第九章-热力学基础课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第九章 热力学基础,9-1,热力学系统,平衡态,准静态过程,一、气体的状态参量,状态参量：,描述气体宏观状态的物理量国际单位：,米,3,（,m,3,）,气体分子自由活动的空间2.,压强,(,p,),：,国际单位：帕斯卡,(Pa),3.,温度,(,T,),：,温度的数值表示法,温标摄氏温标：,t,1.,体积,(,V,),：,垂直作用在容器壁单位面积上的气体压力表征热平衡状态下系统的宏观性质,冷热,程度的物理量,1,标准大气压,=1.0132510,5,Pa,1,工程大气压,=9.8066510,4,Pa,当气体分子大小不计时，气体体积等于容器的容积一般的,气体的体积,容器的容积4.,热力学第零定律,测温原理,热平衡：,两个物体互相热接触，经过一段时间后它们的宏观性质不再变化，即达到了热平衡状态在不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体,C,分别与物体,A,、,B,达到热平衡，则物体,A,和,B,也必相互热平衡A,B,C,A,B,C,冰点,273.15K,绝对零度：,T,=0 K,，水三相点,(,气态、液态、固态的共存 状态,)273.16 K,3.,温度,(,T,),：,国际单位：开尔文,（,K,）,摄氏温标和开氏温标的关系,t,=,T,273.15,热力学,(,开氏,),温标：,热动平衡,三、准静态过程,热力学过程：,热力学系统的状态随时间发生变化的过程。

实际过程的中间态为非平衡态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平衡过程、,理想过程,准静态过程的过程曲线可以用,p,-,V,图来描述，图上的每一点分别表示系统的一个平衡态p,B,V,B,T,B,),(,p,A,V,A,T,A,),p,V,O,在不受外界影响（即系统与外界没有物质和能量的交换）的条件下，无论初始状态如何，系统的宏观性质在经充分长时间后不再发生变化的状态二、平衡态,9-2,理想气体的状态方程,状态方程,状态参量之间的关系,一、理,想气体,：,对于系统,质量不变的气体，根据波意耳定律,（,1,）不同的温度，,C,常数不同2,）压强不太大、温度不太低的情况下，各种气体近似遵守上述规律在任何情况下都严格遵守玻意耳定律的气体故,对一定质量,m,的某种理想气体：,试验证明：,1,摩,尔气体在标准状态下,，,占有的体积为,：,标准状态：,二、理,想气体的状态方程,：,则对于,1,摩尔理想气体有：,令,称为“摩尔气体常量,”,从而，可得质量为,m,、摩尔质量为,M,的理想气体状态方程二、理,想气体的状态方程,：,一、基本物理量,1,、内能,E,内能：,包括了分子热运动的平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能,.,和分子间相互作用的势能。

不包括系统整体运动的机械能,),理想气体的内能：,理想气体的内能是温度的单值函数，它是一个状态量，只和始、末两位置有关，与过程无关内能变化,E,只与初、末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算专题讲座,1,包括教材,P,9-27,热力学第一定律及其应用,内能变化方式：作功和热传递,2,、功,W,热力学系统作功的装置,活塞,d,l,p,-,V,图,V,1,V,2,(,p,B,V,B,T,B,),(,p,A,V,A,T,A,),p,V,O,d,V,结论：,系统所做的功在数值上等于,p-V,图上过程曲线以下的面积热力学系统作功的本质：,无规则的分子热运动与有规则的机械运动之间的能量转化3,、热量,Q,:,热量的单位：,国际单位：焦耳（,J,）,工程单位：卡,热功当量：,1,卡,=4.186,焦耳,功与热的等效性：,作功或传递热量都可以改变热力学系统的内能系统之间由于热相互作用而传递的能量,功和热量都是,过程量,，而内能是,状态量,，通过做功或传递热量的过程使系统的状态（内能）发生变化热量传递的本质：,无规则的分子热运动之间的能量转化选择题,1.,单原子分子组成的理想气体自平衡态,A,变化到平衡态,B,变化过程不知道，但,A,、,B,两点的压强、体积和温度都已确定，则可求出（）。

