热力学一定律.pptx

第八章第八章 热力学第一定律热力学第一定律 8.1准静态过程准静态过程 8.2功、热量、热力学第一定律功、热量、热力学第一定律 8.3 热容热容 8.4 绝热过程绝热过程 8.5 循环过程循环过程 8.6 卡诺循环卡诺循环 8.7*致冷循环致冷循环 2热学热学8.1 准静态过程准静态过程系统状态的变化就是过程系统状态的变化就是过程(Quasi-static process)始平衡态始平衡态 一系列非平衡态一系列非平衡态末平衡态末平衡态 过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态举例举例1：外界对系统做功：外界对系统做功u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。程中的每一个中间状态都近似于平衡态。过程无限缓慢：过程无限缓慢：非平衡态到平衡态的非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，约过渡时间，即弛豫时间，约10-3 秒秒，如果实际压缩一次所用时间为如果实际压缩一次所用时间为 1 秒，秒，就可以说就可以说 是准静态过程。是准静态过程。3热学热学状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如准静态过程可以用系统的状态图，如P-VP-V图（或图（或P-TP-T图，图，V-TV-T图）中一条曲线表示，反之亦如此图）中一条曲线表示，反之亦如此。VPo等温过程等温过程等容过程等容过程等压过程等压过程循环过程循环过程4热学热学8.2 功、热量、热力学第一定律功、热量、热力学第一定律一。做功可以改变系统的状态一。做功可以改变系统的状态摩擦升温（机械功）、电加热（电功）等摩擦升温（机械功）、电加热（电功）等摩擦功：摩擦功：电功：电功：(Work、Heat、Internal energy)系统状态改变方式：做功、热传递系统状态改变方式：做功、热传递S Sp pdl准静态过程气体准静态过程气体对外界做功：对外界做功：总功：总功：PV12A0功是过程量功是过程量当当d dV V 0 0，dA 0dA 0，系统体积膨胀，系统对外做正功；，系统体积膨胀，系统对外做正功；当当d dV V 0 0，dA 0dA 0 表示系统从外界吸热；表示系统从外界吸热；0 表示系统向外界放热。表示系统向外界放热。总热量：总热量：积分与过程有关积分与过程有关 做功、热传递做功、热传递-系统状态改变系统状态改变-内能改变，即内能是状态量内能改变，即内能是状态量热量亦是过程量热量亦是过程量内能的变化：内能的变化：只与初、末态有关，只与初、末态有关，与过程无关。与过程无关。理想气体理想气体：9热学热学热力学第一定律热力学第一定律 n某一过程，系统从外界吸热某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功，对外界做功 A，系统内能从系统内能从 E1变为变为 E2，则由，则由能量守恒能量守恒：假如系统状态经历一个微小变化假如系统状态经历一个微小变化,则则:dQ=dE+dAQ表示系统吸收的热量，表示系统吸收的热量，A表示系统对外所作的功，表示系统对外所作的功，E表示系统内能的增量。表示系统内能的增量。(The first law of thermodynamics)符号规定：符号规定：1、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。2、系统对外作功、系统对外作功A为正，外界对系统作功为正，外界对系统作功A为负。为负。3、系统内能增加、系统内能增加 E为正，系统内能减少为正，系统内能减少 E为负。为负。内能内能:系统处在一定的状态应具有一定的能量系统处在一定的状态应具有一定的能量,它是它是 状态的单值函数。状态的单值函数。在热力学中在热力学中,分子热运动的动能和分子间的势能分子热运动的动能和分子间的势能,用用E E表示。