《热力学基础--课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学基础--课件（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,5 偏离平衡态气体的迁移现象,粘滞、热传导和扩散现象迁移现象,一、粘滞现象,管道内气体流动时流速的分布,内摩擦力或粘滞力,理论计算给出,2,从宏观来看两相邻流层互施粘滞力,从微观上看,流动动量增大,流动动量减小,由于热运动的原因：,上方分子带着较大的流动动量移动到面元dS下方,下方分子带着较小的流动动量移动到面元dS上方,相当于两气层之间互施粘滞力,气体内摩擦现象是气体内部分子定向动量的输运所形成,宏观上,3,在dt 时间内通过dS传递的热量,热传导,二、热传导,4,从宏观来看两相邻气体层之间有热量传递,从微观上看 （设dT/dy0）,下方分子带着较小的平均动能移动到面元dS上方,上方分子
2、带着较大的平均动能移动到面元dS下方,热运动的原因：,温度降低,温度上升,宏观上,相当于两气层之间的热传导,气体内的热传导是分子热运动能量的输运所形成的,5,三、扩散,温度一定情况下，容器中两种不同气体，各自气体的分子数密度不均匀。但总分子数密度n=n1+n2均匀。且两种气体分子质量相等,气体中没有压强差没有宏观的气体流动,在dt 时间内通过dS从密度大的一方扩散到密度小的一方的质量,扩散,自扩散,6,从宏观来看两相邻气体层之间有质量的传递,从微观上看 （设d/dy0）,dS上方、 n小在相同时间内由上穿过dS移动到下的分子数少,热运动的原因：,dS下方、 n大在相同时间内由下穿过dS移动到上
3、的分子数多,宏观上,气体质量的迁移形成气体的扩散,这种质量的迁移是分子无规则运动及密度差造成的而非由于压强差造成,气体内的扩散是分子热运动过程中质量的输运所形成的,1有哪三种常见的输运过程 2从微观上来说，它们分别是分子热运动过程中什么的输运（迁移）所形成,7,第 10 章,热力学基础 9学时,第10章可以不做的习题,8,1 热力学第一定律,1、内能.第一定律,从宏观的观点：封闭系统与外界的相互作用有两种方式：,a.热量交换,b做功,为外界对系统做功 为系统从外界吸的热量,是一个仅与过程的初末两个平衡态有关而与过程无关的量,9,系统存在着一个仅由状态决定的单值函数E,E系统的内能,规定：Q系统
4、从外界吸收的热量 A系统对外所做的功,E=E2-E1可用来度量I态和II态之间任意过程的功和热量的总和,热力学第一定律,第一定律的微分形式,10,2、功的表达式,以气体膨胀为例：,功的表达式,气体对外的元功,当活塞移动使气体体积从,气体对外的总功,讨论: (1)要求出积分值，必须知道 (2)P为系统内部活塞附近的压强。若系统经历无限缓慢的过程，则可认为是内部各点的压强（气体的状态参量） （3）dV是系统的体积变化 (4) 只有准静态过程才能用该积分式求功（？）,11,(5)PV 图,过程曲线下的面积,功为过程量,由于p0,当V2V1，气体膨胀,当V2V1，气体压缩,实际上就是外界对气体做功,过
5、程量,过程量,1与过程有关； 2有过程才会有过程量,12,若过程：先沿c1 从1 到2，又沿c2从2回到1。 功值为闭和曲线所围面积,正循环过程,逆循环过程,13,3、热量的表达式,中学知：,此物体的热容量,热容量的一般定义为：,a.与摩尔数 有关,b.与过程有关,定义 为mol热容量,定义 为定压mol热容量,为定容mol热容量,14,定义了热容量后，系统在一个微小过程中吸热由上式得：,热力学第一定律,左两式更具一般性无论准静态过程或是非准静态过程成立。,右两式给出三者关系的同时也给出Q与A 的具体表达式。但是非准静态过程积分式无效！（为什么）,15,四 热一对理想气体的应用,（一）理想气体
