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1、第五章第五章热力学基础热力学基础15 热力学基础5-0 5-0 第五章教学基本要求第五章教学基本要求5-1 5-1 热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用5-2 5-2 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环第五章第五章 热力学基础热力学基础5-3 5-3 热力学第二定律热力学第二定律25 热力学基础教学基本要求教学基本要求 一、理解准静态过程及其图线表示法一、理解准静态过程及其图线表示法. .二二、理理解解热热力力学学中中功功和和热热量量的的概概念念及及功功、热热量量和和内内能能的的微微观观意意义义，会会计计算算体体积积功功及及图图示示. . 会会计计算算理理想想气气体体的的定定压压和和定定体
2、体摩摩尔热容尔热容. . 三三、掌掌握握热热力力学学第第一一定定律律，能能分分析析计计算算理理想想气气体体等等体体、等等压压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量. .四四、了了解解循循环环过过程程的的特特征征和和热热机机效效率率的的定定义义，了了解解卡卡诺诺循循环环的的组组成成和和特特点点，会会计计算算以以理理想想气气体体为为工工质质的的卡卡诺诺循循环环的的效效率率，了了解热机效率的限度及提高热机效率的途径解热机效率的限度及提高热机效率的途径. .五五、了了解解热热力力学学第第二二定定律律的的两两种种表表述述及及其其等等价价性性，了了解解自自然然过
3、过程程的的方方向向性性及及可可逆逆过过程程和和不不可可逆逆过过程程，了了解解热热力力学学第第二二定定律律的的实质实质. .35 热力学基础5-1 热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用预习要点预习要点1.注意功、热量、内能的概念以及作功与传热的异同注意功、热量、内能的概念以及作功与传热的异同.2.热力学第一定律的内容、物理实质及数学表达式是热力学第一定律的内容、物理实质及数学表达式是什么什么?3.什么是准静态过程？写出气体在准静态过程中作功什么是准静态过程？写出气体在准静态过程中作功的一般表达式的一般表达式.4.理想气体等体、等压、等温和绝热过程各有什么特理想气体等体、等压、等温和绝热过程各
4、有什么特征征? 注意用热力学第一定律计算各过程的热量、功注意用热力学第一定律计算各过程的热量、功及内能变化的方法及内能变化的方法.45 热力学基础一、内能、热量和功一、内能、热量和功1. 理想气体内能理想气体内能 系统内能的增量只与系统始末系统内能的增量只与系统始末状态状态有关，与系统有关，与系统所经历的过程无关所经历的过程无关.2. 功功 气气体体分分子子热热运运动动各各种种动动能能与与分分子子间间相相互互作作用用势势能能的的总总和和. 内内能能是是表表征征系系统统状状态态的的单单值值函函数数。理理想想气气体体的的内内能仅是温度的函数能仅是温度的函数. 由于压力差导致外界物体有规则运动与系统
5、内分由于压力差导致外界物体有规则运动与系统内分子无规则热运动的能量传递子无规则热运动的能量传递. 其通过系统与外界物体其通过系统与外界物体之间产生宏观的相对位移来完成之间产生宏观的相对位移来完成. 55 热力学基础功与系统状态变化过程有关，功与系统状态变化过程有关， 是一个过程量是一个过程量.3. 热量热量 由于温度差导致系统外分子无规则热运动与系统由于温度差导致系统外分子无规则热运动与系统内分子无规则热运动的能量传递内分子无规则热运动的能量传递. 其通过系统与外部其通过系统与外部边界处分子间的碰撞完成边界处分子间的碰撞完成. 热量与系统状态变化过程有关，热量与系统状态变化过程有关， 是一个过
6、程量是一个过程量.65 热力学基础（1）过程量：都与过程有关；）过程量：都与过程有关；（2）等效性：改变系统热运动状态的作用效果相同）等效性：改变系统热运动状态的作用效果相同. 分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动热量热量（3）功与热量的物理本质不同）功与热量的物理本质不同 .功与热量的异同功与热量的异同分子热运动分子热运动功功宏观运动宏观运动75 热力学基础二、热力学第一定律二、热力学第一定律 系统从外界吸收的热量系统从外界吸收的热量, 一部分使系统的内能增一部分使系统的内能增加加, 另一部分使系统对外界作功另一部分使系统对外界作功 .3. 热力学第一定律对微小过程的应用热力学第一定律对
