热学第四章热力学第一定律.ppt

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1、1可逆与不可逆可逆与不可逆过程过程一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程准静态过程准静态过程(平衡过程平衡过程平衡过程平衡过程):过程进行得足够缓慢过程进行得足够缓慢中间状态中间状态平衡态平衡态破坏平衡所需时间破坏平衡所需时间恢复平衡所需时间恢复平衡所需时间一般的工程过程都可认为是准静态过程一般的工程过程都可认为是准静态过程准静态过程的过程曲线可准静态过程的过程曲线可以用以用p-V图来描述图来描述,图上的每图上的每一点分别表示系统的一个平一点分别表示系统的一个平衡态衡态.(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO二、二、二、二、可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程可逆与不可逆

2、过程可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程设在某一过程设在某一过程P 中中,系统从状态系统从状态A 变化到状态变化到状态B.如如果能使系统进行逆向变化果能使系统进行逆向变化,从状态从状态B 回复到初状态回复到初状态A,而且在回复到初态而且在回复到初态A 时时,周围的一切也都周围的一切也都各自恢复原各自恢复原状状,过程过程P 就称为就称为可逆过程可逆过程可逆过程可逆过程.可逆过程是一个理想过程可逆过程是一个理想过程,在在p-V 图上能够表示出图上能够表示出来的过程来的过程,可以用可逆过程的概念讨论可以用可逆过程的概念讨论.三、自发过程的方向性三、自发过程的方向性三、自发过程的方向性三、

3、自发过程的方向性一个系统在没有外界的作用下一个系统在没有外界的作用下,自发进行的过程叫自发进行的过程叫自发过程自发过程,自然界的一切自发过程都是不可逆过程自然界的一切自发过程都是不可逆过程.一、功是力学相互作用下的能量转移一、功是力学相互作用下的能量转移一、功是力学相互作用下的能量转移一、功是力学相互作用下的能量转移2功和热量功和热量二、体积膨胀功二、体积膨胀功二、体积膨胀功二、体积膨胀功 1.功功W2.示功图示功图:pV 图上过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积体积体积压压强强体积体积压压强强路径路径1路径路径2三、热量三、热量三、热量三、热量(heat)Q Q系统之间由于热相互作用而传递的

4、能量系统之间由于热相互作用而传递的能量.功来源于力学平衡被破坏功来源于力学平衡被破坏热量来源于热学平衡被破坏热量来源于热学平衡被破坏热量也是过程量热量也是过程量,与系统状态量温度差有关与系统状态量温度差有关.摩摩擦擦盛盛有有乙乙醚醚的的铁铁管管实实验验四、热功当量四、热功当量四、热功当量四、热功当量(mechanicalequivalentofheat)1卡卡=4.186焦耳焦耳传传递递热热量量和和做做功功是是能能量量传传递递的的两两种种方方式式.就就内内能能的的变变化化来来说说,外外界界对对系系统统做做功功和和传传递递热热量量是是等等效效的的.数数值等于值等于4160J的功使的功使1kg的水

5、温度升高的水温度升高1.W 与与Q比较比较U改变改变方式方式特点特点能量转换能量转换量度量度做功做功热传递热传递与宏观位移相联与宏观位移相联系系,通过非保守力通过非保守力做功实现做功实现机械机械运动运动热运动热运动 W与温差相联系，与温差相联系，通过分子碰撞实现通过分子碰撞实现热运动热运动热运动热运动 Q效果效果引起引起系统系统内能内能变化变化热力学第一定律热力学第一定律功和热量都是过程量功和热量都是过程量,而内能是状态量而内能是状态量,通过做功或传通过做功或传递热量的过程使系统的状态递热量的过程使系统的状态(内能内能)发生变化发生变化.3热力学第一定律热力学第一定律一、能量守恒与转化定律一、

6、能量守恒与转化定律一、能量守恒与转化定律一、能量守恒与转化定律 自然界一切物体都具有能量自然界一切物体都具有能量,能量有各种不同形式能量有各种不同形式,它能从一种形式转化为另一种形式它能从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给从一个物体传递给另一个物体另一个物体,在转化和传递中能量的数值不变在转化和传递中能量的数值不变.第一类永动机不可能制成！第一类永动机不可能制成！不需要外界提供能量不需要外界提供能量,但可以继但可以继续不断地对外做功的机器续不断地对外做功的机器.利用左右两侧摆杆和球的不平衡利用左右两侧摆杆和球的不平衡,系统所受力矩作用系统所受力矩作用,使轮子转动使轮子转动,达达到永动的

