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大学物理第五章

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1、第五章,5.1 热力学第一定律及其应用,5.2 循环过程卡诺循环,5.3 热力学第二定律,5.1 热力学第一定律及其应用,5.1.1 热量功和热力学能,5.1.3 准静态过程,5.1.2 热力学第一定律,5.1.5 气体的摩尔热容,5.1.1 热量功和热力学能,热力学能是表征热力学系统状态的物理量,1. 热力学能 E（内能）,系统热力学能的增量只与系统的起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关，是温度的单值函数,热力学系统与外界交换能量的方式,5.1.2 热力学第一定律,1. 数学表达式,2. 对于系统状态的微小变化过程，热力学第一定律可表示为,如果所研究的系统是气体，则热力学第一定律的数学表达式为:,1. 定义,准静态过程是指在过程中任意时刻，系统都以一种无限缓慢的、接近于平衡状态的过程进行,5.1.3 准静态过程,对于理想气体，准静态过程可以用p-V 图上的一条曲线来表示，而非静态过程则不能,. 气体系统作功的表达式,以气缸为例分析,设:气体压强为p，活塞的截面积为S,气体对外所作的总功等于曲线与横坐标之间的曲边梯形的面积,或,热力学第一定律可以应用于气体、液体和固体系统，

2、研究它们的变化过程,1. 等体过程,气体体积保持不变的过程叫做等体过程,在等体过程中，系统从外界吸收的热量全部用于增加系统的热力学能；,2. 等压过程,气体压强保持不变的过程叫等压过程,在等体过程中，系统从外界吸收的热量全部用于增加系统的热力学能；,在等压过程中，第一定律的表示式为,系统对外所做的功为,气体在等压过程中所吸收的热量一部分转,换为热力学能的增量,一部分转换为对外所做的功,即,3. 等温过程,温度保持不变的过程叫做等温过程,（热力学能只取决于温度）,等温过程中气体吸收（或放出）的热量是：,在等温膨胀过程中，理想气体所吸收的热量全部转换为对外所做的功,同一气体在不同的过程中有不同的热容,1 . 等体摩尔热容,等体摩尔热容,5.1.5 气体的摩尔热容,任意质量的理想气体的热力学能增量为：,2. 等压摩尔热容,等压摩尔热容,对于1 mol 理想气体,在等压过程中,所以,理想气体的等压摩尔热容较等体摩尔热容大一恒量R,3. 比热容比,5.1.6 理想气体的绝热过程,系统与外界无热量交换的过程叫绝热过程,在绝热过程中,热力学第一定律为,气体从状态经绝热过程变化到状态时,上式表明

3、，在绝热过程中，系统对外作功完全依靠自身热力学能的减少,由（2）得,理想气体的绝热方程,解:,（1）若沿曲线adb时，系统作功42J，问有多少热量传递给系统？,（2）当系统从状态b沿曲线bea返回到状态a 时，外界对系统作功84J ，问系统是吸热还是放热？传递了多少热量？,负号表示放热,（3）若Ed - Ea=167 J，求系统沿ad及db变化时，各吸收了多少热量？,解：,（1）等温过程中,如图所示,（2）气体为双原子气体，即 =1.41，所以，,在绝热过程（12）中所作的功为：,（3）对于等温过程：,对于绝热过程：,5.2 循环过程卡诺循环,5.2.1 循环过程,5.2.2 卡诺循环,5.2.1 循环过程,系统经过一系列变化后又回到原来状态的过程叫循环过程,若循环过程为一准静态过程，则在 pV 图上可用一封闭曲线表示,1. 定义,正循环按顺时针方向进行的循环,热机工作物质作正循环的机器如：蒸汽机、内燃机,逆循环按逆时针方向进行的循环,致冷机工作物质作逆循环的机器如：冷冻机,2. 循环的分类,系统经过一个循环后，热力学能无变化,3. 循环过程的特点,4. 热机效

4、率和致冷系数,A. 热机效率,设在一次循环中，系统从外界得到的热量为Q 1，放出的热量为Q 2，对外所作的功为W，则,B. 致冷系数,设在一次循环中，外界对系统作功W，系统从低温处所吸收的热量为Q 2，系统放出的热量为Q 1,致冷系数为：,5.2.2 卡诺循环,一种理想的、效率最高的循环过程,1 .定义,（1）等温膨胀,（2）绝热膨胀,（3）等温压缩,（4）绝热压缩,2. 卡诺循环,3. 计算每一步的功和热,低温热源T2,高温热源T1,以理想气体为工质，其质量为M，摩尔质量为,从热源T1吸热Q1，并全部转换成功,向低温热源T2放热Q2,（2）、（4）两过程的等式两边分别相除得,其热机效率为：,4. 结论,（1）要完成一个卡诺循环，必须有两个热源；,（2）高温热源温度越高，低温热源温度越低，热机效率越高；,（3）卡诺循环的效率总是小于1,5.3 热力学第二定律,5.3.1 热力学第二定律,5.3.2 可逆过程与不可逆过程,5.3.1 热力学第二定律,不可能创造一种循环动作的热机，只从一个热源吸收热量，使之完全转变为有用功而不引起其它变化,1. 开尔文表述,2.克劳修斯表述,不可能把热从低

5、温热物体转到高温物体而不引起其它变化,3. 两种说法的异同,克氏说法是指明热传导的不可逆性，开氏说法是指明摩擦生热过程的不可逆性，这两种说法实际上是等效的,4. 关于两种说法等效的证明（反证法）,先证明若克氏说法不成立，则开氏说法亦不成立,假设有热量Q2 从温度为T2的低温热源自动地传给温度为T1的高温热源，今使一卡诺机在T1和T2之间工作，并使它传给低温热源的热量恰等于Q2 ，则在循环的终,了，是卡诺机从单一热源（即温度为T1的热源）吸收了Q1Q2 的热量，全部变成了功，而没有其它变化这是韦返了开氏说法的,开氏说法的另一种表述：,第二类永动机是不可能造成的,第二类永动机是一种能从单一热源吸热并将所吸收的热全部变为功而无其它影响的机器它虽然不违返能量守恒定律，但永远造不成,5.3.2 可逆过程与不可逆过程,1. 定义,某一系统经过某一过程，由状态（1）变到状态（2）之后，如果能使体系和环境完全复原（即体系回到原来状态，同时又消除了原来过程对环境的影响），则原来的过程就称为可逆过程；如果用任何方法都不能使体系和环境完全复原，则称为不可逆过程.,（1）可逆过程是以无限小的变化进行的，整个过程是一连串非常接近于平衡的状态所构成过程进行的速度是无限慢的,（2）在反向过程中用同样的手续，循着原来过程的逆过程，可以使体系和环境完全复原,（3）在可逆胀大过程中，体系作最大功；在可逆压缩过程中，环境对体作最小功,2.可逆过程的几个特点,3.卡诺定理,卡诺定理的意义：,卡诺定理指出了提高热机效率的途径，就过程而言，应当使实际热机尽量接近可逆机；就温度而言，应尽量提高高温热源的温度，降低低温热源的温度,

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