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1、第十五章第十五章 热力学基础热力学基础热力学是热运动的宏观理论，热热力学是热运动的宏观理论，热力学三定律是热力学理论的基础。力学三定律是热力学理论的基础。Date1大学物理 I 曹颖热力学第一定律-能量转换 地位：相当于力学中的牛顿定律热力学第二定律-过程方向热力学第三定律-低温性质基本定律基本定律物理实验物理实验Date2大学物理 I 曹颖15.1 15.1 内能内能 热量热量 功功 一、内能一、内能分子热运动的动能(平动、转动、振动 )和分子间相互作用势能的总和。内能是状 态的单值函数。对于理想气体，忽略分子间的作用 ，则平衡态下气体内能：Date3大学物理 I 曹颖二、热量二、热量系统与
2、外界（有温差时）传递热运动 能量的一种量度。热量是过程量。摩尔热容量：( CkMc )1mol 物质温度升高1K所吸收(或放出) 的热量。 Ck与过程有关。Date4大学物理 I 曹颖系统吸热或放热会使系统的内能发生变化。若传热过程“无限缓慢”，或保持系统 与外界无穷小温差，可看成准静态传热过程 。系统在某一过程吸收（放出）的热量为：三、功三、功做功是能量传递和转化的又一种形式，做功是能量传递和转化的又一种形式， 功是过程量。功是过程量。 Date5大学物理 I 曹颖准静态过程中功的计算准静态过程中功的计算 元功元功系统对外做正功 系统对外做负功总功总功几何意义：曲线下面积Date6大学物理
3、I 曹颖3、做功或热传递都能改变系统的内能， 但二者又有区别。2、A、Q为过程量；要点再现要点再现功是由于系统发生整体宏观位移而被传递或转化的能量，这与传热机理是不同的。 1、 E为状态量；Date7大学物理 I 曹颖说明 1) 适用范围热力学系统。初、末态为平衡态的 过程。 2) 对微小过程：3) 热功的转换是靠系统实现的。15.2 15.2 热力学第一定律热力学第一定律E1 E2Q QA ADate8大学物理 I 曹颖单位均用焦耳（单位均用焦耳（J J ）表示。表示。4）应用：系统吸热系统放热系统做正功系统做负功符号QA增加减少5）热力学一定律的又一种表述：第一类永动机不可能制造成功。Da
4、te9大学物理 I 曹颖15. 3 15. 3 热力学第一定律、等值过程的应用热力学第一定律、等值过程的应用一、等容过程一、等容过程 气体容积保持不变气体容积保持不变 ( (dVdV = 0 )= 0 ) 等容过程中的功等容过程中的功 A A = 0 = 0 （dVdV = 0= 0） 等容过程内能等容过程内能（微小过程）（微小过程）（有限过程）（有限过程） 内能仅与始末态温度有关。内能仅与始末态温度有关。Date10大学物理 I 曹颖 等容过程的热量等容过程的热量由由 有有（定容摩尔热容量）（定容摩尔热容量）（微小）（微小）（有限）（有限）系统吸收的热量全部增加气体的内能。系统吸收的热量全部
5、增加气体的内能。Date11大学物理 I 曹颖二、等压过程二、等压过程 系统压强保持不变系统压强保持不变 ( (P P = = 常数，常数，dPdP = 0 ) = 0 ) 等压过程中的功等压过程中的功 Date12大学物理 I 曹颖 内能内能 热量热量定压摩尔热容：定压摩尔热容：Date13大学物理 I 曹颖例例1 1、刚性双原子分子的理想气体在刚性双原子分子的理想气体在等压等压下膨胀下膨胀 所作的功为所作的功为A A，则传递给气体的热量为多少？内则传递给气体的热量为多少？内 能变化为多少？能变化为多少？分析：等压过程有：分析：等压过程有：或或Date14大学物理 I 曹颖三、等温过程三、等