7、目的到永动的目的.达芬奇达芬奇(LeonardodaVinci,1452-1519)“永动机永动机”右边的重球比左边的重球离轮心更远些右边的重球比左边的重球离轮心更远些,在两边在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息.据杠杆平衡原理设计的永动机据杠杆平衡原理设计的永动机流水的落差可以推动水轮机对外提供动力流水的落差可以推动水轮机对外提供动力 右边这些球浸在水里右边这些球浸在水里,受到了水的浮力受到了水的浮力,就会被水就会被水推着向上移动推着向上移动,也就带动整串球绕上下两个轮子转动也就带动整串球绕上下两个轮子转动.利用细管子的毛细作用获得有效动力利

8、用细管子的毛细作用获得有效动力 利用磁力作用获得有效动力利用磁力作用获得有效动力 2)分子间相互作用势能分子间相互作用势能3)分子或原子内电子的能量分子或原子内电子的能量4)原子核内部能量原子核内部能量二、内能定理二、内能定理二、内能定理二、内能定理1.内能内能是状态函数是状态函数处于平衡态的处于平衡态的热力学系统热力学系统具有确定的能量具有确定的能量内能内能.(不包括系统整体运动的机械能不包括系统整体运动的机械能)热力学系统的能量包括：热力学系统的能量包括：1)分子及其组成分子的原子无规则热运动动能分子及其组成分子的原子无规则热运动动能(平动、转动平动、转动)分子及其组成分子的原子无规则热运

9、动动能分子及其组成分子的原子无规则热运动动能分子间相互作用势能分子间相互作用势能理想气体的内能：理想气体的内能：改变系统内能的两种不同方法：改变系统内能的两种不同方法：钻木取火钻木取火通过做通过做功方式功方式,将机械能转换将机械能转换为物体的内能为物体的内能.烤火烤火通过热量传递通过热量传递提高物体内能提高物体内能.2.内能定理内能定理绝热过程绝热过程焦耳发现焦耳发现:一切绝热过程中相同的内能增量所需一切绝热过程中相同的内能增量所需做的功相等做的功相等我们关心的是内能差我们关心的是内能差,而不是内能的绝对数值而不是内能的绝对数值.所以在分子物理学范畴不考虑原子核和电子的能量所以在分子物理学范畴

10、不考虑原子核和电子的能量.内能变化内能变化 U U只与初末状态有关只与初末状态有关,与所经过的过与所经过的过程无关程无关,可以在初、末态间任选最简便的过程进行可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算计算.三、热力学第一定律三、热力学第一定律三、热力学第一定律三、热力学第一定律(Firstlawofthermodynamics)本质本质:包括热现象在内的能量守恒和转换定律包括热现象在内的能量守恒和转换定律.热力学第一定律微分式：热力学第一定律微分式：微小过程微小过程Q 表示系统表示系统吸收吸收的热量的热量,W 表示系统对外所作的功表示系统对外所作的功,U(=U2-U1)表示系统内能的增量表示系统

11、内能的增量.热力学第一定律的物理意义热力学第一定律的物理意义:涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律.热力学第一定律的热力学第一定律的其他表述其他表述:第一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的.第一类永动机第一类永动机:系统不断经历状态变化后回到初态系统不断经历状态变化后回到初态,不消耗内能不消耗内能,不从外界吸热不从外界吸热,只对外做功只对外做功.违反热力学第一定律违反热力学第一定律即即：WU热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律数学运算形数学运算形式式系统从外界吸热系统从外界吸热=内能增量内能增量+系统对外界做功系统对

12、外界做功dQ=dU+dW准静态准静态：dQ=dU+pdV理想气体理想气体：微小过程微小过程：WWQ QU1U2符号规定：符号规定：系统吸收热量系统吸收热量,Q为正；系统放热为正；系统放热,Q为负为负.系统对外作功系统对外作功,W为正；外界对系统作功为正；外界对系统作功,W为负为负.系统内能增加系统内能增加,U为正；系统内能减少为正；系统内能减少,U为负为负.比热比热(specificheat):单位质量物质热容量单位质量物质热容量单位：单位：单位：单位：摩尔热容摩尔热容(Molarspecificheat):1摩尔物质的热容量摩尔物质的热容量m表示不同的过程表示不同的过程4热容量热容量焓焓在一