6、的,由定义,由定义,16,理想气体,复习,17,迈尔公式,对单原子分子气体,对刚性双原子分子气体,对非刚性双原子分子气体,对刚性多原子分子气体,18,（二）理想气体几个准静态过程中的 。,1等温过程。过程方程,由热力学第一定律：,2等容过程。过程方程,由热力学第一定律：,19,3、等压过程,由功的表达式：,由热一：,可见，不论是等容还是等压过程气体的内能总可写成以上形式！,对任意过程甚至非准静态过程，内能增量形式仍不变吗？,由热的表达式：,理想气体在任意过程中的内能增量表达式,20,4、绝热过程。 （ 过程方程吗？),例：,准静态绝热过程,理想气体向真空自由膨胀的过程可认为是一个非准静态的绝热
7、过程,对准静态的绝热过程（如a.）应有一个方程表示该过程绝热过程方程,21,下面求绝热过程方程：,绝热过程方程,比热容,显然有,22,等温过程,等容过程,等压过程,绝热过程,或,23,例 :设有一绝热容器，开始左半有1mol气体。状态为 右半为真空。当抽去隔板，气体做自由膨胀，迅速充满整个容器达到一新的平衡态，状态为,全过程有,又由于为自由膨胀,由热一有:,（等温过程？）,有,正确？,正确？,末,初,但由,24,例：活塞和气缸四周以绝热物制成,A室：,现外界缓慢推动活塞压缩A室中气体，对气体做功A。求此过程中B室中气体内能的变化EB=?,将A+B视为一个系统则系统为绝热系统。设总内能增量为E由
8、第一定律有：,（1）,（2）,因为中板导热且为准静态过程（？）故两边气体保持同温变化。设该过程温度变化为T，则,(2),(3),(4)代入（1）得,25,19-T1 课堂讨论,26,2、热力学第二定律,一、循环.卡诺循环,热机：利用热来做功的机器(蒸汽机、汽轮机、内燃机) 工质：在热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质,将工质经历一系列的变化过程回到初态这种周而复始的变化过程循环过程,以蒸汽机为例,汽缸,水泵,高温高压的蒸汽,废汽,水,打入锅炉加热使之恢复初始状态,对于每一个循环,对外的净功,净吸收热量,内能增量,27,外界对系统做净功的循环逆循环,若系统经历准静态循环，P-V图上用一个闭合曲
9、线表示,系统对外做净功的循环正循环,对任意正循环的热机，定义热机的工作效率,定义为放热,为循环过程中的净吸热,A为一个循环过程中系统对外的净功,吸收相同的热量情况下对外作的净功越大效率越大,28,单原子分子气体,双原子分子气体,29,定义为放热,为循环过程中的净吸热,正循环热机工作示意图,对逆循环热机定义致冷系数,A为一个循环过程中系统对外的净功,为从低温热源吸收的热量,为向高温热源放出的热量,为一个循环的净放热,逆循环热机工作示意图,吸收相同的热量情况下所需要外界的功越小致冷效果越好,30,下面讨论以理想气体为工质的卡诺循环,卡诺热机：由两个等温和两个绝热过程组成的正循环,系统对外作功,Q1
10、,系统对外作功 系统从外吸热,系统从外吸热,Q2,净热量 净功,循环过程,3,12等温,23绝热,34等温,41绝热,31,其中1和4态在同一条绝热线上有,2和3态在同一条绝热线上有,所以，理想气体做卡诺循环的效率,注意:对一般的循环,32,33,活塞发动机,34,现代涡轮发动机,现代涡轮喷气发动机,35,火箭发动机,火箭发动机,36,37,热机效率极限,新式苏-30喷气式战斗机,内燃机式普通摩托车机,内燃机式高速赛车,内燃机式航空母舰,内燃机式普通小轿车,靠火箭发动机推进的长征2号火箭,内燃机式或核动力潜艇,内燃机式普通邮轮,内燃机式普列车,普通内燃机,大型船舰或列车用的内燃机,现代蒸汽透平
