《北京化工大学普通物理学8热力学第一定律.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京化工大学普通物理学8热力学第一定律.ppt（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、热热 学学 Heat第第3章章热力学第一定律热力学第一定律 热力学系统状态随时间变化的过程。热力学系统状态随时间变化的过程。热力学过程：热力学过程： 3.1 准静态过程准静态过程 quasi-static process热力学系统：工作物质热力学系统：工作物质 （气、液、固）（气、液、固）准静态过程：准静态过程： 状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。每一个中间状态都近似于平衡态。气体气体活塞活塞砂子砂子12微小变化时间微小变化时间 驰豫时间驰豫时间因内燃机气缸一次压缩时间：因内燃机气缸一次压缩时间：102秒秒则内燃机
2、气缸压缩近似为准静态过程则内燃机气缸压缩近似为准静态过程无限缓慢：无限缓慢：弛豫时间：弛豫时间：系统由非平衡态趋于平衡态所需时间系统由非平衡态趋于平衡态所需时间10-3s例例. 气缸气体的弛豫时间气缸气体的弛豫时间103s10-2s10-2s对对 “无限缓慢无限缓慢” 的实际过程的近似描述。的实际过程的近似描述。功的单位：功的单位：JpS膨胀膨胀 dV 0，dA 0压缩压缩 dV 0，dA 0系统体积由系统体积由V1增大到增大到V2，系统对外作功为系统对外作功为: 系统对外作功系统对外作功(正功正功)外界对系统作功外界对系统作功(负功负功)一、一、 功（体积变化所做的功功（体积变化所做的功 ）
3、1. 功的表示式功的表示式 3.2 功功 热量热量 内能内能热力学系统与外界传递能量的两种方式热力学系统与外界传递能量的两种方式:作功作功传热传热2. 功的图示法：功的图示法： (1) 曲线曲线AB下的面积即表示下的面积即表示系统在系统在AB过程中作的功。过程中作的功。(2) 功是与过程有关的物理量。功是与过程有关的物理量。曲线曲线AB下的面积下的面积例：例：二、热量二、热量 Heat 是传热过程中所传递能量的多少的量度；是传热过程中所传递能量的多少的量度；系统系统吸吸热热 ：系统系统放放热热 ：三、内能三、内能 Internal energy2AB1*2AB1* 实验证明系统从实验证明系统从
4、 A 状态变化到状态变化到 B 状态，可以采状态，可以采用用做功做功和和传热传热的方法，不管经过什么过程，只要始的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变末状态确定，做功和传热之和保持不变 . 系统内能的增量只与系统起始和终了状态有系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关关，与系统所经历的过程无关 . . 理想气体内能理想气体内能 : : 表征系统状态的单值函数表征系统状态的单值函数 , ,理想气体的内能仅是温度的函数理想气体的内能仅是温度的函数 . .一般气体：一般气体：1外界仅对系统作功，无传热，则外界仅对系统作功，无传热，则绝热壁绝热壁四、
5、功与内能的关系四、功与内能的关系 2绝热过程绝热过程说明说明(1) 内能的改变量可以用绝热过程中外界对系统内能的改变量可以用绝热过程中外界对系统所作的功来量度；所作的功来量度；(2) 此式给出此式给出过程量过程量与与状态量状态量的关系的关系五、五、 热量与内能的关系热量与内能的关系外界与系统之间不作功，仅外界与系统之间不作功，仅传递热量传递热量系统系统说明说明(1) 在外界不对系统作功时在外界不对系统作功时，内能的改变量也内能的改变量也 可以用外界对系统所传递的热量来度量；可以用外界对系统所传递的热量来度量；(2) 作功和传热作功和传热效果一样，本质不同效果一样，本质不同The first l
6、aw of thermodynamics：系统在任一过程中系统在任一过程中吸收的热量等于系统内能增量和系统对外作功之和。吸收的热量等于系统内能增量和系统对外作功之和。系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第一定律的符号规定第一定律的符号规定 3.3. 热力学第一定律热力学第一定律外界与系统之间不仅作功，而且外界与系统之间不仅作功，而且传递热量，则有传递热量，则有讨论讨论微小过程微小过程1、热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转、热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转换定律换定律 。它指出。它指出 第一
7、类永动机第一类永动机是不可能制成的。是不可能制成的。物理意义物理意义 第一类永动机：不需消耗内能，也不需对系统传第一类永动机：不需消耗内能，也不需对系统传热，却能不断对外作功的机器。热，却能不断对外作功的机器。2、此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经历的各状态则不一定是平衡态。于过程中经历的各状态则不一定是平衡态。结论：“要科学，不要永动机！”焦耳 例题例题 一系统由图所示状态a沿acb到达状态b，系统对外作功为126J，吸热为336J。 (1) 若在adb过程中系统作功为42J，问此过程中系统是吸热还是放热？热量是多少？ (2) 若系统从