A,）气体膨胀所做的功；,（,B,）气体内能变化；,（,C,）气体传递的热量；,（,D,）气体分子的质量2.,一定量某种理想气体若按,pV,3,=,恒量的规律被压缩，则压缩后该理想气体的温度将（）A,）升高；（,B,）降低；（,C,）不变；（,D,）不能确定二、热量和热容量,1,、热容量：,单位：,2,、比热：,单位：,3,、摩尔热容：,i,表示不同的过程,热容量：,物体温度升高一度所需要吸收的热量比热：,单位质量物质的热容量摩尔热容：,1,摩尔物质的热容量1,）定体摩尔热容：,（,2,）定压摩尔热容：,（,3,）,C,V,m,和,C,p,m,的关系,实验证明：,迈耶公式,3,、摩尔热容：,定体摩尔热容：,1mol,理想气体在体积不变的状态下，温度升高一度所需要吸收的热量定压摩尔热容：,1mol,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摩尔热容比（绝热系数）,令,C,V,m,C,p,m,单原子,He,Ar,5/3=1.67,3,R,/2,5,R,/2,双原子,H,2,O,2,7/5=1.4,5,R,/2,7,R,/2,多原子,H,2,O,CO,2,4/3=1.33,3,R,4,R,i,为自由度数：,单原子,i,=3,；,双原子,i,=5,；多原子,i,=6,三、热力学第一定律,本质：,包括热现象在内的能量守恒和转换定律。

Q,：表示系统吸收或放出的热量，,W,：,表示系统所作的功，,E=,(,E,1,E,2,),：,表示系统内能的增量微分式：,其中,四、热力学第一定律的应用,1,、,等体过程,V,热源,Q,d,A,=0,特征：,P-V,图,p,V,V,0,O,根据热力学第一定律,在等体过程中，系统吸收的热量完全用来增加自身的内能：,气体的内能仅为温度的函数，所以，,理想气体的内能：,（理想气体）,d,V,=0,，,2,、等,压过程,特征：,气体在状态变化过程中压强保持不变热源,P,Q,P-V,图,p,V,V,1,V,2,p,O,根据热力学第一定律,3,、等,温过程,特征：,气体在状态变化过程中温度保持不变T,=,恒量，,d,E,=0,根据热力学第一定律,系统吸热全部用作对外做功：,P-V,图,p,V,1,V,2,V,O,过程曲线（双曲线）,例,9-1,将,500J,的热量传给标准状态下的,2mol,氢1),V,不变，热量变为什么？氢的温度为多少？,(2),T,不变，热量变为什么？氢的,p,、,V,各为多少？,(3),p,不变，热量变为什么？氢的,T,、,V,各为多少？,解：,(1),V,不变，,Q,=,E,，热量转变为内能。

2),T,不变，,Q,=,W,，热量转变为功,(3),p,不变，,Q,=,W,+,E,，热量转变为功,和内能,1,3,2,V,1,V/,m,3,p,/(,1.01310,5,Pa,),O,V,3,V,4,例,9-2:,质量为,28,10,-3,kg,、压强为,1.013 10,5,Pa,、温度为,27,的氮气,先在体积不变的情况下使其压强增至,3.039,10,5,Pa,再经等温膨胀使压强降至,1.01310,5,Pa,然后又在等压过程中将体积压缩一半试求氮气在全部过程中的内能变化，所作的功以及吸收的热量，并画出,p,-,V,图解：,已知：,m,=,28,10,-3,kg,p,1,=1.01310,5,Pa,T,1,=273+27=300,（,K,）,根据理想气体状态方程得,又,p,2,=3.03910,5,Pa,V,2,=V,1,根据理想气体状态方程得,1,3,2,V,1,V/,m,3,p,/(,1.01310,5,Pa,),O,V,3,V,4,又,则，,又,p,4,=,p,1,=1.013105Pa,则,等体过程：,等温过程：,等压过程：,从而整个过程中：,作业：,教材：,P,42,9-2,，,P,43,9-3,，,P,43,9-4,，,P,44,9-14,特征,:,一、准静态绝热过程,V,1,V,2,p,V,O,气体在状态变化过程中系统和外界没有热量的交换。