11、机,现代喷气涡轮发动机,热机效率极限,38,致冷系数,致冷系数随着被致冷物体和环境的温度差而变化。温度差越大其致冷系数越小。,39,热泵（制冷机反向操作）,例：要保持冬天室内温度为20摄氏度，利用一台卡诺制冷机（热泵）来调节温度，假设室外温度为负20摄氏度，试计算它的制热系数，如果热泵的低温热源是地下水源，其温度为零摄氏度，此时热泵的制热系数是多少？效率提高了多少？,40,回到卡诺循环。从以上讨论可见：,1、完成一次卡诺循环必须（只须）两个热源 （高温热源和低温热源）,需三个热源,需许多个热源,3、1 除非T2=0K。但由热力学第三定律 ,0K不可能通过有限步骤达到,既然一定小于1,不可能达到
12、100%，那么max=?,2、工质为理想气体时，与T1和T2有关。,41,二、热力学第二定律,热力学第二定律：,开氏：不可能制成这样一种循环动作的热机，只从单一热源吸收热量使之完全变为有用的功（单一热源不能做功）,克氏：热量不可能自动的从低温物体传向高温物体,到底说明了什么？,功热转换过程具有方向性,热传导过程具有方向性,作为定律，它能指出任何热力学过程的方向?,肯定！,由于自然界中一切热力学过程都互相联系，由一个过程的方向性决定了另一个过程的方向性,42,如果一种实际过程的方向性消失了，其他过程的方向性也随之消失,宏观自然过程的方向性互相联系互相依存,43,热力学第二定律的实质：,这些过程称
13、为“不可逆过程”,定义：对一个由态1到态2的过程, 若存在一逆向过程不仅使系统恢复原态，且能使外界也全部恢复原样而不留下任何痕迹。这种过程可逆过程。反之为不可逆过程。,不可逆性,指明了自然界中一切自发的过程都是有方向性,可逆过程,没有留下任何痕迹,44,例:理想气体向真空自由膨胀,不可逆绝热膨胀过程,外界,得到,付出,等温压缩回到初态,系统回到初态同时外界没有留下任何痕迹,可逆等温膨胀过程,若活塞处有摩擦力，则在膨胀过程有一些热量耗散，压缩过程仍一些热量耗散，这部分热量将被“外界”得到，即使系统回到初态外界却留下“痕迹”,45,无限缓慢的无摩擦的过程即无摩擦的准静态过程是可逆过程,只有在理想情
14、况下可认为可逆过程存在,自然界中一切自发的过程都是不可逆的,可以证明：,没有摩擦、散热等,可逆过程,准静态过程,46,前已指出自然界中不可逆过程很多，如：,判断该过程进行的方向的依据为T,判断该过程进行方向的依据为,能否找到一个共同的判别标准来指明一切不可逆过程进行的方向？这便是我们要引入的“熵”的概念！,47,“熵”到底是什么？在引入熵之前先给出它的一些性质,1）“熵”是一个系统状态的单值函数。记为S。（与E一样）,2）熵是系统的“演化方向指示器”它告诉我们系统的某过程能否自发进行或加上什么条件后反应才能进行。从理论上指出了过程的方向,3)熵与能量一样具有可加性,下面给出“熵”的引入：,4)
15、“熵”与“能量”的概念一样只有熵的改变量S才有实际意义，才是可测量的,48,4 熵 熵增加原理,1、工作于相同的高温热源和相同的低温热源之间的一切可逆热机效率相等，与工质无关 2、工作于相同的高温热源和相同的低温热源之间的一切不可逆热机其效率不可能大于可逆热机效率,由卡诺定理有：,一、卡诺定理 熵的定义,49,当循环为可逆循环时有:,与Q=A+E中对Q的符号规定不一致,为统一符号： Q 系统从外界吸热。 -Q2 Q2有:,热温比,Q i 为系统从温度为Ti的热源吸收的热量,当循环为可逆循环且热源为两个时工质在一个循环过程中的热温比的和为0,50,例.一卡诺循环的热机，高温热源的温度是400K，每一循环从此热源吸收100J热量并向一低温热源放出