8、b态出发，沿ba曲线返回a态时，外界对系统作功为84J。问此过程中系统是吸热还是放热？热量是多少？一、热容一、热容单位：单位：J/K热容是一个过程量。热容是一个过程量。1、定压热容定压热容（压强不变）（压强不变）2、定体热容定体热容（体积不变）（体积不变）设系统温度升高设系统温度升高 dT ，所吸收的热量为所吸收的热量为dQ系统的系统的热容：热容：三、三、理想气体的摩尔热容理想气体的摩尔热容二、摩尔热容二、摩尔热容单位：单位：J/(molK)1 1、定体摩尔热容定体摩尔热容1mol物质的物质的热容热容2、理想气体内能公式理想气体内能公式（宏观宏观）若过程中若过程中 CV,m = 常数，有常数，
9、有因定体摩尔热容为因定体摩尔热容为则对则对任意过程任意过程，理想气体内能为，理想气体内能为理想气体内能理想气体内能与体积无关！与体积无关！3、迈耶公式迈耶公式（理想气体理想气体定压和定容摩尔热容定压和定容摩尔热容的关系的关系）证明：证明：物理解释？物理解释？对理想气体，热力学第一定律可表为对理想气体，热力学第一定律可表为4、比热比比热比：5、经典热容经典热容：由经典能量均分定理由经典能量均分定理得得室温下气体的室温下气体的 值值 He 1.67 1.67 Ar 1.67 1.67 H2 1.40 1.41 气体气体 理论值理论值 实验值实验值 N2 1.40 1.40 O2 1.40 1.40
10、 CO 1.40 1.29 H2O 1.33 1.33 CH4 1.33 1.35 在绝热过程中，内能的增量仍为在绝热过程中，内能的增量仍为3.5 绝热过程绝热过程adiabatic process 特征：特征：根据热力学第一定律根据热力学第一定律：系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。良好绝热材料包围的系统发生的过程良好绝热材料包围的系统发生的过程进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程u 过程方程过程方程 对无限小的准静态绝热过程对无限小的准静态绝热过程 有有讨论：讨论：绝热膨胀绝热膨胀 对外作功对外作功 内
11、能减少内能减少温度降低温度降低绝热压缩绝热压缩 外界作功外界作功 内能增加内能增加温度升高温度升高绝热过程的绝热过程的过程方程过程方程 (1) 从数学角度：从数学角度：等温线在等温线在A点的斜率为：点的斜率为：绝热线在绝热线在A点的斜率为：点的斜率为：(2) 从物理方面：从物理方面：体积增加时，压强降低体积增加时，压强降低等温：体积增加。等温：体积增加。绝热：体积增加绝热：体积增加, ,温度降低。温度降低。从图中看出：绝热线比等温线陡些。从图中看出：绝热线比等温线陡些。绝热线绝热线等温线等温线微分微分u 过程曲线过程曲线绝热过程中绝热过程中 ，理想气体不吸收热量，系统减少的，理想气体不吸收热量
12、，系统减少的内能，等于其对外作功内能，等于其对外作功 。 u 绝热过程中功的计算绝热过程中功的计算绝热自由膨胀绝热自由膨胀非平衡态非平衡态平衡态平衡态( (初初) )非准静态过程，则非准静态过程，则PV C 不适用不适用平衡态平衡态( (末末) )服从热力学第一定律，因服从热力学第一定律，因 得得气体经绝热自由膨胀，内能不变！气体经绝热自由膨胀，内能不变！【思思考考】温度变吗？温度变吗？自由膨胀自由膨胀能量能量守恒守恒思考：思考：初态和末态温度相同初态和末态温度相同真实气体？真实气体？理气理气内能还与体积有关内能还与体积有关焦、汤实验焦、汤实验 例题例题 1.210-2kg的氦气（视为理想气体
13、）原来的温度为的氦气（视为理想气体）原来的温度为300K，作绝热膨胀至体积为原来的作绝热膨胀至体积为原来的2倍，求氦气在此过程中所倍，求氦气在此过程中所作的功。如果氦气从同一初态开始作等温膨胀到相同的体积，作的功。如果氦气从同一初态开始作等温膨胀到相同的体积，问气体又作了多少功？问气体又作了多少功？ 解：解：氦气的摩尔质量氦气的摩尔质量 Mm=410-3kg/mol, m = 1.210-2kg ,T1= 300K , V2=2V1 , CV,m=3/2R , =1.67.说明从同一初态开始膨胀相同体积，等温比绝热过程作的功多。说明从同一初态开始膨胀相同体积，等温比绝热过程作的功多。一一 、
14、循环过程循环过程循环过程的循环过程的特征特征：内能不发生变化。：内能不发生变化。 如果系统从某一平衡态开始，经过如果系统从某一平衡态开始，经过一系列一系列的变化过的变化过程，又回到初始状态，这样的周而复始的变化过程称程，又回到初始状态，这样的周而复始的变化过程称为为循环过程循环过程，简称循环。，简称循环。热力学第一定律热力学第一定律系统从外界吸收的总热量系统从外界吸收的总热量系统放出的总热量系统放出的总热量（取绝对值）取绝对值）系统对外所作净功系统对外所作净功循环过程曲线循环过程曲线abcda所包围的面积所包围的面积3.6 循环过程循环过程cyclical process正循环正循环(循环循环
