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1、第五章 热力学第一定律 (2) 热力学过程 准静态过程： 非静态过程： 功、内能和热量过程量 状态量 热力学第一定律 热容 焓 一般表达式 微变过程 准静态过程 判断说法是否正确: u任何没有体积变化的过程就一定不对 外做功; u只要系统与外界之间既没有做功,也没 有热量及粒子数交换，则在任何过程 中系统的内能和焓都是不变的. u在等压下搅拌绝热容器中的液体,使其 温度上升,此时未从外界吸热,因而是等 焓的. 功是过程的改变量,它与所进行的过程 有关，但为什么绝热过程中做的功却仅与 初、末状态有关，而与中间过程无关？ 热量与进行过程有关，但为什么在定 体条件下吸的热又与中间过程无关？ ？ 将一
2、电池与一浸在水中的电阻器连接后 放电，试问在下列情况下的热量、功及内能 的变化分别是怎样的？ （1）以水及电阻丝为系统； （2）以水为系统； （3）以电池为系统； （4）以电池、电阻丝、水为系统。 夏天将室内电冰箱的门打开，接通电源并紧闭门 窗(设墙壁、门窗均不传热)，能否使室内温度降低？为 什么？若使用空调，情况又如何？ 为什么任何气体向真空自由膨胀的过程 都是等内能的？若一隔板把容器分隔为两部 分，左边压强为p0，右边压强为p0/2，将隔 板抽除后所发生的过程是否是等内能的？ 设某种电离化气体由彼此排斥的离 子所组成，当这种气体经历绝热真空自 由膨胀时，气体的温度将如何变化？为 什么？ 密
3、闭绝热的系统中具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着 气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹 簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被 压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为EP(弹簧处于自然长度时 的弹性势能为零),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次 往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程 （ ） A EP全部转换为气体的内能 B. EP一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍 为弹簧的弹性势能 C EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 D EP一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换 为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能 理想气
4、体 D 永动机？ 5 气体的内能 焦耳一汤姆孙实验 1、 实验装置 温度一样 实验结果 膨胀前后温度计的读数未变。 一、 焦耳实验 气体绝热自由膨胀过程中 2、 分析 气体的内能仅是其温度的函数，与体积无关 。这一结论称为焦耳定律。 说明 (1) 焦耳实验室是在1845完成的。温度计的 精度为0.01。 水的热容比气体热容大的多，因而水的温度可 能有微小变化，由于温度计精度不够而未能测出。 (2) 焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。 二、焦耳-汤姆逊实验 也称节流效应。 多孔塞两 边的气体的温度 一般并不相等， 温度差异和气体 种类及多孔塞两 边的压强数值有 关。 在绝热条件下，高压气体经过多孔
5、塞小 孔、通径很小的伐门、毛细管等流到低压 一边的稳定流动过程称为节流过程。 目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细 管来实现节流膨胀的。 实验发现: 在多孔塞两边的气体的温度一般并不相 等； 温度差的大小和气体种类及多孔塞两边 的压强的数值有关。 利用下图可讨论节流的热力学过程： A1p1 V1T1 p1 A2P2 V2 T2 p2 当气体全部穿过多孔塞以后，它的状态 参量从V1 变为V2 ，p1变为p2 ,T1变为T2。 外界对定量气体所作的净功为 气体推动右边活塞作功 气体穿过多孔塞过程中，左边活塞对气体作 功, 设气体都在左边时的内能为U1 ，气体 都在右边时的内能为U2 ； 注意到绝热
6、过程 Q = 0，则由第一定律 这就是说，绝热节流过程前后的焓不变。 实验表明： 所有的理想气体温度不变； 对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而 升高，称为负节流效应。只有在足够低温度 下才呈现正节流效应。 节流过程前后的温度变化 低温工程利用节流致冷效应来降低温度。 等焓线 为了研究在不同压强、温度下的不同种 类气体经节流后的温度变化 ，常由实验在 T p 图作出各条等焓线。 实验进行时，高压一边的压强 pi 温度 Ti 先可任意选定，从而确定某一初态，如图 中的i点所示。而节流以后的末态是一系列的 点，1，2，3，4，5，6，7 。这些点的 焓和i点的焓是相等的。这些点连接成的线就 是等
7、焓线。 由此看到，等焓线不是节流过程实际进行的图 线。它是一系列焓的设置相等的点的集合。 注意：节流过程是不可逆过程，在状态图上是不 能以一条实线来表示的。 从图可以看见，若节 流在“i”点和“3 ”点的状态间 进行，温度将升高； 若改在“4”点与“7”点 间进行节流过程，温度就降 低。 焦耳汤姆逊系数 正的焦汤效应 负的焦汤效应 转换点 连接一系列等焓线转换点的曲线 I.在曲线内侧，0, T，致冷区， 在曲线外侧， Pmax时,总有T,无法致冷, III.对某一初始压强P1,当初始温度 转换曲线 Tu1 ,P1对应的上转换温度, Td1 , P1对应的下转换温度. IV.转换曲线与温度轴的交
8、点,对应于最大上转换 温度Tumax, 和最小下转换温度Tdmax。 三、理想气体的内能 焓的表达式 严格遵从状态方程pV=vRT和焦耳定律 U=U(T) 的气体。 理想气体的定义 理想气体定容热容及内能 理想气体定压热容及焓 定压过程中 有人认为节流膨胀与 准静态膨胀一样都是可逆过 程，理由是节流膨胀也能在 T-p图上画出等焓线，既然 节流过程的焓是相等的，等焓线是平衡态 的集合，当然节流过程是可逆过程。这种 说法错在哪里？ 有人说，准静态绝热膨胀与向真空中 自由膨胀及节流膨胀都是绝热的，同样是 绝热膨胀，怎么会出现三种截然不同的过 程？它们对外做功的情况分别是怎样的？ 作业：p143 2, 3两题
