大學(xué)物理課件：熱力學(xué)基礎(chǔ)

熱力學(xué)基礎(chǔ)

8.1熱力學(xué)第一定律8.2理想氣體的定值過(guò)程8.3絕熱過(guò)程8.4循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)8.5熱力學(xué)第二定律卡諾

熱學(xué)的發(fā)展與當(dāng)年技術(shù)的進(jìn)步相輔相成，是熱力學(xué)與社會(huì)生產(chǎn)的關(guān)系的典型表現(xiàn)。熱力學(xué)規(guī)律運(yùn)用的范圍已超過(guò)物理學(xué)自身，其意義滲透到社會(huì)科學(xué)的領(lǐng)域。熱力學(xué)第一、第二定律及其典型的應(yīng)用構(gòu)成本章的主要內(nèi)容。

一.熱力學(xué)過(guò)程1.

熱力學(xué)過(guò)程

系統(tǒng)從某狀態(tài)開(kāi)始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達(dá)另一狀態(tài)的過(guò)程。2.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

在過(guò)程進(jìn)行的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都無(wú)限地接近平衡態(tài)。無(wú)限緩慢進(jìn)行的過(guò)程可按準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程處理,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是理想過(guò)程8.1熱力學(xué)第一定律二.功熱量?jī)?nèi)能1.功熱量

做功可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)摩擦升溫（機(jī)械功）電加熱（電功）功

焦耳實(shí)驗(yàn)絕熱壁P1FP2FxdxP0VP1V1P2V2系統(tǒng)作功活塞位移P1V1P2V2dV>0

?

A>0

系統(tǒng)作正功dV

<0

?

A<0

系統(tǒng)作負(fù)功

A氣體膨脹功熱量傳熱—改變系統(tǒng)狀態(tài)的另一種方法

條件：系統(tǒng)與外界的溫度不同絕熱壁恒溫?zé)嵩碩Q3.內(nèi)能系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的能量包括所有分子的動(dòng)能EK與分子間的勢(shì)能EP

內(nèi)能是狀態(tài)量，與過(guò)程無(wú)關(guān)三.熱力學(xué)第一定律

某一過(guò)程，系統(tǒng)從外界吸熱Q，對(duì)外界做功

A，系統(tǒng)內(nèi)能從初始態(tài)E1變?yōu)?/p>

E2，則由能量守恒：對(duì)微小過(guò)程：12E1E2注意：1.功、熱量為過(guò)程量，內(nèi)能為狀態(tài)量2.A、Q的正負(fù)號(hào)3.適用任何系統(tǒng)的任何過(guò)程永動(dòng)機(jī)不可能制成

歷史上有不少人希望設(shè)計(jì)一種機(jī)器，這種機(jī)器不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對(duì)外做功，這種機(jī)器被稱(chēng)為永動(dòng)機(jī)，又叫第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)。

熱力學(xué)第一定律是能量守恒和轉(zhuǎn)化定律在熱力學(xué)上的具體表現(xiàn)，它指明：熱是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種形式。這說(shuō)明外界傳給物質(zhì)系統(tǒng)的能量（熱量），等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加和系統(tǒng)對(duì)外所作功的總和。它否認(rèn)了能量的無(wú)中生有，所以不需要?jiǎng)恿腿剂暇湍茏龉Φ牡谝活?lèi)永動(dòng)機(jī)就成了天方夜譚式的設(shè)想。

圖為“魔輪”永動(dòng)機(jī)圖為伍斯特改進(jìn)的"魔輪"

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有解如圖，一絕熱密封容器，體積為V0，中間用隔板分成相等的兩部分。左邊盛有一定量的氧氣，壓強(qiáng)為p0，右邊一半為真空。

例1求把中間隔板抽去后，達(dá)到新平衡時(shí)氣體的壓強(qiáng)