7、微小过程的应用2. 第一定律的符号规定第一定律的符号规定1. 热力学第一定律热力学第一定律+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作功系统对外界作功外界对系统作功外界对系统作功85 热力学基础三、准静态过程中气体的功三、准静态过程中气体的功1. 准静态过程准静态过程12 准准静静态态过过程程中中气气体体的的各各状状态态参参量量都都有有确确定定的的值值，可可在在 p-V 图图上上作作出出连连续续的的过程曲线过程曲线. . 从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作态均可近似当作平衡态平衡态的过程的过程.2
8、. 2. 气体作功的计算气体作功的计算 设想汽缸内的气体进行设想汽缸内的气体进行无摩擦的准静态膨胀过程无摩擦的准静态膨胀过程.95 热力学基础由功的定义：由功的定义： 功的大小等于功的大小等于在在在在p-Vp-V图图图图中曲线下的面积中曲线下的面积中曲线下的面积中曲线下的面积. . 以以S表示活塞的面积，表示活塞的面积，p表示气体的压强，表示气体的压强，dl表示一表示一微小位移微小位移.3. 3. 准静态微元过程能量关系准静态微元过程能量关系105 热力学基础四、准静态过程中热力学第一定律的应用四、准静态过程中热力学第一定律的应用1. 等体过程等体过程 摩尔定容热容摩尔定容热容热力学第一定律热
9、力学第一定律特性特性 常量常量过程方程过程方程 常量常量115 热力学基础摩尔定容热容摩尔定容热容: 在体积不变的条件下在体积不变的条件下, 1mol 的理想气体的理想气体温度升高（或降低）温度升高（或降低）1K时吸收时吸收(或放出或放出) 的热量的热量.单位单位热力学第一定律热力学第一定律可得可得1mol 理想气体理想气体由由物质的量物质的量 为为 的理想气体的理想气体125 热力学基础2. 等压过程等压过程 摩尔定压热容摩尔定压热容过程方程过程方程 常量常量热力学第一定律热力学第一定律特特 性性 常量常量所作的功：所作的功：12摩尔定压热容摩尔定压热容: 1mol 理想气体在等压过程中温度
10、升理想气体在等压过程中温度升高高1K时吸收的热量时吸收的热量.1mol 理想气体理想气体135 热力学基础可得可得称为称为迈耶公式迈耶公式.物质的量物质的量 为为 的理想气体的理想气体145 热力学基础3. 等温过程等温过程热力学第一定律热力学第一定律12特征特征 常量常量过程方程过程方程常量常量由由155 热力学基础ab例例：如如图图所所示示，使使1mol氧氧气气（1）从从状状态态a等等温温变变化化到到状状态态b；（2）从从a等等体体变变化化到到状状态态 c，再再等等压压变变化化到到b. 试试分分别别计计算算气气体体所所做做的的功功及及吸吸收收的热量的热量. 解：解：（1）从从a等温变化到状
11、态等温变化到状态b气体吸收的热量等于其对外所作的功：气体吸收的热量等于其对外所作的功：165 热力学基础（2） a- c- b过程过程因因 ，有有因因a- c为等体过程，为等体过程，其中其中故有故有由热力学第一定律由热力学第一定律a- c- b过程中气体吸收的总热量为过程中气体吸收的总热量为ab175 热力学基础4. 4. 绝热过程绝热过程 绝热过程是系统在和外界无绝热过程是系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程热量交换的条件下进行的过程. 特征特征对于理想气体对于理想气体12由理想气体的物态方程，由理想气体的物态方程，两边微分两边微分（1）（2）185 热力学基础令令得到得到对上式积分：对
12、上式积分：或或由理想气体的物态方程，得到由理想气体的物态方程，得到都称为理想气体的都称为理想气体的绝热方程绝热方程.（1）、（2）消去消去dT得得则则（热容比）（热容比）195 热力学基础 绝热线和等温线绝热线和等温线 绝绝热热线线比比等等温温线线更更陡陡些些，如如图图所所示示。这这是是因因为为在在等等温温过过程程中中，压压强强的的变变化化仅仅是是由由体体积积的的变变化化所所引引起起，而而在在绝绝热热过过程程中中，压压强强的的变变化化不不仅仅是是由由体体积积的的变变化化，同同时时还还由由温温度度的的变变化化共共同同引引起起的的，所所以以系系统统压压强强的的变化更为显著。变化更为显著。绝热线：绝
13、热线：等温线：等温线：pVo绝热过程绝热过程等温过程等温过程205 热力学基础215 热力学基础5-2 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环预习要点预习要点1.循环过程有什么特征循环过程有什么特征? 热机效率是怎样规定的？热机效率是怎样规定的？2.什么是卡诺循环什么是卡诺循环? 卡诺循环的效率取决于哪些因素？卡诺循环的效率取决于哪些因素？225 热力学基础一、循环过程一、循环过程 系统经过一系列状态变化过程后，又回到原来的系统经过一系列状态变化过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程状态的过程叫热力学循环过程 . 热力学第一定律热力学第一定律（取绝对值）取绝对值）净功净功特征特征AB总吸热