表示。对一摩尔的理想气体对一摩尔的理想气体:单原子分子单原子分子:双原子分子双原子分子(刚性刚性):理想气体的内能：理想气体的内能：E为温度的单值函数、状态量，与过程无关。为温度的单值函数、状态量，与过程无关。例：例：1 mol理想气体从pV图上初态a分别经历如图所示的(1)或(2)过程到达末态b已知Ta Q20 （B）Q2 Q10 （C）Q2 Q10（D）Q1 Q20 A A例：例：一定量的理想气体，由状态一定量的理想气体，由状态a经经b到达到达c（图中（图中abc为一直线），求此过程中：为一直线），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。p(atm)V(l)0321321cba解：解：14热学热学8.3 热容热容n摩尔热容摩尔热容 Cm，单位：单位：J/(mol K)n比热容比热容 c，单位：单位：J/(kg K)C与与过程有关过程有关定压热容定压热容：定容热容定容热容：CP,m cPCV,m cV(Heat capacity)(Heat capacity)系统与外界热传递 系统温度变化 热容热容定容过程定容过程所以所以定压过程定压过程所以所以迈耶公式迈耶公式比热容比比热容比 氢气氢气T(K)2.53.54.5502705000CP,m/R理论结果为理论结果为3.53.5，实验结果出现分段，实验结果出现分段原因：经典理论缺陷（粒子能量非连续），需量子理论原因：经典理论缺陷（粒子能量非连续），需量子理论24热学热学8.4 绝热过程绝热过程 (Adiabatic process)理想气体准静态绝热过程理想气体准静态绝热过程泊松公式泊松公式2等温等温12绝热绝热OV p绝热功绝热功等温膨胀等温膨胀（E不变）不变）V n ET p2 p2 pV n p 绝热线比等温线陡，绝热线比等温线陡，p=nkT绝热膨胀绝热膨胀因为：因为：例：例：如图，bca为理想气体绝热过程，b1a和b2a是任意过程，则上述两过程中气体作功与吸收热量的情况是:(A)b1a过程放热，作负功；b2a过程放热，作负功(B)b1a过程吸热，作负功；b2a过程放热，作负功(C)b1a过程吸热，作正功；b2a过程吸热，作负功(D)b1a过程放热，作正功；b2a过程吸热，作正功 B B例：如图所示，一定量理想气体从体积例：如图所示，一定量理想气体从体积V V1 1，膨胀到体积，膨胀到体积V V2 2分别经历的过程是：分别经历的过程是：A AB B等压过程，等压过程，A AC C等温过程；等温过程；A AD D绝热过程，其中吸热量最多的过程绝热过程，其中吸热量最多的过程 (A)(A)是是A AB.B.(B)(B)是是A AC.C.(C)(C)是是A AD.D.(D)(D)既是既是A AB B也是也是A AC C,两过程吸热一样多。两过程吸热一样多。A A例例 一定量的理想气体，从pV图上初态a经历(1)或(2)过程到达末态b，已知a、b两态处于同一条绝热线上(图中虚线是绝热线)，则气体在 （A）(1)过程中吸热，(2)过程中放热 （B）(1)过程中放热，(2)过程中吸热 （C）两种过程中都吸热 （D）两种过程中都放热 B B1.1.等体过程等体过程2.2.等温过程等温过程3.3.等压过程等压过程热力学第一定律应用热力学第一定律应用：dV=0，A=0dp 0，p=常量4.4.绝热过程绝热过程30热学热学8.5 循环过程循环过程循环过程：循环过程：系统经历一系列的变化过程又回到系统经历一系列的变化过程又回到 初始状态的过程。初始状态的过程。特征：特征：经历一个循环过程后，内能不变。经历一个循环过程后，内能不变。热机：从高温热库吸热热机：从高温热库吸热Q1,对外做净功对外做净功A，向低温热，向低温热库放热库放热Q2AQ2Q1=Q工质(Cyclical process)abc为膨胀过程：为膨胀过程：Aacda为压缩过程：为压缩过程：-Ab净功：净功：结论：结论：在任何一个循环过程中，系统所作的净功在任何一个循环过程中，系统所作的净功在数值上等于在数值上等于p-V图上循环曲线所包围的面积。