絕熱過(guò)程自由膨脹過(guò)程因?yàn)槌?、末兩態(tài)是平衡態(tài)，所以有

一.等體過(guò)程等體過(guò)程V一定PVOP-V圖上對(duì)應(yīng)一直線過(guò)程方程特點(diǎn)Ⅱ（P2,V1,T2)Ⅰ（P1,V1,T1)V1等體摩爾熱容8.2理想氣體的定值過(guò)程PVOP-V圖上對(duì)應(yīng)一直線過(guò)程方程1212系統(tǒng)做正功

Q>021系統(tǒng)做負(fù)功

Q<0

二.等壓過(guò)程

P一定V1V2P邁耶公式：等壓摩爾熱容比熱容比三.等溫過(guò)程T一定P-V圖上對(duì)應(yīng)一曲線PVO過(guò)程方程V1V212例5.1質(zhì)量為，溫度為300K，壓強(qiáng)為1atm的氮?dú)猓葔号蛎浿猎瓉?lái)體積的二倍。求氮?dú)鈱?duì)外所做的功；內(nèi)能的增量以及吸收的熱量。解根據(jù)等壓過(guò)程方程，有因?yàn)槭请p原子氣體例5.2容器內(nèi)儲(chǔ)有氧氣，溫度為300K，等溫膨脹為原來(lái)體積的二倍，求體對(duì)外所做的功和吸收的熱量。解在本題中，已知氧氣的質(zhì)量氧的摩爾質(zhì)量，則氧氣中包含的摩爾數(shù)并已知溫T=300K和氧氣在等溫過(guò)程中吸收的熱量為1.等體過(guò)程V一定2.等壓過(guò)程P一定3.等溫過(guò)程T一定

一.絕熱過(guò)程

系統(tǒng)在絕熱過(guò)程中始終不與外界交換熱量。良好絕熱材料包圍的系統(tǒng)發(fā)生的過(guò)程進(jìn)行得較快，系統(tǒng)來(lái)不及和外界交換熱量的過(guò)程1.過(guò)程方程

V1V2p1p2絕熱壁p8.3絕熱過(guò)程泊松方程對(duì)無(wú)限小的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程

有V1V2p1p2絕熱壁p3.絕熱過(guò)程功和內(nèi)能

絕熱過(guò)程中，理想氣體不吸收熱量，系統(tǒng)減少的內(nèi)能，等于其對(duì)外作功。

二.絕熱線與等溫線

過(guò)程曲線微分A絕熱線等溫線由于

＞1，所以絕熱線要比等溫線陡一些。VpO思考題？一定量氮?dú)猓涑跏紲囟葹?00K，壓強(qiáng)為1atm。將其絕熱壓縮，使其體積變?yōu)槌跏俭w積的1/5.解例1求壓縮后的壓強(qiáng)和溫度。A絕熱線等溫線VpO一.循環(huán)過(guò)程系統(tǒng)的狀態(tài)經(jīng)歷一系列的變化后又回到了原狀態(tài)循環(huán)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程：在p—V

圖上是一閉合曲線VpOⅡⅠ··A1蒸汽機(jī)：工質(zhì)水鍋爐冷卻器汽缸泵Q1Q2′A2′8.4循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)正循環(huán)(P-V圖沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行)逆循環(huán)(P-V圖沿逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行)（系統(tǒng)對(duì)外作功）ⅠⅡQ1Q2abVpO（系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功）正循環(huán)也稱(chēng)為熱機(jī)循環(huán)逆循環(huán)也稱(chēng)為致冷循環(huán)··ⅠⅡQ1Q2abVpO··T1T2Q1A=Q1-Q2Q2T1T2-Q1A外Q2熱機(jī)熱機(jī)制冷機(jī)制冷機(jī)二.循環(huán)效率（正循環(huán)）熱機(jī)效率：（逆循環(huán)）致冷系數(shù)：三.卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。

卡諾熱機(jī)的效率

pVabC

d絕熱線

等溫線

吸熱

卡諾致冷機(jī)的致冷系數(shù)放熱

例1.1mol氦氣經(jīng)圖示的循環(huán)，其中p2=2p1,v2=2v1,求該的循環(huán)效率。解1234P0VP1

P2V1V2

氣體經(jīng)循環(huán)過(guò)程所做的凈功為圖中過(guò)程曲線所圍面積，即由圖可見(jiàn)在循環(huán)過(guò)程中1→2為等體升壓過(guò)程,系統(tǒng)從外界吸熱2→3

