同的能量轉(zhuǎn)移方式。功和熱量是兩種本質(zhì)不同的能量轉(zhuǎn)移方式。4.熱量的計算熱量的計算 熱容熱容0limTQdCT QdTVdC VQdTpdC pQdTfiTnnTQC dT5.系統(tǒng)傳熱的效果系統(tǒng)傳熱的效果與外界發(fā)生了能量交換；與外界發(fā)生了能量交換；系統(tǒng)形狀發(fā)生變化。系統(tǒng)形狀發(fā)生變化。1.內(nèi)能的微觀解釋內(nèi)能的微觀解釋內(nèi)能：物體中全部粒子的總能量。內(nèi)能：物體中全部粒子的總能量。動能、勢能、化學能、電離能、核能動能、勢能、化學能、電離能、核能kpUUU普通熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能為普通熱力學系

5、統(tǒng)的內(nèi)能為 kkUUT ppUUV,UU T V焦耳實驗結論焦耳實驗結論1只需系統(tǒng)的初終態(tài)一定，以各種不同方只需系統(tǒng)的初終態(tài)一定，以各種不同方式完成的絕熱過程中，絕熱功數(shù)值相等。式完成的絕熱過程中，絕熱功數(shù)值相等。2.內(nèi)能函數(shù)的宏觀解釋內(nèi)能函數(shù)的宏觀解釋絕熱功與過程無關，只與初絕熱功與過程無關，只與初終態(tài)有關。終態(tài)有關。故可以引入形狀函數(shù)故可以引入形狀函數(shù)U，使得其在兩個形狀，使得其在兩個形狀間的增量等于外界對系統(tǒng)所作的絕熱功間的增量等于外界對系統(tǒng)所作的絕熱功21sUUW 闡明：闡明：能量守恒定律在涉及熱景象的宏觀過程的詳細能量守恒定律在涉及熱景象的宏觀過程的詳細表現(xiàn)。表現(xiàn)。UQWQUW 熱力

6、學第一定律微分式：熱力學第一定律微分式：dQdUdW符號規(guī)定：符號規(guī)定：1系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)吸收熱量Q為正，系統(tǒng)放熱為正，系統(tǒng)放熱Q為負。為負。2系統(tǒng)對外作功系統(tǒng)對外作功W為正，外界對系統(tǒng)作功為正，外界對系統(tǒng)作功W為負。為負。3系統(tǒng)內(nèi)能添加系統(tǒng)內(nèi)能添加U為正，系統(tǒng)內(nèi)能減少為正，系統(tǒng)內(nèi)能減少U為負。為負。dQdUdWdE21pQUUW2121VVWpdVpVpV 2211pQUpVUpVHUpV21pQHH二、熱容與比熱二、熱容與比熱CMc0limTQCT 0limVTVVQUCTT 0limpTppQHCTT ppQC dTVVQC dTpVCC例：例：1atm，100時，單位質(zhì)量水與飽和水時，

7、單位質(zhì)量水與飽和水蒸氣的焓值分別為蒸氣的焓值分別為419.06x103J/kg和和2676.3x103J/kg，計算此條件下的水的汽化，計算此條件下的水的汽化熱。熱。0UQWVTUUTTUVV UU TVVUdUCTdTVdUC dT00,TV mTUUCdT HU TPVU TvRTppHdHCTdTpdHC dT00,Tp mTHHCdTpVd pVdHdUCCRdTdTdT,p mV mCCR,p mV mCC,1p mRC,1V mRC一、等容過程一、等容過程PVVoTVVoPTVQUW ,21()VV mQCTT,21()V mUCTT0W二、等壓過程二、等壓過程PVPTTVpQUW

8、 ,m21()ppQCTT,21()V mUCTT221211WpdVp VVR TT三、等溫過程三、等溫過程TVV1V2PVPTTQUW 2112lnlnTVPQRTRTVP0U221112lnlnVPWpdVRTRTVP根據(jù)熱力學第一定律根據(jù)熱力學第一定律: :d0Q dUd0W ,V mdUCdTdWpdV(無耗散準靜態(tài)過程),V mPdVCdT 由理想氣體的形狀由理想氣體的形狀方程：方程：PVRT兩邊微分：兩邊微分：PdVVdPRdT,V mPdVdTCPdVVdPdTR,()V mV mCR PdVCVdP ,0V mp mCVdPCPdV,p mV mCC0VdVPdP兩邊積分：兩

9、邊積分：CVPlnlnCPVln1PVCPVRTQ消去消去P：12TVC13PTC消去消去V：V1V2PV,211 1221()1V mWCTTpVp V ,21()V mUCTT0Q QUW pc/pconstpp280/cm s/pconstpp331/cm s1.4pVConstpdpdVV dVAdy2dFAdpdypAV 22mVTpA1pTConstdpgdz /pRTdpgdzpRT 1dTdpTp1dTgdzTRT 1dTgdzTRT 0,1p mgTTgzzRC10K/kmdTdznpVconst1221ln/ln/ppnVV,21,21()()1nV mn mRQCTTCT

