大物 熱力學精品課件

1、大物 熱力學第1頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二（一）理解內(nèi)能E、熱量Q、摩爾熱容量C以 及可逆過程、不可逆過程、熵等概念?；疽螅海ǘ┱莆諢崃W第一定律，并能熟練地分 析、計算理想氣體三個等值過程和絕 熱過程中的功、熱量及內(nèi)能增量 。第2頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二（三）理解正循環(huán)、逆循環(huán)的特點，掌握熱 機效率的計算方法，并了解致冷機的 制冷系數(shù)。（四）理解熱力學第二定律的兩種敘述方法、 熱力學過程的方向性、熵和熵增加原理。 第3頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二7-1 熱力學第一定律3. 系統(tǒng)和外界間可以有相互作

2、用： a)交換能量 作功、傳熱。 b)交換質(zhì)量。2. 外界(環(huán)境，周圍): 除系統(tǒng)之外的稱外界。 1. 熱力學系統(tǒng) (工作物質(zhì)): 熱力學中所研究 的對象 (由大量粒子組成的宏觀客體）。 一.系統(tǒng)和外界 第4頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二4. 熱力學系統(tǒng)的分類: c)開放系統(tǒng)-和外界既有能量交換 又有質(zhì)量交換。b)封閉系統(tǒng)-和外界僅有能量交換， 無質(zhì)量交換。a)孤立系統(tǒng)-和外界無相互作用。第5頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二1. 狀態(tài)：系統(tǒng)在某一時刻所處的運動狀態(tài)。 分平衡態(tài)和非平衡態(tài)。 二. 狀態(tài)和過程 2. 過程：從一狀態(tài)到另一個狀態(tài)的中間

3、過程。 分為平衡態(tài)過程（準靜態(tài)過程）和 非平衡態(tài)過程（非準靜態(tài)過程） 。第6頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二3. p-v 圖 a)p-v 圖上任一點為一平衡態(tài)(P,V,T確定） b)p-v 圖上任一曲線為一平衡過程 c)注意p-T圖和T-v圖。P1P2第7頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二三.系統(tǒng)和外界的第一類相互作用功1. 氣體作功公式 如圖所示汽缸中氣體膨脹作功 SdlF元功功第8頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二2. 功的特性 a)功的正負 dV0 氣體膨脹, dA0 氣體（對外）作正功 dV0 氣體壓縮, dA0 V1

4、 V2 P V第10頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二c)功是過程量，和過程有關(guān)。圖中 0, 放熱 Q0, 外界作功 A0, 內(nèi)能減少 0 對外作功,則 T2 T1 溫度下降,實質(zhì):對外作功,內(nèi)能減少. 二.絕熱過程中的功和內(nèi)能變化 第29頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二三. 絕熱過程方程 1. 泊松方程的推導(練習) - 泊松方程第30頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二泊松方程的推導第31頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二2 由泊松方程求功:A第32頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期

5、二3. 絕熱過程的圖示 p-v圖上絕熱線比等溫線陡VT=Const.P絕熱 原因: 絕熱過程 體積增大（對外作功）時,溫度下降。第33頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二物理意義：等溫時，壓強僅隨體積變化而變 絕熱時，壓強變化不僅隨體積變 化，還隨溫度變化。斜率（的絕對值）大可證明:P=nkT第34頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二四.（真空）絕熱自由膨脹Q=0 A=0E=0溫度T不變 T=0第35頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二理想氣體各等值過程和絕熱過程 有關(guān)公式對照表：第36頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分

6、，星期二過程特征方程EQA等容v一定P/T=C Cv(T2-T1)Cv(T2-T1)0等壓P一定v/T=C Cv(T2-T1) Cp(T2-T1)P(V2-V1)等溫T一定PV=C0RTln(V2/V1) RTln(V2/V1)絕熱dQ=0PV=C Cv(T2-T1)0- Cv(T2-T1)第37頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二7-4. 循環(huán)過程 卡諾循環(huán) 一. 循環(huán)過程 (cycle process)1. 定義: 系統(tǒng)經(jīng)歷一系列的變化過程，又回到原來的初始狀態(tài)，這樣的一個周而復始的過程. 實例: 汽缸F第38頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二2.