14、总吸热总放热总放热235 热力学基础二、热机效率二、热机效率热机就是把热机就是把热能转换成机械能热能转换成机械能的装置的装置. 热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源另一部分放到低温热源.热机热机高温热源高温热源低温热源低温热源 热热机机的的效效率率是是在在一一次次循循环环中中工工质质对对外外所所作作的的净净功功占占它它从从高高温温热热库库吸收的热量的比率吸收的热量的比率.245 热力学基础三、三、卡诺循环卡诺循环 卡卡诺诺循循环环是是由由两两个个准准静静态态等等温温过过程程和和两两个个准准静静态态绝绝热热过过程程组组成成，工工质质
15、仅仅和和两两个个热热源源交交换换热热量量，循循环环工工作作物物质为理想气体质为理想气体.WABCDA B ：使使汽汽缸缸和和温温度度为为T1 的的高高温温库库接接触触，气气体体等等温温膨膨胀，胀，体积由体积由V1增到增到V2，它从高温库中，它从高温库中吸收热量吸收热量Q1B C ：气体做绝热膨胀，体：气体做绝热膨胀，体积变为积变为V3，温度降到，温度降到T2255 热力学基础C D：使使汽汽缸缸和和温温度度为为T2的的低低温温库库接接触触，使使气气体体等等温温压压缩缩，体体积积由由V3减减小小到到V4，气气体向低温库中体向低温库中放出热量放出热量Q2D A ：沿沿绝绝热热线线压压缩缩气气体体，
16、直直到到它它回回到到起起始始状状态态A，体体积积变为变为V1, 完成一个循环完成一个循环.WABCD265 热力学基础卡诺卡诺循环的效率：循环的效率：由由得得代入上式代入上式275 热力学基础讨讨 论论1. 卡诺机必须有高温和低温两个热源卡诺机必须有高温和低温两个热源. 3. 热机效率不能大于热机效率不能大于 1 或等于或等于 1，只能小于，只能小于 1 .4. 一一切切实实际际热热机机的的效效率率不不可可能能大大于于 ，尽尽可可能能提提高高高高温温热热源源的的温温度度，加加大大高高、底底温温热热源源之之间间的的温温差差是是提提高高热机效率的有效途径热机效率的有效途径.2. 卡诺热机卡诺热机效
17、率效率 与工作物质无关与工作物质无关，只与两个热源的只与两个热源的温度有关温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高高 . 285 热力学基础5-3 热力学第二定律热力学第二定律预习要点预习要点1.注意准确理解热力学第二定律两种表述的内容注意准确理解热力学第二定律两种表述的内容.2.什么是可逆过程和不可逆过程什么是可逆过程和不可逆过程? 3.注意理解热力学第二定律的实质并了解其统计意义注意理解热力学第二定律的实质并了解其统计意义.295 热力学基础一、一、热力学第二定律两种表述热力学第二定律两种表述根据实践经验的总结得出根据实践经验的总结得出:开开尔
18、尔文文表表述述：不不可可能能制制造造出出这这样样一一种种循循环环工工作作的的热热机机，它它只只从从单单一一热热源源吸吸热热来来作作功功，而而不不放放出出热热量量给给其其他他物物体体，或或者者说说不不使使外外界界发发生生任任何何变变化化. 即即经经历历循循环环将热全部转变为功的过程是不可能的将热全部转变为功的过程是不可能的.或或第二类永动机（单热源热机）不能制成第二类永动机（单热源热机）不能制成.克劳修斯说法：克劳修斯说法：热量不能自动从低温物体传向高温热量不能自动从低温物体传向高温物体物体. 热力学第二定律两种表述的实质是相同的，都指热力学第二定律两种表述的实质是相同的，都指明了自然界某些实际
19、过程进行的方向性明了自然界某些实际过程进行的方向性. 305 热力学基础 热力学第二定律的两种表述是热力学第二定律的两种表述是等效的等效的，用反证，用反证法可以证明这两种表述的等效性。法可以证明这两种表述的等效性。 由功变热过程的不可逆性推断热传导过程的不由功变热过程的不可逆性推断热传导过程的不可逆性。可逆性。RSR+SQQ2Q2Q2Q+Q2W高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1(a)(b)315 热力学基础 假如开尔文表述不成立，我假如开尔文表述不成立，我们可以制作一个热机们可以制作一个热机 R ，只从，只从高温热源高温热源T1吸取热量吸取
