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1、1,热力学:热运动的宏观理论,宏观热现象.,内容:热力学系统的状态 (P,V,T) 变化时, 功、热量、内能转化关系、条件、 效率.,对象:大量物质粒子组成的系统, 热力学系统.,方法:从实验结果,能量角度, 不考虑微观运动.,第四章 热力学基础,2,1 热力学第一定律,2 热力学第一定律对理想气体的应用,3 循环过程和卡诺循环,4 热力学第二定律,3,二、功和热量,热量Q:分子之间交换无规运动的能量.过程量.,作功W:宏观位移与无规运动能量转换.过程量.,一、内能,系统在一定状态下的内在的各种能量的总和.,1 热力学第一定律,理想气体内能:所有分子平动、转动、振动动能 和振动势能之和.只是温
2、度的函数,态函数.,4,正负规定: 吸热为正,放热为负; 系统对外作功为正,外界对系统作功为负; 温度升高,内能增加,温度降低,内能减小.,三、热力学第一定律,热力学第一定律:状态变化时功W、热量Q、 内能变化E之间的关系.能量守恒.,第一类永动机是不可能实现的!,微分形式：,5,四、功、热量和内能增量的计算,状态图:状态量关系图, 曲线代表准静态过程,无摩擦.,弛豫时间(从非平衡到平衡）,准静态过程:状态变化的时间 间隔大于弛豫时间.,1. 准静态过程,热力学过程,6,2. 功的计算,计算膨胀作功:,对应PV图上曲线下的面积.,与过程有关.,膨胀 W0,压缩 W0.,利用热力学第一定律也可求
3、功:,7,3. 热量的计算,热一律计算:,利用热容量计算:,对液固体近定容.,1mol气体的热容量,摩尔热容量与过程有关:,质量为M的热容量,等压过程:,等容过程:,8,4. 内能增量的计算,内能是状态的单值函数,与过程无关.,等容时:,理想气体 内能:,理想气体的 内能变化:,理想气体的内能变化:,9,2 热力学第一定律对理想气体的应用,一、等容过程,过程特点,过程方程,PV图,W Q E计算,结论.,系统吸收的热量全部用来增加内能.,从热容量吸收热量:,按热力学第一定律：,过程 方程,10,二、等压过程,系统吸收的热量一部分作功,一部分增加内能.,等压摩尔 热容量:,按热力学第一定律：,从
4、热容量 吸收热量,过程 方程,11,三、等温过程,系统吸收的热量全部用来作功.,单原子分子:,刚性双原子分子:,过程方程,按热力学第一定律：,12,例1:气缸内储存一定质量的氧气(可视为刚性双 原子分子),经历如图所示的三个等值过程.求(1) 各等值过程中气体吸收的热量,对外作功,内能增 量,及整个过程的热量.(2)若气体由初态A开始, 只经历等压膨胀过程到达末态D,该过程中的热 量,作功,内能增量各是多少.,解：,(1) AB等压过程:,13,BC等容过程:,CD等温过程:,14,ABCD整个过程:,(2) ABD等压过程:,15,四、绝热过程,不交换热量,1. 过程方程,(1)、(2)式分
5、别移R和CV到左边后相加得:,绝热过程中P、V、T之间关系:,16,过程方程,再由理想气体状态方程 消去p或V可得另外两个 过程方程:,泊松公式,(常数),常 数,绝热指数,17,图上区别:绝热线大于等温线斜率的绝对值.,2. p -V图,3. 功的计算,交点A斜率,等温线,绝热线,绝热,等温,由1(p1,V1,T1)到2(p2,V2,T2),18,系统内能全部转化为对外作功.,以上各过程得到的结论式可作为公式使用,但要 掌握它们的推出过程,自己小结找出最基本式.,19,例2:对于氩气=1.7,求此气体由体积V1=2L绝 热压缩至体积为V2=1L的压强,气体所作的功以 及内能增量.若是等温压缩
6、过程,各量又是多少? 设开始时压强p1=1atm.,解：,绝热过程:,外界对气体作正功.,等温过程:,20,1.掌握热一律和计算功、内能、热量的方法.,2.会计算理想气体等值过程的功、内能、热量.,4.理解绝热过程的过程方程,会应用.,3.理解CV和Cp的表达式及物理意义.,本课要求：,P189 习题,2、4、11,作业:,21,参考书：,1.大学物理(上下册),大学物理编写组, 天津大学出版社,2005年.,3.大学物理通用教程(四册),钟锡华等主编, 北京大学出版社.,2.大学物理学(五册),张三惠主编, 清华大学出版社.,22,一、循环过程 系统经一系列状态变化后回到初始状态的过程. E