為等壓膨脹過(guò)程,系統(tǒng)從外界吸熱3→4

為等體降壓過(guò)程,系統(tǒng)向外界放熱4→5

為等壓壓縮過(guò)程,系統(tǒng)向外界放熱整個(gè)循環(huán)過(guò)程吸收的總熱量為其中氦氣為單原子氣體，自由度根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得此循環(huán)的效率為地球上的人要在月球上居住，首要問(wèn)題就是保持他們的起居室處于一個(gè)舒適的溫度，現(xiàn)考慮用卡諾循環(huán)機(jī)來(lái)作溫度調(diào)節(jié)，設(shè)月球白晝溫度為100℃，而夜間溫度為

100℃，起居室溫度要保持在20℃，通過(guò)起居室墻壁導(dǎo)熱的速率為每度溫差0.5kW，白晝和夜間給卡諾機(jī)所供的功率。解例2求在白晝欲保持室內(nèi)溫度低，卡諾機(jī)工作于致冷機(jī)狀態(tài)，從室內(nèi)吸取熱量Q2

，放入室外熱量Q1則每秒鐘從室內(nèi)取走的熱量為通過(guò)起居室墻壁導(dǎo)進(jìn)的熱量，即在黑夜欲保持室內(nèi)溫度高，卡諾機(jī)工作于致冷機(jī)狀態(tài)，從室外吸取熱量Q1，放入室內(nèi)熱量Q2每秒鐘放入室內(nèi)的熱量為通過(guò)起居室墻壁導(dǎo)進(jìn)的熱量，即解得此種用可逆循環(huán)即是所謂的冷暖雙制空調(diào)的原理。循環(huán)效率（正循環(huán)）熱機(jī)效率：（逆循環(huán)）致冷系數(shù)：一.可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程滿足能量守恒的過(guò)程一定會(huì)實(shí)現(xiàn)嗎？1.自然過(guò)程進(jìn)行的方向性（1）熱功轉(zhuǎn)換不可逆熱

剎車(chē)摩擦生熱。烘烤車(chē)輪，車(chē)不開(kāi)。8.5熱力學(xué)第二定律（2）熱傳導(dǎo)不可逆熱量不能自動(dòng)從低溫

高溫（3）擴(kuò)散不可逆自由膨脹，不可自動(dòng)收縮2.可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程(1)可逆過(guò)程其逆過(guò)程能使一切恢復(fù)原狀的過(guò)程。例如:真空中的單擺,無(wú)摩擦耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。理想的卡諾循環(huán)。(2)不可逆過(guò)程其逆過(guò)程不能使一切恢復(fù)原狀的過(guò)程。例如:自然界的一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆的。高處東西自由下落。氣體擴(kuò)散。生命的生老病死。二.熱力學(xué)第二定律

描述自然宏觀過(guò)程按一定方向進(jìn)行的規(guī)律定律的兩種表述1.開(kāi)爾文表述(從熱功轉(zhuǎn)換的方向性)

不可能只從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它變化。說(shuō)明(1)吸收的熱量可以轉(zhuǎn)化為功（熱機(jī)）。(2)吸收的熱量可以完全轉(zhuǎn)化為功（等溫膨脹）。2.克勞修斯表述

不可能把熱量從低溫傳向高溫物體而不引起其它變化。(從熱傳遞的方向性)說(shuō)明熱量可以從低溫物體傳向高溫物體(致冷機(jī))。(2)熱力學(xué)第二定律開(kāi)爾文表述的另一敘述形式:第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成。熱功轉(zhuǎn)化具有方向性。3.兩種表述等價(jià)性假設(shè)開(kāi)爾文表述不成立克勞修斯表述不成立高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?1)假設(shè)開(kāi)爾文表述不成立證明（用反證法）(2)假設(shè)克勞修斯表述不成立開(kāi)爾文表述不成立類(lèi)似證明克勞修斯表述不成立三.