13、定的过程中在一定的过程中,当物体的温度升高一度时所吸收当物体的温度升高一度时所吸收的热量的热量该给定过程的该给定过程的热容量热容量(thermalcapacity):单位单位：热容量热容量系统吸收的热量系统吸收的热量摩尔热容摩尔热容比热容比热容对不同的过程有不同的热容量对不同的过程有不同的热容量热容量与摩尔热容、比热容关系热容量与摩尔热容、比热容关系定体摩尔热容定体摩尔热容:1mol理想气体在体积不变的状态下理想气体在体积不变的状态下,温温度升高一度所需要吸收的热量度升高一度所需要吸收的热量.吸收热量吸收热量内能增量内能增量一、定体热容与内能一、定体热容与内能一、定体热容与内能一、定体热容与内

14、能摩尔数摩尔数定容比热容定容比热容二、定压热容与焓二、定压热容与焓二、定压热容与焓二、定压热容与焓定义焓定义焓(enthalpy)：态函数态函数定压比热容量定压比热容量在等压过程中吸收的热量等于焓的增量在等压过程中吸收的热量等于焓的增量定压摩尔热容定压摩尔热容:1mol理想气体在压强不变的状态下理想气体在压强不变的状态下,温度升高一度所需要吸收的热量温度升高一度所需要吸收的热量.1.焦耳实验焦耳实验确定气体内能的性质确定气体内能的性质ABCA充满被压缩的气体充满被压缩的气体B真空真空C阀门阀门水水打开打开C,气体进行绝热自由气体进行绝热自由膨胀膨胀一、理想气体的内能一、理想气体的内能一、理想气

15、体的内能一、理想气体的内能5热力学第一定律对气体的应用热力学第一定律对气体的应用V变变,T不变不变,内能内能U不变不变理想气体内能仅是温度的函数理想气体内能仅是温度的函数,与体积无关与体积无关3.理想气体宏观特性理想气体宏观特性1)严格满足理想气体状态方程严格满足理想气体状态方程2)满足道耳顿分压定律满足道耳顿分压定律3)满足阿伏伽德罗定律满足阿伏伽德罗定律4)满足焦耳定律满足焦耳定律2.焦耳定律焦耳定律在相同的温度和压力下，在相同的温度和压力下，等体积的任何气体都含有等体积的任何气体都含有相同数目的分子。相同数目的分子。4.理想气体定体热容及内能理想气体定体热容及内能理想气体的内能理想气体的

16、内能5.理想气体定压热容及焓理想气体定压热容及焓6.迈耶公式迈耶公式迈耶公式迈耶公式摩尔热容比：摩尔热容比：CV,mCp,m单原子单原子He,Ar5/3=1.673R/25R/2双原子双原子H2,O27/5=1.45R/27R/2多原子多原子H2O,CO24/3=1.333R4R例例例例1.1.求求由由1.010-3kg氩氩气气,7.010-3kg氮氮气气和和9.010-3kg水水蒸蒸气气(均均可可看看作作理理想想气气体体)组组成成的的混混合合气气体体在在常常温温下下的定容摩尔热容量的定容摩尔热容量.解：解：氩气的摩尔热容：氩气的摩尔热容：氮气的摩尔热容：氮气的摩尔热容：水蒸气的摩尔热容：水蒸

17、气的摩尔热容：三种气体总摩尔数：三种气体总摩尔数：二、理想气体的等值过程二、理想气体的等值过程二、理想气体的等值过程二、理想气体的等值过程1.等体过程等体过程V=恒量恒量，dV=0，热力学第一定律热力学第一定律:吸收热量：吸收热量：结论结论:在等体过程中在等体过程中,系统吸收的热量完全用系统吸收的热量完全用来增加自身的内能来增加自身的内能.系统内能增量：系统内能增量：2.等压过程等压过程p=恒量恒量，dp=0热力学第一定律热力学第一定律:吸热：吸热：内能增量：内能增量：作功：作功：讨论讨论：T=恒量恒量，dU=0热力学第一定律热力学第一定律:3.等温过程等温过程系统内能增量：系统内能增量：作功

