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理想氣體的定值過程8.3絕熱過程8.4循環(huán)過程卡諾循環(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)的進步相輔相成，是熱力學(xué)與社會生產(chǎn)的關(guān)系的典型表現(xiàn)。熱力學(xué)規(guī)律運用的范圍已超過物理學(xué)自身，其意義滲透到社會科學(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)過程1.

熱力學(xué)過程

系統(tǒng)從某狀態(tài)開始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達另一狀態(tài)的過程。2.準(zhǔn)靜態(tài)過程

在過程進行的每一時刻，系統(tǒng)都無限地接近平衡態(tài)。無限緩慢進行的過程可按準(zhǔn)靜態(tài)過程處理,準(zhǔn)靜態(tài)過程是理想過程8.1熱力學(xué)第一定律二.功熱量內(nèi)能1.功熱量

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

焦耳實驗絕熱壁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能EK與分子間的勢能EP

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

某一過程，系統(tǒng)從外界吸熱Q，對外界做功

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

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

歷史上有不少人希望設(shè)計一種機器，這種機器不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功，這種機器被稱為永動機，又叫第一類永動機。

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)運動的一種形式。這說明外界傳給物質(zhì)系統(tǒng)的能量（熱量），等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加和系統(tǒng)對外所作功的總和。它否認(rèn)了能量的無中生有，所以不需要動力和燃料就能做功的第一類永動機就成了天方夜譚式的設(shè)想。

圖為“魔輪”永動機圖為伍斯特改進的"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，壓強為p0，右邊一半為真空。

例1求把中間隔板抽去后，達到新平衡時氣體的壓強

絕熱過程自由膨脹過程因為初、末兩態(tài)是平衡態(tài)，所以有

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

Q>021系統(tǒng)做負(fù)功

Q<0

二.等壓過程

P一定V1V2P邁耶公式：等壓摩爾熱容比熱容比三.等溫過程T一定P-V圖上對應(yīng)一曲線PVO過程方程V1V212例5.1質(zhì)量為，溫度為300K，壓強為1atm的氮氣，等壓膨脹至原來體積的二倍。求氮氣對外所做的功；內(nèi)能的增量以及吸收的熱量。解根據(jù)等壓過程方程，有因為是雙原子氣體例5.2容器內(nèi)儲有氧氣，溫度為300K，等溫膨脹為原來體積的二倍，求體對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和氧氣在等溫過程中吸收的熱量為1.等體過程V一定2.等壓過程P一定3.等溫過程T一定

一.絕熱過程

系統(tǒng)在絕熱過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)生的過程進行得較快，系統(tǒng)來不及和外界交換熱量的過程1.過程方程

V1V2p1p2絕熱壁p8.3絕熱過程泊松方程對無限小的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程

有V1V2p1p2絕熱壁p3.絕熱過程功和內(nèi)能

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

二.絕熱線與等溫線

過程曲線微分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？一定量氮氣，其初始溫度為300K，壓強為1atm。將其絕熱壓縮，使其體積變?yōu)槌跏俭w積的1/5.解例1求壓縮后的壓強和溫度。A絕熱線等溫線VpO一.循環(huán)過程系統(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)過程準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程：在p—V

圖上是一閉合曲線VpOⅡⅠ··A1蒸汽機：工質(zhì)水鍋爐冷卻器汽缸泵Q1Q2′A2′8.4循環(huán)過程卡諾循環(huán)正循環(huán)(P-V圖沿順時針方向進行)逆循環(huán)(P-V圖沿逆時針方向進行)（系統(tǒng)對外作功）ⅠⅡQ1Q2abVpO（系統(tǒng)對外作負(fù)功）正循環(huán)也稱為熱機循環(huán)逆循環(huán)也稱為致冷循環(huán)··ⅠⅡQ1Q2abVpO··T1T2Q1A=Q1-Q2Q2T1T2-Q1A外Q2熱機熱機制冷機制冷機二.循環(huán)效率（正循環(huán)）熱機效率：（逆循環(huán)）致冷系數(shù)：三.卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。

卡諾熱機的效率

pVabC

d絕熱線

等溫線

吸熱

卡諾致冷機的致冷系數(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)過程所做的凈功為圖中過程曲線所圍面積，即由圖可見在循環(huán)過程中1→2為等體升壓過程,系統(tǒng)從外界吸熱2→3

為等壓膨脹過程,系統(tǒng)從外界吸熱3→4

為等體降壓過程,系統(tǒng)向外界放熱4→5

為等壓壓縮過程,系統(tǒng)向外界放熱整個循環(huán)過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，首要問題就是保持他們的起居室處于一個舒適的溫度，現(xiàn)考慮用卡諾循環(huán)機來作溫度調(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所供的功率。解例2求在白晝欲保持室內(nèi)溫度低，卡諾機工作于致冷機狀態(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)取走的熱量為通過起居室墻壁導(dǎo)進的熱量，即在黑夜欲保持室內(nèi)溫度高，卡諾機工作于致冷機狀態(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)的熱量為通過起居室墻壁導(dǎo)進的熱量，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)）熱機效率：（逆循環(huán)）致冷系數(shù)：一.可逆過程與不可逆過程滿足能量守恒的過程一定會實現(xiàn)嗎？1.自然過程進行的方向性（1）熱功轉(zhuǎn)換不可逆熱

剎車摩擦生熱。烘烤車輪，車不開。8.5熱力學(xué)第二定律（2）熱傳導(dǎo)不可逆熱量不能自動從低溫

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

描述自然宏觀過程按一定方向進行的規(guī)律定律的兩種表述1.開爾文表述(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。說明(1)吸收的熱量可以轉(zhuǎn)化為功（熱機）。(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)說明熱量可以從低溫物體傳向高溫物體(致冷機)。(2)熱力學(xué)第二定律開爾文表述的另一敘述形式:第二類永動機不可能制成。熱功轉(zhuǎn)化具有方向性。3.兩種表述等價性假設(shè)開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爾文表述不成立類似證明克勞修斯表述不成立三.