7、=0, p-V图上闭合曲线,面积为循环净功W净.,正循环(顺时针):W净0,逆循环(逆时针):W净0,3 循环过程和卡诺循环,W净,W净,Q净=W净,热机循环效率:,热机(正循环),制冷机 (逆循环),23,理想热机:工作物质只与两个恒温热源交换能量, 没有其它方面的能量损耗卡诺机.,卡诺循环:工质是理想气体; 热力学过程是准静态过程; 热交换过程是等温过程; 与热源分离的过程是绝热过程.,二、卡诺循环,1.卡诺热机,等温膨胀AB吸热:,24,绝热压缩DA :,等温压缩CD放热:,绝热膨胀BC :,效率:,25,卡诺热机 效率:,一般热机 效率:,1.必须有两个热源 供吸热、放热. 2.效率只
8、与T有关, 与工质无关. 3.效率小于1,提高 效率,提高T1.,26,例1:现代热电厂水蒸气温度可达580度,冷凝水 的温度约30度,若按卡诺循环计算,其效率应为:,实际最高到36%,12绝热压缩,23等容吸热, 34绝热膨胀,41等容放热. 证明:,例2:奥托循环.,27,例3:1mol单原子分子的理想气体,经历如图所示 可逆循环,连接ac两点曲线方程为p=p0V2/V02, a点温度为T0.(1)以T0 ,R分别表示过程中 气体吸收的热量.(2)求此循环的效率.,解：,a状态的参量为p0,V0,T0,b:,c:,28,(1),等体:,等压:,:,(2),29,2.卡诺制冷机,吸热Q2,放
9、热Q1,外界作功Q1-Q2,一般制冷机 的制冷系数:,T1一定, T2越小,越小.,T2一定, T1越小,越大;,卡诺制冷机的制冷系数:,30,例4:一个作可逆卡诺循环的热机,其效率为,它 逆向运转时便成为一台制冷机,该制冷机的制冷 系数 ,则与的关系为 .,或,31,4 热力学第二定律,一、可逆过程和不可逆过程,可逆过程:一系统经历过程所产生的效果,在 逆过程中使系统和外界完全恢复原状, 而不引起其它变化.例:无摩擦准静态.,例:功变热、热传导、气体自由膨胀.,不可逆过程:一系统经历过程所产生的效果,在 逆过程中使系统和外界完全恢复原状, 而引起其它变化(不能完全恢复原状).,自发过程都是按
10、一定方向进行.,与热现象有关的宏观自发过程都是不可逆过程.,32,不可能从单一热源取热,使之全部变为 有用的功,而不引起其他变化.,开尔文表述,1851年提出:,不可能把热量从低温物体传到高温物体, 而不引起其它变化.,克劳修斯表述,1850年提出:,二、热力学第二定律,开尔文表述和克劳修斯表述的等效性.,反证法.违反开氏说法必违反克氏说法.,第二类永动机是不可能实现的!,33,三、热力学第二定律的统计意义,统计观点解释 宏观不可逆性 的微观本质.,自然界中出现的自发过程是有方向性的.一切 与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.,热现象是大量分子 无规则运动的宏观 表现.统计规律.,34,态
11、数微观,4,0,3,2,1,0,1,2,3,4,1,4,6,4,1,1/16,4/16,6/16,4/16,1/16,概率,最不均匀分 布的概率：,推广到1mol, 1023个,全部集中 到A或B的概率:,微观解释和统计意义:孤立系统内部发生的过 程总是自发地由出现概率小的状态向出现概率 大的状态进行;由包含微观状态数目少的宏观 状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行.,35,例:一定质量理想气体,先经过等体过程使其热力 学温度升高一倍,再经过等温过程使其体积膨胀为 原来的两倍,则分子的平均自由程为原来的 倍.,2,例:气缸中有一定量的氦气(视为理想气体),经过 绝热压缩,体积变为原来的一半,则气体分子的平 均速率变为原来的( ).,D,36,例:bca为理想气体绝热过程,b1a和b2a是任意过 程,则上述两过程中气体作功与吸收热量是( ),A. b1a过程放热,作负功; b2a过程放热,作负功. B. b1a过程吸热,作负功; b2a过程放热,作负功. C. b1a过程吸热,作正功; b2a过程吸热,作负功. D. b1a过程放热,作正功; b2a过程吸热,作正功.,B,37,1.掌握循环过程,卡诺循环会计算循环效率.,2.理解热力学第二定律的两种表述、统计意义.,本课要求：,P189 习题,13、14、17,作业:,