7、 特征: a)循環(huán)一周,內(nèi)能不變。 b)PV圖上為一閉合曲線,其包圍面積為凈功。 正循環(huán) 逆循環(huán)PV3. 分類： 順時針-正循環(huán)：熱機 逆時針-逆循環(huán)：致冷機第39頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二二. 熱機1. 熱機(heat engine)-通過循環(huán)過程，連續(xù)不斷地把熱量轉(zhuǎn)換成功的裝置。（工作物質(zhì)作正循環(huán)）第40頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二蒸 汽 機 第41頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二2. 熱機效率(efficiency of heat engine) 高溫熱源低溫熱源Q1 A Q2 Q1-吸收的熱量Q2 -放出

8、的熱量（絕對值）a) 公式 :第42頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二b)物理意義: 吸收的熱量轉(zhuǎn)化為功的比例。亦即：循環(huán)效率。 第43頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 熱機發(fā)展簡介 1698年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機 ，當時蒸汽機的效率極低 . 1765年瓦特進行了重大改進 ，大大提高了效率 . 人們一直在為提高熱機的效率而努力， 從理論上研究熱機效率問題， 一方面指明了提高效率的方向， 另一方面也推動了熱學理論的發(fā)展 .幾種熱機的效率液體燃料火箭柴油機汽油機蒸汽機第44頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二例1

9、：1mol雙原子分子理想氣體的初態(tài)A的溫度T0，它經(jīng)歷圖示的循環(huán)，求循環(huán)過程中:（1）氣體對外做的凈功； （2）傳遞的凈熱量；（3）氣體從外界吸收的熱量；（4）循環(huán)的效率。V03V0p03p0ACBDVp解：（2）Q凈吸熱=A=4RT0（1）A=SABCD=2P02V0 =4RT0（3）Q吸=QAB+QBC =CvTAB+ CpTBC 第45頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二V03V0p03p0ACBDVp（4）=5/2R（3T0-T0）+7/2R（9T0-3T0）=26RT0 （3）Q吸=QAB+QBC =CvTAB+ CpTBC 第46頁，共80頁，2022年，5月2

10、0日，15點3分，星期二例2：雙原子剛性理想氣體，作如圖所示的循環(huán)，A-B-C-A，BC是等溫過程，求（1）各過程中吸收的熱量。（2）循環(huán)一周，氣體作的功。（3）循環(huán)效率。解：TB =TC =2TAAp0V02V02p0BCVpQAB= CvTAB = (5/2)R（2TA-TA) = ( 5/2)RTA=5/2P0V0 吸熱QBC= RTBln(vc/vB)=2RTAln2 = 2ln2 P0V0 吸熱QCA =CpTCA= (7/2)R（TA-2TA) = -( 7/2)RTA =-7/2 P0V0 放熱(1)第47頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二V02V0p02p

11、0ABCVp(2) A=Q凈吸 =QAB+QBC +QCA = (5/2+2ln2-7/2) P0V0 (3)第48頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二三. 致冷機1. 致冷機：通過外界對工作物質(zhì)做功，把低溫物體的熱量傳遞給高溫物體的裝置。（工作物質(zhì)作逆循環(huán)） “熱 泵”第49頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二冰箱循環(huán)示意圖第50頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二2. 致冷系數(shù)：高溫熱源低溫熱源Q1 A Q2 Q2-吸收的熱量Q1 -放出的熱量（絕對值）A -外界作功（絕對值）第51頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分

12、，星期二物理意義:做功的目的和效率第52頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二四. 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)(Carnot cycle) -由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成.abdcT1T2PV1.卡諾熱機-卡諾正循環(huán)第53頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二（1） 具體過程分析 a). a b 等溫膨脹. -吸熱,對外作功. b). c d 等溫壓縮. -放熱,外界作功. abdcT1T2PV第54頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二c). b c 絕熱膨脹. -溫度下降d). d a 絕熱壓縮 - 溫度升高 abdcT1T2PV第55頁，共

13、80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二（2）卡諾熱機的效率第56頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二2.卡諾致冷機-卡諾負循環(huán)abdcT1T2PV卡諾致冷機的致冷系數(shù)：第57頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二7-5. 熱力學第二定律一.問題的引出1.能否制成一種熱機，從單一熱源吸熱完全用來作功 ？2.能否制成一種致冷機，不需外界作功，能使熱量從低溫物體傳到高溫物體？ 自然界中并不是所有符合熱力學第一定律的過程都能發(fā)生。第58頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二二.熱力學第二定律(second law of thermod