20、热量 Q ，并全，并全部转变为功部转变为功 W。 利用功去推动利用功去推动制冷机制冷机 S，S在一个逆循环中将在一个逆循环中将从低温热源从低温热源T2吸取热量吸取热量 Q2，并，并向高温热源向高温热源T1释放热量释放热量 Q2 + W = Q2 + Q ，如图，如图 (a) 。 RSQQ2Q+Q2W低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1(a) 将将R和和S组组合合起起来来，组组合合体体将将从从T2吸吸取取热热量量Q2，向向T1释释放放热热量量Q+Q2Q=Q2，除除此此之之外外不不发发生生任何其他变化，如图任何其他变化，如图 (b)。R+SQ2Q2高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T
21、2(b)325 热力学基础 可见，假如克劳修斯表述不成立，即热量可见，假如克劳修斯表述不成立，即热量Q2自动自动地从低温热源地从低温热源T2传向了高温热源传向了高温热源T1。 由热传导过程的不可逆性推断功变热过程的不由热传导过程的不可逆性推断功变热过程的不可逆性。可逆性。ZKZ+KQQ2Q-Q2A高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1(a)(b)QQA335 热力学基础 假如克劳修斯表述不成立，我假如克劳修斯表述不成立，我们可以制作一个装置们可以制作一个装置 Z ，低温热，低温热源源T2 的热量的热量Q 自动地传向高温热自动地传向高温热源源T1
22、。在。在T1和和T2之间设计一个卡之间设计一个卡诺热机诺热机K，它在一个循环中从，它在一个循环中从 T1吸取热量吸取热量 Q，一部分用于对外界，一部分用于对外界作功作功W，另一部分，另一部分Q2被释放到被释放到 T2。ZKQQ2W低温热源低温热源 T2高温热源高温热源 T1(a)QQ 如果将如果将Z和和K组合起来，这个组组合起来，这个组合合体体将将只只从从低低温温热热源源T2吸吸取取热热量量Q- -Q2，并完全转变为对外界作功，并完全转变为对外界作功W，如如图图 (b)所所示示。这这就就是是说说开开尔文表述也不成立了尔文表述也不成立了。Z+KQ-Q2高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2
23、(b)A345 热力学基础二、可逆过程和不可逆过程二、可逆过程和不可逆过程 可可逆逆过过程程: 在在系系统统状状态态变变化化过过程程中中, 如如果果逆逆过过程程能能重重复复正正过过程程的的每每一一状状态态回回到到初初态态, 而而不不引引起起其其他他变变化化, 这样的过程叫做可逆过程这样的过程叫做可逆过程 .不不可可逆逆过过程程：在在不不引引起起其其他他变变化化的的条条件件下下，不不能能使使逆逆过过程程重重复复正正过过程程的的每每一一状状态态，或或者者虽虽能能重重复复但但必必然然会引起其他变化，会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程这样的过程叫做不可逆过程. 可可逆逆过过程程的的条条件件是是准
24、准静静态态过过程程，且且无无摩摩擦擦力力、粘粘滞滞力力或或其其他他耗耗散散力力作作功功，无无能能量量耗耗散散.（作作功功无无摩摩擦擦、传热无温差的准晶态过程）传热无温差的准晶态过程）355 热力学基础三、自然过程的方向三、自然过程的方向通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的通过摩擦而使功变热的过程是不可逆的.例如：飞轮转动、焦耳实验（重物下落）例如：飞轮转动、焦耳实验（重物下落）.1 自然界里的功热转换过程具有方向性自然界里的功热转换过程具有方向性.2 热热量量由由高高温温物物体体自自动动地地传传向向低低温温物物体体的的过过程程即即热热传导过程传导过程是不可逆的是不可逆的. 作功可全部转换为热；但
25、经历循环，热不可能全作功可全部转换为热；但经历循环，热不可能全部变成功部变成功. 热传导过程具有方向性，热可以从高温物体自动热传导过程具有方向性，热可以从高温物体自动传向低温物体，但热不能有低温物体自动传向高温物传向低温物体，但热不能有低温物体自动传向高温物体体.365 热力学基础3. 气体的绝热自由膨胀气体的绝热自由膨胀气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的气体向真空中绝热自由膨胀的过程是不可逆的. 以以上上三三个个典典型型的的实实际际过过程程都都是是按按一一定定的的方方向向进进行行的的，是是不不可可逆逆的的. 相相反反方方向向的的过过程程不不能能自自动动地地发发生生，或者说，可以发生，但必然产生其他后果或者说，可以发生，但必然产生其他后果. 一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，这就是热力学第二定律的实质这就是热力学第二定律的实质.375 热力学基础