10、Tn,21()V mUCTT1 12212-11pV p VRWTTnn,11n mV mV mRnCCCnn例：例：1mol的某理想氣體，在等壓下由溫度的某理想氣體，在等壓下由溫度T1變?yōu)樽優(yōu)門2，那么其內(nèi)能增量，那么其內(nèi)能增量 U為：為：kTiDTTkiCTTCBTTCAvp22121212.);(.);(.);(.例：例：1mol的單原子分子理想氣體從形狀的單原子分子理想氣體從形狀A變?yōu)樾螤钭優(yōu)樾螤頑，假設不知是什么氣體，變化過程也不知道，但，假設不知是什么氣體，變化過程也不知道，但A、B兩態(tài)的壓強、體積和溫度都知道，那么可求兩態(tài)的壓強、體積和溫度都知道，那么可求出：出： A.氣體所作的

11、功；氣體所作的功； B.氣體內(nèi)能的變化；氣體內(nèi)能的變化； C.氣體傳給外界的熱量；氣體傳給外界的熱量； D.氣體的質(zhì)量。氣體的質(zhì)量。 例：一定量的理想氣體，由形狀例：一定量的理想氣體，由形狀a經(jīng)經(jīng)b到達到達c。圖中。圖中abc為不斷線，求此過程中：為不斷線，求此過程中：1氣體對外作的功；氣體對外作的功；2氣體內(nèi)能的增量；氣體內(nèi)能的增量； 3氣體吸收的熱量。氣體吸收的熱量。P(atm)V(L)0321321cba解：解：JW2 .40510210013. 1)31 (2135caccaaTTVPVP0UQUW J2 .405pVIKJAB0IQIUA JJQUA JIAA 0KKQUA KIAA

12、 0例例:一定量的理想氣體由一定量的理想氣體由A形狀出發(fā)，閱歷不同過形狀出發(fā)，閱歷不同過程，其中程，其中AC為等溫過程，為等溫過程，AE為絕熱過程，那么：為絕熱過程，那么：解：解：1哪一過程吸熱最多？哪一過程吸熱最多？2哪一過程吸熱而降溫？哪一過程吸熱而降溫？3哪一過程放熱？哪一過程放熱？21VVQUpdV 1QAB過程吸熱最多過程吸熱最多.2 QAD過程吸熱而降溫過程吸熱而降溫.3 QAF過程放熱過程放熱.DPVV1V2ABCEF循環(huán)特征：循環(huán)特征：0UQW凈吸熱量凈功PVBAbaPBVBPAVA循環(huán)過程中，系統(tǒng)所作的凈功在數(shù)值上等于循環(huán)過程中，系統(tǒng)所作的凈功在數(shù)值上等于P-V圖上循環(huán)曲線所

13、包圍的面積。圖上循環(huán)曲線所包圍的面積。循環(huán)過程的分類：循環(huán)過程的分類：正循環(huán)：在正循環(huán)：在P-VP-V圖上循環(huán)過程按順時針進展圖上循環(huán)過程按順時針進展逆循環(huán)：在逆循環(huán)：在P-VP-V圖上循環(huán)過程按逆時針進展圖上循環(huán)過程按逆時針進展熱機：任務物質(zhì)作正循環(huán)的機器熱機：任務物質(zhì)作正循環(huán)的機器致冷機：任務物質(zhì)作逆循環(huán)的機器致冷機：任務物質(zhì)作逆循環(huán)的機器熱機與制冷機：熱機與制冷機：熱機效率：在一次循環(huán)過程中，任務物質(zhì)對熱機效率：在一次循環(huán)過程中，任務物質(zhì)對外作的凈功與它從高溫熱源吸收的熱量之比。外作的凈功與它從高溫熱源吸收的熱量之比。12QQW2111QWQQ 致冷過程：外界作功致冷過程：外界作功W，系

14、統(tǒng)從低溫熱源吸熱，系統(tǒng)從低溫熱源吸熱Q2，向高溫熱源放熱向高溫熱源放熱Q1。致冷系數(shù)：致冷系數(shù)：2212QQWQQ設：系統(tǒng)吸熱設：系統(tǒng)吸熱Q1Q1，系統(tǒng)放熱，系統(tǒng)放熱Q2(Q2(絕對值絕對值) :) :12QQW例題、例題、3.210 -2 kg氧氣作氧氣作ABCD循環(huán)過程。循環(huán)過程。AB和和C D都為等溫過程，設都為等溫過程，設T1=300K，T2=200K，V2 =2V1。求循環(huán)效率。求循環(huán)效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1VP解：解：211lnABABVQWRTV215()2BCBCQER TT 吸熱吸熱放熱放熱122lnCDCDVQWRTV125()2DADAQER TT 吸熱吸熱放熱放熱DABCT1=300KT2=200KV2V1VP)(25lnlnln211212121211TTVVTVVTVVTQQWWQWDAABCDAB15. 0)200300(5 . 22ln30021ln2002ln300%15 理想氣體準靜態(tài)卡諾循環(huán)由兩個等溫過理想氣體準靜態(tài)卡諾循環(huán)由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。程和兩個絕熱過程組成。V3V1VPDABCV2V4T1T2ABAB過程：過程：2111lnVQRTVCDCD過程：過程：( (絕對值絕對值) )3224lnVQRTVBCBC和和DADA過程：過程：0QV3V1