15、沿顺时针方向进行沿顺时针方向进行)（系统对外作功系统对外作功）Q1Q2abVpO根据热力学第一定律，有根据热力学第一定律，有正循环正循环也称为也称为热机热机循环循环二、正循环、逆循环二、正循环、逆循环热机的效率：热机的效率：高温热源高温热源低温热源低温热源热机热机逆循环逆循环(循环沿循环沿逆时针逆时针方向进行方向进行)（系统对外作负功系统对外作负功）逆循环逆循环也称为也称为致冷致冷循环循环Q1Q2abVpO致冷机的致冷系数定义为：致冷机的致冷系数定义为： 致冷系数的意义：外界每消致冷系数的意义：外界每消耗一个单位的功能从低温热源耗一个单位的功能从低温热源吸取多少热量。吸取多少热量。高温热源高温
16、热源低温热源低温热源致冷机致冷机重要说明重要说明：在热机、制冷机部分在热机、制冷机部分 由于实际中的需要或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制冷系数写成：则热机效率和制冷系数写成：例题、例题、1mol单原子气体氖经历图示循环求其效率单原子气体氖经历图示循环求其效率解解:吸热吸热放热放热 卡卡诺诺循循环环：工工质质只只和和两两个个恒恒温温热库交换热量的准静态循环。热库交换热量的准静态循环。按卡诺循环工作的热机按卡诺循环工作的热机卡诺热机卡诺热机pVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩A243Q2等温压
17、缩等温压缩工质工质A高温热库高温热库T1Q2Q1低温热库低温热库T2以理想气体工质为例，计算以理想气体工质为例，计算卡诺循环的效率卡诺循环的效率等温膨胀等温膨胀12等温压缩等温压缩34pVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩A243Q2等温压缩等温压缩从从高温热库吸热高温热库吸热向低温热库放热向低温热库放热pVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩A243Q2等温压缩等温压缩绝热膨胀绝热膨胀23绝热压缩绝热压缩41因此因此m卡卡诺诺循循环环的的效效率率只只由由热热库库温度决定：温度决定： 以以后后将将证证明明：在在同同样样两两个个温温度度T1和
18、和T2之之间间工工作作的的各各种种工工质质的的卡卡诺诺循循环环的的效效率率都都由由上上式式给给定定，而且是实际热机的可能效率的最大值，即而且是实际热机的可能效率的最大值，即令吸令吸(放放)热为正热为正(负负)，上式，上式为为其中其中 “ ”:卡诺循环；卡诺循环；“ ”:不可逆循环。不可逆循环。“热温比热温比”之和满足之和满足:讨论讨论（1）这是完成一个循环所需的最少热源（高温热）这是完成一个循环所需的最少热源（高温热源源 和低温热源和低温热源 ）（2）提高热机效率的途径）提高热机效率的途径 或或降低降低（提高 ）即即热机效率不能达到热机效率不能达到100%（3）卡诺热机的效率）卡诺热机的效率实
19、际上约30%！例如：郑州发电厂某台机组例如：郑州发电厂某台机组则其效率为n卡诺定理卡诺定理 1、在相同的高温热源和低温热源之间工作的任何工、在相同的高温热源和低温热源之间工作的任何工作物质的作物质的可逆机可逆机，都具有，都具有相同的效率相同的效率。 2、工作在相同的高温热源和低温热源之间的、工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不一切不可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率可逆热机的效率都不可能大于可逆热机的效率。 这一定理指出要想提高热机的效率，必须提高高温这一定理指出要想提高热机的效率，必须提高高温热源的温度和降低低温热源的温度；并使热机尽量接热源的温度和降低低温热源的温度；并使热机尽
20、量接近于可逆热机。近于可逆热机。实际最高效率：实际最高效率：例例. .热电厂热电厂按卡诺循环计算：按卡诺循环计算：非卡诺循环、耗散非卡诺循环、耗散（摩擦等摩擦等）冷凝塔冷凝塔锅炉锅炉发电机发电机原因：原因： 将待冷却物体作为低温热源，反向进行热机将待冷却物体作为低温热源，反向进行热机循环，可实现循环，可实现致冷循环。致冷循环。冰箱外冰箱外冷冻室冷冻室高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2AQ1Q2工质工质致冷机致冷机Q2追求的效果追求的效果A付出的付出的“成本成本”致致冷冷系系数数：对对工工质质做做一一份份功功可从低温热源提取多少份热可从低温热源提取多少份热所所以以，吸吸热热越越多多，做做功功越越少少，制冷机性能越好。制冷机性能越好。pVT1Q11T2A243Q2卡诺致冷机卡诺致冷机致冷系数致冷系数冰箱外冰箱外冷冻室冷冻室高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2AQ1Q2工质工质 思考题思考题 试讨论理想气体经下列两图中各个过程后，试讨论理想气体经下列两图中各个过程后， E、 T、A 和和Q 的正负：的正负：热力学第二定律热力学第二定律下次上课内容：下次上课内容：