14、ynamics)1. 開爾文(Kelvin)表述：不可能實現(xiàn)從單一熱源吸熱全部用于對外做功,而不產(chǎn)生任何其它影響的循環(huán)過程。第59頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二a) 從單一熱源吸熱全部用于對外做功是可能的，但要完成一個循環(huán),則會引起其它影響。b) 從卡諾循環(huán)可見，要使工作物質(zhì)恢復原態(tài),總要釋放一部分熱量給冷源。c).另一種敘述：第二類永動機造不成 第二類永動熱機 -效率等于100 的熱機% 說明：第60頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二2. 克勞修斯(Clausius)表述: 熱量不能自動地從低溫熱源傳到高溫熱源,而不產(chǎn)生其它影響. a) 熱量從

15、低溫熱源傳到高溫熱源是可能的， 但外界要做功。 b) 排除了第二類永動制冷機的可能。說明：第61頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二3. 兩類表述的等價性a) 違背開耳文說法,同時違背克勞修斯說法。b) 違背克勞修斯說法,則同時違背開爾文說法。第62頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二1. 一般熱力學系統(tǒng)中宏觀過程的不可逆性 開耳文表述說明了：功變熱過程不可逆 克勞修斯表述說明了：熱傳遞過程的不可逆2. 孤立系統(tǒng)中宏觀自發(fā)過程的單向性。三. 熱力學第二定律的實質(zhì)第63頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二7-6可逆過程和不可逆過程卡諾定

16、理一.定義 1.可逆過程：系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，如果逆過程能重復正過程的每一狀態(tài)，且不引起其他變化。 2.不可逆過程：無論我們用何種手段，系統(tǒng)不能恢復原狀態(tài); 或能恢復原狀態(tài),但要引起周圍發(fā)生變化.第64頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二三.自然界中一切宏觀過程都是不可逆的 可逆過程是一種理想的近似。二.可逆過程的條件 （1）過程無限緩慢，屬準靜態(tài)（平衡態(tài)）過程。 （2）無能量耗散效應。 準靜態(tài)（平衡態(tài)）過程是可逆過程的必要條件。第65頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二四.卡諾定理(Carnot theorem) 卡諾 （N.Carnot) 1796-

17、1832 法國物理學家，大學畢業(yè)以后入梅斯工兵學校深造，擔任了少尉軍事工程師，退役后研究熱機。1824年發(fā)表關(guān)于熱機的理論分析論文，即以他的命名“卡諾循環(huán)”及“卡諾定理”，36歲因霍亂早逝。死后他的論文才被開爾文發(fā)現(xiàn)，是建立熱力學第二定律的先驅(qū)。第66頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二四.卡諾定理(Carnot theorem)1. 定理: a) 在相同高溫熱源T1和相同低溫熱源T2間工作的一切 可逆機，不論工作物質(zhì)如何，效率都相同：第67頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 b) 在相同高溫熱源T1和相同低溫熱源T2間工作的一切不可逆機的效率：2.卡

18、諾定理指出了提高熱機效率的途徑。第68頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二7-7 熵 熱力學第二定律的統(tǒng)計意義一. 熵(entropy)(1) 概念: 一個狀態(tài)函數(shù)-S ，用其變化（S）描述熱力學過程進行的方向。(2) 熵增加原理：在孤立系統(tǒng)中發(fā)生任何不可逆過程，其熵增加。只有可逆過程熵才保持不變。第69頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 封閉系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的一切過程，總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進行，由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進行。二. 熱力學第二定律的統(tǒng)計意義一切自發(fā)過程總是朝著熵增加的方向進行。第70頁，共80頁

19、，2022年，5月20日，15點3分，星期二1. 自由度為i的理想氣體，在等壓過程中吸熱Q，對外作功A，內(nèi)能增加 E，則A/Q= E /Q=解:練 習第71頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二2.下列四個假想的循環(huán)過程，哪個可行？PPPVVV等溫絕熱絕熱絕熱絕熱絕熱等溫PV絕熱等溫ACBD答案：B第72頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二3.如圖為一定質(zhì)量的單原子理想氣體的循環(huán)過程圖，由兩個等壓和兩個絕熱過程組成.已知P1、P2 求循環(huán)的效率.解:Padcp2p1Vb第73頁，共80頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二Padcp2p1Vb第74頁，共80頁，2022年，5月20日，15