6、温过程 系统温度保持不变系统温度保持不变 ( (T T = =常数，常数，dTdT = 0 ) = 0 ) 等温过程中的功等温过程中的功 元功：元功：总功：总功：Date15大学物理 I 曹颖 内能内能 热量热量系统吸收热量全部转换成功系统吸收热量全部转换成功Date16大学物理 I 曹颖一、定容摩尔热容一、定容摩尔热容C CV V单原子理想气体：单原子理想气体：双原子理想气体：双原子理想气体：多原子理想气体：多原子理想气体：15.4 15.4 气体摩尔热容气体摩尔热容 二、定压摩尔热容二、定压摩尔热容C CP P三、比热比三、比热比Date17大学物理 I 曹颖特征：特征：一、绝热过程的功一
7、、绝热过程的功二、绝热方程二、绝热方程将将 两边微分两边微分15.5 15.5 绝绝 热热 过过 程程Date18大学物理 I 曹颖由由（a a） （b b）可得：可得：用用C CV V除上式得：除上式得：由由Date19大学物理 I 曹颖三、绝热线三、绝热线 P P与与V V的关系曲线的关系曲线 在在A A点斜率点斜率说明自说明自A A 膨胀相同体膨胀相同体 积积dV dV 时时， 压强变化压强变化等温：等温： 绝热：绝热： Date20大学物理 I 曹颖过程过程等容等容等压等压等温等温绝热绝热dVdV=0=0dPdP=0=0dTdT=0=0Q Q=0=00 00 0特点特点 一定律一定律过
8、程方程过程方程P P/ /T T=C=CV V/ /T T=C=CPVPVC C特点：特点：1 ) 1 ) E E状态量。状态量。2 2）过程量。过程量。3 3）A A0 0Date21大学物理 I 曹颖例例2 2、已知：已知：T T1 1、T T2 2为两等为两等 温线，温线，2 2 0 0的过程为绝热的过程为绝热 过程。过程。指出：指出：1 10 0、3 30 0 的过程是吸热还是放热。的过程是吸热还是放热。 解：如图，三个过程温度解：如图，三个过程温度 升高相同，故升高相同，故 2 20 0是绝热过程，是绝热过程，由功的几何意义得：由功的几何意义得：放热过程。放热过程。 吸热过程。吸热过
9、程。T T1 1T T2 2P PV V3 2 13 2 10 0Date22大学物理 I 曹颖15. 6 15. 6 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 一、循环过程一、循环过程 （系统）从某态经历一系列变化过程又回（系统）从某态经历一系列变化过程又回 到初态的（周而复始的）过程。到初态的（周而复始的）过程。 P P- -V V 图上为一闭合曲线。图上为一闭合曲线。 1 1）特性：）特性：2 2）循环过程有正、逆之分。）循环过程有正、逆之分。 3 3）循环过程的功：）循环过程的功：A A净净净面积净面积a ab bc cP PV VDate23大学物理 I 曹颖（工作原理示意图）高温热源高温
10、热源低温热源低温热源系统系统A A热机：热机：利用工作物质，利用工作物质，不断地不断地把热转化为功的装把热转化为功的装 置。其循环为正循环。置。其循环为正循环。A A净净 0 0Date24大学物理 I 曹颖冷凝塔发电机水泵除尘器涡轮传送带锅锅炉空气碾磨机烟筒水管喷射给水器现代火力发电厂结构示意图Date25大学物理 I 曹颖工作物质不断的从某一热源取出热量，获工作物质不断的从某一热源取出热量，获 得低温的装置。得低温的装置。热机效率：热机效率：其中：其中：制冷机：制冷机：其循环的闭合曲线是逆时针方向。其循环的闭合曲线是逆时针方向。1）各符号的意义。2）均为绝对值。Date26大学物理 I 曹