18、和吸热：作功和吸热：例例例例2.2.将将500J的热量传给标准状态下的的热量传给标准状态下的2mol氢气氢气.(1)V不变不变,热量变为什么？氢的温度为多少？热量变为什么？氢的温度为多少？(2)T不变不变,热量变为什么？氢的热量变为什么？氢的p、V各为多少？各为多少？(3)p不变不变,热量变为什么？氢的热量变为什么？氢的T、V各为多少？各为多少？解：解：(1)V 不变不变,Q=U,热量转变为内能热量转变为内能(2)T 不变不变,Q=W,热量转变为功热量转变为功(3)p不变不变,Q=W+U,热量转变为功热量转变为功和内能和内能例例例例3.3.质量为质量为2.8 10-3kg、压强为、压强为1.0

19、13105Pa、温度、温度为为27的氮气的氮气,先在体积不变的情况下使其压强增至先在体积不变的情况下使其压强增至3.039105Pa,再经等温膨胀使压强降至再经等温膨胀使压强降至1.013105Pa,然然后又在等压过程中将后又在等压过程中将体积压缩一半体积压缩一半.试求氮气在全部过试求氮气在全部过程中的内能变化程中的内能变化,所作的功以及吸收的热量所作的功以及吸收的热量.解：解：p/atmVcVdV/m3132Va等体过程等体过程：等温过程等温过程：p/atmVcVdV/m3132Va等压过程等压过程：p/atmVcVdV/m3132Va例例例例4.4.一定量的理想气体一定量的理想气体,由状态

20、由状态a经经b到达到达c.(图中图中abc为一直线为一直线),求此过程中：求此过程中：(1)气体对外作的功；气体对外作的功；(2)气体内能的增量；气体内能的增量；(3)气体吸收的热量气体吸收的热量.解解:p/atmV/l0321321cba讨论讨论:abc过程过程有哪些特征有哪些特征？气体在状态变化过程中系统和外界没有热量的交换气体在状态变化过程中系统和外界没有热量的交换热力学第一定律热力学第一定律:三、绝热过程三、绝热过程三、绝热过程三、绝热过程1.一般绝热过程一般绝热过程2.理想气体准静态绝热过程理想气体准静态绝热过程内能增量：内能增量：绝热过程的功：绝热过程的功：理想气体的状态方程：理想

21、气体的状态方程：两边微分：两边微分：3.绝热方程绝热方程两边积分：两边积分：消去消去p：消去消去V：4.绝热线和等温线绝热线和等温线绝热方程：绝热方程：化简：化简：等温方程：等温方程：结论结论:绝热线在绝热线在A点的斜率大于等温线在点的斜率大于等温线在A点的斜率点的斜率.体积体积压压强强5.如何实现绝热过程如何实现绝热过程1)用理想的绝热壁把系统和外界隔开用理想的绝热壁把系统和外界隔开.2)过过程程进进行行得得很很快快系系统统来来不不及及与与外外界界进进行行显显著著的热交换的热交换.例例:内燃机气缸内燃机气缸内气体的膨胀、内气体的膨胀、压缩；压缩；空气中声音传空气中声音传播引起局部膨胀播引起局

22、部膨胀或压缩或压缩.6.非静态绝热过程非静态绝热过程绝热自由膨胀绝热自由膨胀手放在压力锅上方手放在压力锅上方,为什么为什么不会烫手？不会烫手？真空真空例例.泊松比泊松比=1.4的理想气体进行如下图所示的循环的理想气体进行如下图所示的循环.已知状态已知状态A的温度为的温度为300K,虚线虚线A-E为过为过A的等温线的等温线.试试问问:(1)此循环过程中此循环过程中,气体所能达到的最气体所能达到的最高温度状态在何处高温度状态在何处,最高温度是多少最高温度是多少?(2)各过程中气体吸热多少各过程中气体吸热多少?(3)该循环的效率是多少该循环的效率是多少?解：解：(1)p-V上上直线直线AB方程为方程为 当当V=3.67m3时时,f(T)极大极大,对应对应p=275Pa(2)AB:气体持续对外做功气体持续对外做功,E先增后减先增后减TATmax:吸热吸热,TmaxTB?(3)？设转折点为设转折点为M,求求M坐标坐标TmaxTB:取一个极短过程取一个极短过程V(V+dV),在此过程中在此过程中