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1、- 第 6章 热力学基础 6.1 热力学第一定律 6.2 理想气体等值过程和绝热过程 6.3 循环过程 6.4 热力学第二定律 6.5 熵 熵增加原理 6.6 热力学第二定律的统计意义 玻尔兹曼熵 - 以观察和实验为依据，从能量的观点来说明热、功等基本概念，以及他们之间相互转换的关系和条件。 - 6.1 热力学第一定律 一、内能 功和热量 实际气体内能：所有分子热运动的动能和分子势能的总和。 内能是状态量 : E = E(T,V ) 理想气体内能 : RTiM MEm o l 2是状态参量 T的单值函数。 系统内能改变的两种方式 1.做功可以改变系统的状态 摩擦升温（机械功）、电加热（电功）
2、功是过程量 - 作功是系统热能与外界其它形式能量转换的量度。 2. 热量传递可以改变系统的内能 热量是过程量 热量是系统与外界热能转换的量度。 使系统的状态改变，传热和作功是等效的。 - 二、准静态过程 当热力学系统在外界影响下，从一个状态到另一个状态的变化过程，称为热力学过程，简称过程。 热力学过程 准静态过程 非静态过程 准静态过程： 系统从一平衡态到另一平衡态，如果过程中所有中间态都可以近似地看作平衡态的过程。 1. 准静态过程是理想化过程 非平衡态 快 无限缓慢 接近平衡态 - 如何判断“无限缓慢”？ 弛豫时间 : 系统从一个平衡态变到相邻平衡态所经过的时间 平衡破坏 新的平衡 t过程
3、 ：过程就可视为准静态过程 所以无限缓慢只是个 相对 的概念。 非静态过程： 系统从一平衡态到另一平衡态，过程中所有中间态为非平衡态的过程。 2. 准静态过程可用 过程曲线 来表示 等温线 等压线 等容线 p V图 p 0 V p V图上，一点代表一个平衡态，一条连续曲线代表一个准静态过程。 - 三、准静态过程的功与热量 1.体积功 S p dl 当活塞移动微小位移 dl时， 系统对外界所作的元功为： dA = Fdl = pSdl = pdV 21VV pdVAdV0,dA0系统对外界作正功 dV0，放热， Q0，外界对系统做功， A0,内能减少 E 1 AAA VpdVdp AAAT Vp
4、dVdp 即绝热线要徒一些。 - 物理方法 Tknp P V A(PAVA T) 绝热线 等温线 (P2V2 T) (P3V2 T3) V1 V2 P 从 A点沿等温膨胀过程 V np （注意绝热线上各点温度不同） 从 A点沿绝热膨胀过程 V np 且因绝热对外做功 E T p p3 0 逆循环 : W净 0 净 吸热 Q净 = Q1 - Q2 热一定律 Q1 Q2 W净 0 正循环过程 是通过工质 将吸收的热量 Q1中的一部分转化为有用功 W净 ，另一部分热量 Q2放回给外界 . 热机： 就是在一定条件下，将热转换为功的装置 热机效率 1QW 净121QQ由于 Q与过程有关， 与过程有关 -
5、 a b c d Va Vc V 0 p W净 Q1 Q2 逆循环 : 系统循环一次 净 功 W净 0 净 放热 Q净 = Q2 Q1 热一定律 Q2 Q1 W净 0 工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源。 致冷系数 : 2122| QQQWQe 净- 奥托循环 - 例 6-3内燃机的一种循环叫作奥托 (Otto)循环，其工质为燃料与空气的混合物，利用燃料的燃烧热产生巨大压力而做功图615为一内燃机结构示意图和它作四冲程循环的 pV图其中(1)ab为绝热压缩过程； (2)bc为电火花引起燃料爆炸瞬间的等容过程； (3)cd为绝热膨胀对外做功过程； (4)da为打
6、开排气阀瞬间的等容过程在 bc过程中工质吸取燃料的燃烧热 Q1， da过程排出废气带走了热量 Q2，奥托循环的效率决定于汽缸活塞的压缩比 V2/V1，试计算其热机效率 - 解 气体在等容升压过程 bc中吸热 Q1，在等容降压过程 da中放热Q2， Q1和 Q2大小分别为 热机效率为 1 = ( )V m c bm o lMQ C T TM ， 2 = ( )V m d am o lMQ C T TM ，2111 dacbTTQQ T T 因为 cd和 ab均为绝热过程 1112cdT V T V 1112baT V T V 两式相减，得 1112( ) ( )c b d aT T V T T
7、V 121cbdaTT VT T V 得 - 于是得 12111VV 111 令 称为压缩比，则有 21VV - 冰箱循环示意图 - 三 .卡诺循环 工质在两个恒定的热源 (T1 T2)之间工作的准静态循环过程。由 等温膨胀，绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩 四个过程组成。 p d a b c Q2 Q1 0 V1 V4 V2 V3 v T1 T2 1.卡诺热机 等温线上吸热和放热 1211 ln VVRTMMQm o l4322 ln VVRTMMQm o l两条绝热线 132121 VTVTcb111142 VTVTad 4312VVVV - 121QQQ 121432121VVlnRTMMV
8、VlnRTMMVVlnRTMMm o lm o lm o l12121 1TTTTT (1)要完成一次卡诺循环必须有温度一定的高温和低温两个热源； (2)卡诺循环的效率只与两个热源温度有关； T1， T2 ， 实际上是 T1 (3) T1,T2 0，故 不可能等于 1或大于 1 (4)可以证明：在相同高温热源和低温热源之间工作的一切热机中，卡诺热机的效率最高 - 2.卡诺致冷机 p d a b c Q2 Q1 0 V1 V4 V2 V3 v T1 T2 致冷系数 212212TTTQQQe若 T1 = 293 K(室温 ) T2 273 223 100 5 1 e 13.6 3.2 0.52
9、0.017 0.0034 可见 ,低温热源的温度 T2 越低 ,则致冷系数 e越小 , 致冷越困难。 一般致冷机的致冷系数约 : 27. - 例 6-4 一卡诺制冷机从温度为 10 的冷库中吸取热量，释放到温度为 26 的室外空气中，若制冷机耗费的功率是 1.5 kW，求 (1)每分钟从冷库中吸取的热量； (2)每分钟向室外空气中释放的热量 解 (1)根据卡诺制冷系数有 所以，从冷库中吸取的热量为 352 | | 7 . 1 1 . 5 1 0 6 0 J 6 . 3 9 1 0 JQ e W 卡 净212263 =7.1300 263TeTT(2)释放到室外的热量为 3 5 512| | 1 . 5 1 0 6 0 6 . 3 9 1 0 J 7 . 2 9 1 0 JQ W Q 净- 例 : 1mol氧气作如图所示的循环 .求循环效率 . a b c Qab Qbc Qca 等温线 0 V0 2V0 V p0 p 解 : )( abpab TTCMmQ )( bcVbc TTCMmQ 002ln VVRTMmQcca )(ln)(abpccbVTTCMmRTMmTTCMmQQ21112%.ln)( ln)( 7182 2