11、颖氨A实例：电冰箱的工作原理 (工质：氨、氟利昂)Date27大学物理 I 曹颖制冷系数制冷系数：一次循环向高温热源放出热量：一次循环向高温热源放出热量：一次循环向低温热源吸收热量：一次循环向低温热源吸收热量A A：外界对系统做净功外界对系统做净功高温热源高温热源低温热源低温热源系统系统A A外外Date28大学物理 I 曹颖例例4 4、1 1摩尔单原子理想气体，且摩尔单原子理想气体，且V V2 2=2=2V V1 1。求此循求此循 环效率。环效率。 解：解：等温等温0 0P P A AC CB BDate29大学物理 I 曹颖例例5 5、已知：双原子分子的已知：双原子分子的 理想气体，求：理
12、想气体，求： ）一次循环系统吸热；）一次循环系统吸热； ）一次循环系统放热；）一次循环系统放热； ）热机的效率。）热机的效率。解：解：绝热绝热0 01 13 32.22.21 1V/10V/10-3-3mm3 3P(10P(105 5Pa)Pa)A AB BC C2 2Date30大学物理 I 曹颖【例【例6 6】b bV/10V/103 3m m3 34 412122 24 4P P a ac cd d已知：已知：一定质量的一定质量的 单原子分子理想气体单原子分子理想气体 试求：试求：）一次循环）一次循环 系统所做的净功；系统所做的净功； ）循环效率。）循环效率。 解：解：Date31大学物
13、理 I 曹颖【例【例7 7】 1 1molmol双原子分子理想气体双原子分子理想气体 已知：已知：T T2 2=2T=2T1 1,V,V3 3=8V=8V1 1, ,求求) )各过程的各过程的 ) ) 解：解：P PV V3 30 0V V1 1V V2 2P P1 11 1 3 3绝热绝热等温等温2 2P P2 2Date32大学物理 I 曹颖二、卡诺循环二、卡诺循环1824年卡诺（法国工程 师17961832）提出了一个 能体现热机循环基本特征的 理想循环。后人称之为卡诺 循环。高温热源高温热源低温热源低温热源本节讨论以理想气体为工作物质的卡 诺循环、由4个准静态过程（两个等温、 两个绝热
14、）组成。Date33大学物理 I 曹颖卡诺循环效率的计算卡诺循环效率的计算 由两个等温过程和两个绝热过程组成。由两个等温过程和两个绝热过程组成。卡诺热机：卡诺热机：等于等于abcdaabcda面积面积卡诺循环效率卡诺循环效率Date34大学物理 I 曹颖由由 卡诺热机有两个热源。卡诺热机有两个热源。 与与T T1 1、T T2 2温差有关，与工作物质无关。温差有关，与工作物质无关。 Date35大学物理 I 曹颖卡诺制冷机：卡诺制冷机： 制冷系数制冷系数Date36大学物理 I 曹颖例例4 4、一可逆卡诺热机低温热源的温度为一可逆卡诺热机低温热源的温度为7 70 0C C ，效效 率为率为40
15、40；若将效率提高到；若将效率提高到5050，则高温热源温，则高温热源温 度需提高几度？度需提高几度？Date37大学物理 I 曹颖15.7 15.7 热力学第二定律热力学第二定律解决与热现象有关过程方向性问题。解决与热现象有关过程方向性问题。 独立于热力学第一定律的基本定律。独立于热力学第一定律的基本定律。一、热力学第二定律的表述 1、开尔文表述：不可能制造一种不可能制造一种循环动作循环动作的热机，只从一个的热机，只从一个 热源吸收热量，使之完全变成有用的功，热源吸收热量，使之完全变成有用的功，其他物其他物 体不发生任何变化。体不发生任何变化。第二类永动机(单源热机）不可能造成。Date38大学物理 I 曹颖热力学第二定律是关于自然过程方向的一 条基本的普遍定律，它是较热力学第一定律层 次更深的定律。2、克劳修斯表述： 热量不能自动地从低温物体传到高温物体。二、两种表述的等价性二、两