绝热过程的热力学第一定律,:,绝热过程内能增量：,绝热过程的功：,4,、理,想气体的绝热过程,P-V,图,绝热过程方程：（绝热方程或帕松方程）,*,绝热方程的推导：,根据理想气体状态方程,两边微分：,绝热线和等温线：,p,V,A,绝热,等温,O,绝热线在,A,点的斜率大于等温线在,A,点的斜率绝热过程方程：（绝热方程或帕松方程）,两边积分得：,消去,p,：,消去,V,：,热力学基本计算公式,热力学过程中吸、放热的判断,例,9-3:,有,810,-3,kg,氧气，体积为,0.4110,-3,m,3,，温度为,27,如氧气作绝热膨胀，膨胀后的体积为,4.110,-3,m,3,，问气体作多少功？如作等温膨胀，膨胀后的体积也为,4.110,-3,m,3,，问气体作多少功？,解：,已知,m,=810,-3,kg,V,1,=0.4110,-3,m,3,T,1,=273+27=300,（,K,）,i=,5,M,=32,10,-3,kg/mol,V,2,=4.110,-3,m,3,1,）,绝热膨胀,由绝热方程,2,）,等温膨胀,作业：,指导：,P,175,1,，,P,175,2,循环过程和卡诺循环,一、循环过程,电冰箱,系统经历一系列的变化过程又回到初始状态的过程。

目的：,制造能连续不断进行热功转换的机器,热机、制冷机,专题讲座,2,包括教材,P,27-35,2,、,循环特征：,经历一个循环过程后，内能不变1,、一个循环过程的,p-V,图：,B,A,b,a,p,O,V,正循环,显然，,AaB,为膨胀过程：,W,a,0,，,BbA,为压缩过程：,W,b,0,，,一个循环过程中，系统所作的,净功,：,=p-V,图上,循环曲线所包围的面积,逆循环：,在,p,-,V,图上循环过程按逆时针进行制冷机,热机,一、循环过程,3,、,一个循环过程中的净吸热,设：,系统吸热之和,系统放热之和,根据热力学第一定律,4,、热机效率,5,、制冷系数,A,外,制冷过程：,外界作功,W,，系统吸热,Q,1,，系统放热,Q,2,例,9-4:,3.2,10,-2,kg,氧气作,ABCD,循环过程A,B,和,C,D,都为等温过程，设,T,1,=300K,，,T,2,=200K,，,V,2,=2,V,1,求循环效率D,A,B,C,T,1,=300K,T,2,=200K,V,2,V,1,V,p,O,解：,AB,等温过程：,DA,等体过程：,BC,等体过程：,CD,等温过程：,吸热,吸热,二、卡诺循环,研究目的：从理论上探索提高热机效率的方法。

1824,年，法国青年科学家卡诺（,1796-1832,）提出一种理想热机，工作物质只与两个恒定热源（一个高温热源，一个低温热源）交换热量整,1,、理想气体准静态卡诺循环,个循环过程是由两个绝热过程和两个等温过程构成，这样的循环过程称为,卡诺循环,二、卡诺循环,两个,等温,过程 和 两个,绝热,过程组成,V,3,V,1,V,p,D,A,B,C,V,2,V,4,T,1,T,2,O,BC,和,DA,过程：绝热,AB,和,CD,过程：等温,吸热,Q,1,Q,2,1,、理想气体准静态卡诺循环,放热,卡诺循环效率：,二、卡诺循环,V,3,V,1,V,p,D,A,B,C,V,2,V,4,T,1,T,2,O,Q,1,Q,2,1,、理想气体准静态卡诺循环,卡诺循环效率：,绝热方程,卡诺循环效率：,结论,：,1,）,卡诺循环的效率仅仅由两热源的温度决定2,）,两热源的温度差越大，卡诺循环的效率越大绝热方程。