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1、第21章 热力学第一定律 21-1 21-1 热力学系统与热力学过程热力学系统与热力学过程 21-2 21-2 内能内能 功和热量功和热量 21-3 21-3 热力学第一定律热力学第一定律 21-4 21-4 热一律在理想气体中的应用热一律在理想气体中的应用 21-5 21-5 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 21-1 热力学系统与热力学过程 一、热力学系统 开放系统 封闭系统 孤立系统 外界（环境） 系统 外界 系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换 系统与环境之间无物质交换，但有能量交换 系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换 主要研究封闭系统 二、热力学过程二、热力学过程 系统所
2、经历的状态随时间变化的过程系统所经历的状态随时间变化的过程 分类分类 1 1）准静态与非静态）准静态与非静态 2 2）等值过程）等值过程 3 3）与外界的关系）与外界的关系 改变系统状态的途径改变系统状态的途径 -作功与传热作功与传热 自发与非自发自发与非自发 过程过程 绝热过程绝热过程 O 2(p2,V2,T) V 1(p1,V1,T) p 一个点：一个点：一个平衡态一个平衡态 一条曲线：一条曲线：一个准静态过程一个准静态过程 相同点：都使系统与外界之间产生能量交换，都使系统与外界之间产生能量交换， 从而使系统的状态发生改变从而使系统的状态发生改变 不同点： 21-2 21-2 内能内能 功
3、和热量功和热量 一一. . 内能内能 内能是内能是状态量状态量 理想气体的内能理想气体的内能 是是温度的单值函数温度的单值函数 (刚性） 二二. . 功功 准静态过程中体积功的计算准静态过程中体积功的计算 注意：注意：功是过程量功是过程量. . 设一气缸膨胀，活塞移动了设一气缸膨胀，活塞移动了 气体作元功气体作元功 当气体体积从当气体体积从 1 2 m n VV2V1 O p 三三. . 热量的计算热量的计算 过程量过程量 1. 1. 热容量热容量 2 2 . .摩尔热容量摩尔热容量 用比热：用比热：（ c c 为比热）为比热） 用摩尔热容量用摩尔热容量 一摩尔物质温度升高一摩尔物质温度升高1
4、K1K时所吸收的热量时所吸收的热量. . 3 . 3 . 热量的计算热量的计算 定压定压摩尔摩尔热容量热容量定容定容摩尔摩尔热容量热容量 Q Q是过程量是过程量 温差不太大温差不太大 C C mm可看作常量 可看作常量 若为准静态过程若为准静态过程 若为理想气体若为理想气体 若为理气准静态过程若为理气准静态过程 21-3 热力学第一定律 包括热现象在内的能量转化与守恒定律包括热现象在内的能量转化与守恒定律 -系统系统内能增加为正，减少为负。内能增加为正，减少为负。 -系统系统吸热为正，放热为负。吸热为正，放热为负。 -系统系统对外作功为正，反之为负。对外作功为正，反之为负。 适用于适用于 两个
5、平衡态之间两个平衡态之间 任何系统任何系统( (气液固气液固)的的 任何过程任何过程( (非准静态过程也适用非准静态过程也适用) )。 先强调两点：先强调两点： 理想气体的理想气体的内能变化内能变化只与只与 系统系统始末温度有关始末温度有关，而与过，而与过 程无关。程无关。 研究理想气体研究理想气体 热功转换的主要热功转换的主要 依据是：依据是： V P T2 T1 或： 21-4 热一律在理想气体中的应用 一、等容过程一、等容过程 1. 1. 功能关系功能关系 2. 2. 理想气体的定容摩尔热容量理想气体的定容摩尔热容量 对一元 过程 对理想气体(通常 视为刚性分子） ： Vconst. Q
6、 1(p1, V1, T1) 2(p2, V1, T2) p O V (p1/T1=p2/T2 ) 对外做功：对外做功： 热量交换：热量交换： 内能变化：内能变化： 所以 单原子单原子 刚性双原子刚性双原子 刚性多原子刚性多原子 3. 3. 理气内能理气内能 ( E,T ) O V p T+dT dEV V dET = 0 任意元过程任意元过程 ( ( E+E+d dE E , , T T+dT+dT ) ) 故：故：对于理想气体对于理想气体, , 公式公式 E = E = C CV V T T 不仅适用于等容过程，也适用于其他过程。不仅适用于等容过程，也适用于其他过程。（态函数）态函数） 理
7、想气体理想气体 A A B B C C 温差不太大温差不太大 C CV V 可看作常量可看作常量 二、等压过程二、等压过程 1. 1. 功能关系功能关系 对外做功：对外做功： 热量交换：热量交换： 内能变化：内能变化： 内能公式内能公式 2. 2. 理气定压摩尔热容量理气定压摩尔热容量 比热容比比热容比 -迈耶公式迈耶公式 得得 1(p1, V1, T1) 2(p1, V2, T2) p O V (V1/T1=V2/T2) -迈耶公式 思考 定义比热容比 : （泊松比） 为何为何C C p p C CV V ? ? 三、等温过程 恒温热源 T Tconst. Q A 1 2 过程方程过程方程常