图上循环曲线所包围的面积。循环过程的分类：循环过程的分类：正循环：正循环：在在p-V图上循环过程按顺时针进行图上循环过程按顺时针进行逆循环：逆循环：在在p-V图上循环过程按逆时针进行图上循环过程按逆时针进行热机：热机：工作物质作正循环的机器工作物质作正循环的机器致冷机：致冷机：工作物质作逆循环的机器工作物质作逆循环的机器循环过程的热力学第一定律：循环过程的热力学第一定律：热机效率：热机效率：(efficiency)在一次循环过程中，工作物质对外作的净功与它从高温热源吸收的热量之比在一次循环过程中，工作物质对外作的净功与它从高温热源吸收的热量之比实例：火力发电厂的热力循环实例：火力发电厂的热力循环 水泵水泵A1 A2 Q1锅炉锅炉 汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器电力输出电力输出 Q2 38热学热学8.6 卡诺循环卡诺循环（Carnot cycle）卡诺卡诺（Carnot，法国人，法国人，1796 1832）在在19世纪上半叶，人们从理论上世纪上半叶，人们从理论上研究如何提高热机效率。研究如何提高热机效率。1824年，法年，法国青年工程师国青年工程师卡诺卡诺，提出了一种理想，提出了一种理想热机。这种热机的工质只与两个恒温热机。这种热机的工质只与两个恒温热源交换能量，并且不存在散热、漏热源交换能量，并且不存在散热、漏气和摩擦等因素，称为气和摩擦等因素，称为卡诺机卡诺机，其循，其循环称为环称为卡诺循环卡诺循环。卡诺循环由卡诺循环由两个等温过程两个等温过程和和两个绝热过程两个绝热过程组组成成。其工质是理想气体。其工质是理想气体。低温热库低温热库T2|Q2|A工质工质 Q1高温热库高温热库T1热机循环示意图热机循环示意图 p0Q12134A|Q2|T1T2V绝热线绝热线等温线等温线V1 V4 V2 V3 12 12：使气缸和温度为使气缸和温度为T T1 1的高温热库接触，吸收热量的高温热库接触，吸收热量Q1Q1，气，气体做等温膨胀，体积由体做等温膨胀，体积由V V1 1变化到变化到V V2 2 23 23：将气缸从高温热库移开，气体做绝热膨胀，体积由将气缸从高温热库移开，气体做绝热膨胀，体积由V V2 2变化到变化到V V3 3，温度变降为，温度变降为T T2 2 34 34：使气缸和温度为使气缸和温度为T T2 2的低温热库接触，等温压缩气体，的低温热库接触，等温压缩气体，放出热量放出热量Q2Q2，体积由，体积由V V3 3变化到变化到V V4 4 41 41：将气缸从低温热库移开，绝热压缩气体，状态恢复将气缸从低温热库移开，绝热压缩气体，状态恢复到起始状态到起始状态1 1卡诺热机循环的效率卡诺热机循环的效率说明：说明：（1）c与理气种类、与理气种类、M、p、V的变化无关，的变化无关，（2）T1，T2 c ，实用上是实用上是 T1。现代热电厂：现代热电厂：（900K）（300K）理论上：理论上：c 65%，实际：实际：40%，原因：原因：非卡诺，非卡诺，非准静态，非准静态，有摩擦。有摩擦。只与只与T1、T2有关有关。例：设高温热源的热力学温度是低温热源的热力学温例：设高温热源的热力学温度是低温热源的热力学温度的度的n倍，则理想气体在一次卡诺循环中，传给低温倍，则理想气体在一次卡诺循环中，传给低温热源的热量是从高温热源吸取热量的热源的热量是从高温热源吸取热量的 (A)n倍倍 (B)n1倍倍 (C)1/n倍倍 (D)(n+1)/n倍倍C C卡诺循环与卡诺循环与热力学温标热力学温标测定热量比+三相点温度 T T43热学热学8.7 致冷循环致冷循环Q1Q2W高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质若为理想气体卡诺致冷若为理想气体卡诺致冷循环，则循环，则PVT1T2(Refrigerator)致冷系数：致冷系数：