物理學PPT課件-熱力學基礎

1、物理學第四章 熱力學基礎熱力學：研究物質熱現象的宏觀理論化學反應能否進行取決于熱力學第一定律和第二定律應用：化學反應、中藥四性2.準靜態(tài)：無限接近平衡態(tài)的狀態(tài)一. 熱力學系統(tǒng)準靜態(tài)過程非靜態(tài)過程所有中間狀態(tài)均為準靜態(tài)的過程經歷一系列非平衡態(tài)的過程第一節(jié) 熱力學的一些基本概念3.過程的種類二. 平衡態(tài)三. 準靜態(tài)平衡過程1.過程：系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化 (初態(tài)末態(tài))VpABC4.補充：狀態(tài)圖為了形象地描寫系統(tǒng)的狀態(tài)和過程，引入狀態(tài)圖，常見的是PV圖?？梢姕熟o態(tài)過程較容易處理，后面所提到的過程均指準靜態(tài)過程。平衡態(tài)點準靜態(tài)過程曲線1. 功dA =fdl（體積功）dl=pdV= pSdl系統(tǒng)壓縮： dV

2、0， dA 0 系統(tǒng)膨脹： dV0 ， dA 0 系統(tǒng)對環(huán)境做功環(huán)境對系統(tǒng)做功一. 功、熱量和內能Sp第二節(jié) 熱力學第一定律體積功等于過程曲線所圍的曲邊梯形面積pV12OV1V2ab狀態(tài)參量 (函數)：由狀態(tài) (點) 決定過程量：由過程 (曲線) 決定熱力學量功是過程量2. 熱量熱量是過程量熱量：傳熱過程中所傳遞的能量熱量：熱運動傳遞的能量（不規(guī)則運動）功： 機械運動傳遞的能量（規(guī)則運動）系統(tǒng)吸熱，Q為正值系統(tǒng)放熱，Q為負值規(guī)定12ba粗糙光滑斜面大量實驗表明：（Q A）與過程無關，只決定于系統(tǒng)的初態(tài)和末態(tài)。過程bQb、Ab狀態(tài)1狀態(tài)2過程aQa、Aa3. 內能定義（ Q - A）為內能增量：

3、DE = E2 - E1 = Q - A內能：狀態(tài)量熱量：過程量功：過程量選定零點后，由DE即可確定狀態(tài)的內能E。內能是狀態(tài)量二. 熱力學第一定律 1842年，德國醫(yī)生Mayer提出熱力學第一定律或 Q = DE ADE =Q A本質：能量轉換及守恒定律A：向外為正，向內為負Q：向內為正，向外為負符號DE：增加為正，減少為負DE =Q A總能=熱能+機械能為什么是減號?AQ對環(huán)境對系統(tǒng)吸熱放熱（T1初態(tài)溫度，T2末態(tài)溫度）摩爾熱容C：單位摩爾的物質溫度改變1K時，所吸收或放出的熱量一. 等容過程VpA=0求理想氣體的Q、A、DE過程量CV定容摩爾熱容Q=cm(T2-T1)dA=pdV=0第三節(jié)

4、 熱力學第一定律的應用比較：由DE =QA有：分子自由度越大，定容摩爾熱容越大注意僅等容過程成立(過程量)所有過程成立(狀態(tài)量)二. 等壓過程A=p(V2-V1)由 DE = Q A 有：VpV1V2Cp定壓摩爾熱容比較：Mayer公式可見CpCV，通過等壓過程吸熱以使系統(tǒng)升溫，除要改變內能，還要做功。摩爾熱容比：1可有：等壓：Q=DE+A等容：Q=DE三.等溫過程Vpp1p2V2V1pV =恒量，故等溫線為雙曲線DE =0由由DE =QA有：等溫過程所傳遞的熱量與溫度成正比，與末初態(tài)體積比的對數成正比四. 絕熱過程定義：系統(tǒng)和環(huán)境無熱量交換的過程Q=0絕熱壓縮： A0， DE0 ，T（升溫）

5、由 DE = QA ，有：1.絕熱過程絕熱膨脹： A0， DE0 ，T （降溫）A =DERCV消去dT，得：泊松公式兩邊除以pVCV兩邊求微分2.絕熱方程VpV=CpV=Cp=CdA =dE由有：由有：絕熱?(常數)熱容比3.絕熱線Vp等溫線絕熱線(g1)絕熱線比等溫線陡(相當于g=1)例4-1.溫度為200K，壓強為105Pa的氮氣，經絕熱壓縮使其體積變?yōu)樵瓉淼?0%，求壓縮后的壓強和溫度解:氮氣是雙原子分子,i=5,第四節(jié) 卡諾循環(huán) 熱機效率一. 循環(huán)過程1. 循環(huán)（循環(huán)過程）系統(tǒng)經歷一系列變化又回到初態(tài)的過程在pV圖中對應閉合曲線2 .準靜態(tài)循環(huán) p VOab12 p VOAabcd3

6、. 循環(huán)的種類逆循環(huán)：pV圖中為逆時針正循環(huán)：pV圖中為順時針熱機正循環(huán)逆循環(huán)正循環(huán)：A=Aabc-|Acda|逆循環(huán)：A=Aadc-|Acba|0狀態(tài)復原，內能不變系統(tǒng)吸熱為Q1，放熱為Q2，則凈熱Q為：系統(tǒng)在正循環(huán)過程將吸收的熱量Q1中的一部分轉化為凈功A，另一部分Q2放回給環(huán)境。Q=AQ1=A+|Q2|Q= Q1- |Q2|凈熱A= Q1- |Q2|凈功4.循環(huán)的特點DE0對于整個過程有：二.熱機效率物理意義：熱機對熱量的利用程度h越大，熱轉功的過程越有效，性能越高熱機 ：持續(xù)地將熱量轉變?yōu)楣Φ臋C器效率低溫熱源高溫熱源T1T2DC1.卡諾熱機卡諾循環(huán)：四個過程組成等溫膨脹、卡諾熱機：做卡