8、量 常量 热量交换：热量交换： 内能变化：内能变化： 对外做功：对外做功： 1 1 2 2 等温等温膨胀膨胀 A A 2 2 1 1 A A 等温等温压缩压缩 Q Q0 0 A A 绝热的绝热的汽缸壁和活塞汽缸壁和活塞 四、绝热过程 1. 1. 能量转换关系能量转换关系 对外做功：绝热功对外做功：绝热功 。 由热一律由热一律: : 1 1 2 2 A A 1 1 2 2 2. 2. 绝热过程方程绝热过程方程( (准静态）准静态） 由由 热一律：热一律： 适用于一切绝热过程适用于一切绝热过程 对理气准静态绝热过程对理气准静态绝热过程 以上两式相除以上两式相除 （泊松方程）（泊松方程） 准静态绝热
9、过程曲线准静态绝热过程曲线 由由 PVPV = =C C 和和 PV PV = = C C 得：得： 绝热曲线的斜率：绝热曲线的斜率： 等温曲线的斜率：等温曲线的斜率： （泊松方程）（泊松方程） 绝绝 热热 方方 程程 常量常量 常量常量 常量常量 3. 3. 绝热线和等温线绝热线和等温线 绝热线比等温线绝热线比等温线“ “陡陡” ” A A B B C C 常量常量 ( (注意注意 1)1) 物理解释 （2 2）从）从A A点绝热膨胀到点绝热膨胀到B B点点 V V - n- n -P P 且因且因绝热绝热对外对外做功做功 E E - T- T - - P P P P B B 0 a a b
10、 b AA0 0 21-521-5 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 净放热净吸热 热机热机-通过循环过程不断把热转换为功的机器。通过循环过程不断把热转换为功的机器。 550C550C 过过 热热 器器 锅锅 炉炉 给水泵给水泵 冷凝器冷凝器 冷冷 却却 水水 汽汽 轮轮 机机 发电机发电机 20C20C 0 0 高温高压蒸汽高温高压蒸汽 0 0 发电厂蒸汽动力循环示意图发电厂蒸汽动力循环示意图 火力发电厂的热力循环四大件火力发电厂的热力循环四大件: : 1 1 锅炉锅炉. . 2 2 汽轮机汽轮机. . 3 3 冷凝器冷凝器. . 4 4 水泵水泵. . 550 C550 C 0 0 过过
11、 热热 器器 锅锅 炉炉 给水泵给水泵 冷凝器冷凝器 冷冷 却却 水水 汽汽 轮轮 机机 发电机发电机 Q Q Q Q 1 1 2 2 A A 20C20C 0 0 高温高压蒸汽高温高压蒸汽 发电厂蒸汽动力循环示意图发电厂蒸汽动力循环示意图 550 C550 C 0 0 过过 热热 器器 锅锅 炉炉 给水泵给水泵 冷凝器冷凝器 冷冷 却却 水水 汽汽 轮轮 机机 发电机发电机 Q Q Q Q 1 1 2 2 A A 发电厂蒸汽动力循环示意图发电厂蒸汽动力循环示意图 A A Q Q Q Q 1 1 2 2 高温热源高温热源 低温热源低温热源 热机工作示意图热机工作示意图 20C20C 0 0 高
12、温高压蒸汽高温高压蒸汽 致冷机致冷机通过外界作功通过外界作功, ,工作物质工作物质从低温热源吸收热量从低温热源吸收热量传到传到 高温热源去高温热源去, ,使低温物体温度更低使低温物体温度更低的机器。的机器。 热机的效率热机的效率 大量事实证明大量事实证明 1. 1. 热机循环及热机效率热机循环及热机效率 图图 V V P P A A Q Q2 2 Q Q1 1 工作工作 物质物质 T T1 1 T T2 2 能流图能流图 2. 致冷循环与致冷系数 致冷系数 A Q2 Q1 工作 物质 T1 T2 能流图 V P 图图 特别说明特别说明： 在热机、致冷机部分在热机、致冷机部分 由于实际中的需要或
13、由于实际中的需要或 说是习惯说是习惯 无论是吸热还是放热一律取正值无论是吸热还是放热一律取正值 则热机效率和致冷系数写成：则热机效率和致冷系数写成： 什么样的循环什么样的循环 最高最高 ? ? 二、卡诺循环二、卡诺循环 卡诺卡诺 Carnot Carnot 法国人法国人 （1796 1796 18321832） 卡诺卡诺循环循环-两个准静态两个准静态等温等温过程和两个准静态过程和两个准静态 绝热绝热过程组成过程组成 . . 低温热源低温热源 高温热源高温热源 卡诺热机卡诺热机 A A a a b b c c d d A A a a b b c c d d 理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体
14、卡诺循环热机效率的计算 abab： cdcd： 等温等温 过程过程 书书 P P198 198（ （21-2121-21）式式 绝热绝热 过程过程 bcbc： dada： 卡诺热机效率卡诺热机效率 A A a a b b c c d d 卡诺热机效率卡诺热机效率 A A 外外 a a b b c c d d 高温热源高温热源 低温热源低温热源 卡诺致冷机卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺热机逆循环）卡诺致冷机（卡诺热机逆循环） 卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数: : 2 ) 2 ) 理论指导作用理论指导作用 1 ) 1 ) 卡诺热机效率卡诺热机效率 实用上是实用上是 T T 1 1 。 现代热电厂：现代热电厂： （900K900K） （300K300K） 卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温 度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高 . . 讨讨 论论 3) 3) 理论说明低温热源温度理论说明低温热源温度T T 2 2 0 0 说明说明热机效率热机效率 且且只能只能 0 吸热吸热