7、諾循環(huán)的熱機絕熱壓縮等溫壓縮、絕熱膨脹、Vp正循環(huán)AB氣缸理想氣體Q1Q2A= A1+ A 2+A3 +A4三. 卡諾循環(huán) 卡諾熱機效率為研究h,法國工程師卡諾提出卡諾循環(huán)AB等溫膨脹（DE=0）BC絕熱膨脹（Q=0）CD等溫壓縮（DE=0）DA絕熱壓縮（Q=0）吸熱絕熱放熱絕熱(p2,V2,T1)(p1,V1,T1)(p4,V4,T2)(p3,V3,T2)DCVpAB2.卡諾熱機的效率由絕熱方程(p2,V2,T1)(p1,V1,T1)(p4,V4,T2)(p3,V3,T2)DCVpABBC:DA:3.說明：完成一次卡諾循環(huán)必須有高溫和低溫熱源卡諾循環(huán)的效率只與兩個熱源溫度有關卡諾循環(huán)效率總是

8、小于1，即不能完全轉化 1目前條件下，最優(yōu)熱機的效率僅能達到60%。在石油危機中，如何提高效率是一個重大課題卡諾熱機效率對食物的吸收僅適用于卡諾循環(huán)用,而【例4-B 】: 設1mol理想氣體經歷a(p1 , V1) b(2p1 , V1) c(2p1 , 2V1) d(p1 , 2V1) a(p1 , V1) 的循環(huán)，定容摩爾熱容為 CV , 求熱機效率。故ab、bc升溫吸熱，cd、da降溫放熱VV1Opab2V1p12p1cd解：A=p1V1由狀態(tài)方程：Tb=2Ta，Tc=4Ta，Td=2Ta=RTa對于氦氣：i=3吸吸放放一. 熱力學第二定律高溫低溫冰箱致冷，熱量由低溫傳到高溫，但消耗了外

9、界的能量。回不到原態(tài)。氣體等溫膨脹，熱完全轉為功（DE=0、Q=A），但改變了系統(tǒng)的體積。回不到原態(tài)。不可能不產生其它影響功熱(單一)不可能不產生其它影響1.開爾文表述：2.克勞修斯表述：第二定律反映了能量轉化的方向性第五節(jié) 熱力學第二定律第一定律反映了過程中能量轉化的大小第二定律反映了過程中能量轉化的方向功熱100%高溫低溫自動摩擦生熱 數量守恒品質降低不能做功的能量是無用的，低品質的可以證明：開爾文表述與克勞修斯表述等價低品質的能量即熱能越來越多熱能機械能t1熱能機械能t2熱能機械能t3（有序無序）二.可逆過程與不可逆過程末態(tài)初態(tài)系統(tǒng)和外界恢復 1.可逆過程:如：理想的無摩擦準靜態(tài)過程是可

10、逆過程熱功轉換是不可逆的熱傳遞是不可逆的末態(tài)初態(tài)系統(tǒng)和外界不能恢復 2.不可逆過程:根據熱力學第二定律：自然界所有的實際過程都是不可逆過程 所有與熱現象有關的宏觀過程都是不可逆過程 生命在于熱運動 物質由分子構成，分子總在做熱運動 與可逆反應不同 在相同高溫熱源和低溫熱源間工作的一切可逆機效率相等，與工作循環(huán)和工作物質無關。在相同高溫熱源和低溫熱源間工作的一切不可逆機，其效率不大于可逆機。由熱力學第二定律可以證明以下結論：可逆循環(huán)取等號;不可逆循環(huán)取小于號三. 卡諾定理1.可逆卡諾循環(huán) 熱溫比： 即系統(tǒng)從每個熱源吸收的熱量與相應熱源的溫度的比值2.任意可逆循環(huán) （熵的微分等于可逆微過程的熱溫比

11、）類比閉合路徑積分A = 0存在勢能Ep閉合循環(huán)積分 = 0存在狀態(tài)量S第六節(jié) 熵 熵增加原理熱力學第一定律：DE=QA（吸熱正，外功正）二.基本定律熱力學第二定律小 結一.基本概念準靜態(tài)過程、可逆過程熱機效率卡諾循環(huán)絕熱方程三.應用特征名稱等溫過程等容過程等壓過程絕熱過程T=恒量V=恒量p=恒量Q=0DEAQ摩爾熱容0005.5 熵1.可逆卡諾循環(huán) 一、熵的定義熱溫比： 熱溫比：系統(tǒng)從每個熱源吸收的熱量與相應熱源的溫度的比值。上式說明，對于可逆卡諾循環(huán)，熱溫比的代數和等于零。熵這節(jié)只要求理解概念，不要求掌握計算 2.任意可逆循環(huán)任意可逆循環(huán)可等效為一系列微小可逆卡諾循環(huán)的組合。（相鄰的絕熱線方向相反可抵銷）對第 i 個微小可逆卡諾循環(huán)有 對整個循環(huán)有 可逆過程的熱溫比的積分只取決于初態(tài)、末態(tài)，與具體過程無關，是狀態(tài)量（狀態(tài)函數）!類似于勢能類似于內能（Q-A） 熵：熱溫比沿可逆過程的積分，是狀態(tài)函數3.熵12（可逆過程）4.一般過程 （包括可逆和