大学物理概要.pptx
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1、R0110燃气轮机模型燃气轮机模型第第8章章 热力学热力学8.1热学的研究对象和研究方法热学的研究对象和研究方法8.2平衡态平衡态理想气体状态方程理想气体状态方程8.3功功热量热量内能内能热力学第一定律热力学第一定律8.4准静态过程中功和热量的计算准静态过程中功和热量的计算8.5理想气体的内能和理想气体的内能和CV、Cp第第8章章 热力学热力学8.6热力学第一定律对理想气体热力学第一定律对理想气体在典型准静态过程中的应用在典型准静态过程中的应用8.7绝热过程绝热过程8.8循环过程循环过程8.9热力学第二定律热力学第二定律8.10可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程8.11卡诺循环卡诺循环卡
2、诺定理卡诺定理第第8章章 热力学热力学一、热学的研究对象一、热学的研究对象8.1热学的研究对象和研究方法热学的研究对象和研究方法热现象:热现象:与温度有关的物理性质的现象。与温度有关的物理性质的现象。热学是研究与热现象有关的规律的科学。热学是研究与热现象有关的规律的科学。热现象是组成物质的分子热运动的结果。热现象是组成物质的分子热运动的结果。热现象是组成物质的大量分子无规则运热现象是组成物质的大量分子无规则运动的集中表现。动的集中表现。二、热学的研究方法二、热学的研究方法大量粒子的运动遵循统计规律性。大量粒子的运动遵循统计规律性。二者关系二者关系统计平均方法力学规律统计平均方法力学规律总结归纳
3、,逻辑推理总结归纳,逻辑推理方方 法法微观粒子微观粒子观察和实验观察和实验出出 发发 点点微观量微观量(质量、动量质量、动量)宏观量(温度、压强宏观量(温度、压强)物物 理理 量量统计物理学统计物理学微观理论微观理论热力学热力学热现象热现象研研 究究宏观理论宏观理论相互补充、渗透相互补充、渗透一、气体的状态参量一、气体的状态参量1.体积体积V宏观上,宏观上,气体所能达到的空间。气体所能达到的空间。微观上,微观上,体积是由于分子作无规热运动所能体积是由于分子作无规热运动所能达到的空间。达到的空间。单位:单位:m3或或L;1L=10-3m3一般指存储气体的容器的容积。一般指存储气体的容器的容积。8
4、.2平衡态平衡态理想气体状态方程理想气体状态方程2.压强压强p宏观上,宏观上,气体作用于容器器壁单位面积的正气体作用于容器器壁单位面积的正压力压力,即即p=F/S。微观上,微观上,大量分子作无规热运动,对器壁的大量分子作无规热运动,对器壁的撞击力。撞击力。单位:单位:Pa(帕斯卡)(帕斯卡)1Pa=1Nm-21标准大气压标准大气压=1.013105Pa3.温度温度T宏观上,宏观上,物体的冷热程度。物体的冷热程度。微观上,微观上,大量分子作热运动的剧烈程度。大量分子作热运动的剧烈程度。单位:单位:K(开尔文)(开尔文)绝对温标(热力学温标):绝对温标(热力学温标):TT与摄氏温标与摄氏温标t 的
5、关系:的关系:t=T-273.15二、平衡态二、平衡态平衡过程平衡过程平衡态平衡态在没有外界影响的情况下,系在没有外界影响的情况下,系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。的状态。(1)不受外界影响是指系统与外界没有不受外界影响是指系统与外界没有能量能量和和质量质量交换。交换。(2)平衡态气体的状态可用一组确定的值平衡态气体的状态可用一组确定的值(p,V,T)表示。表示。说明说明(3)宏观上,宏观上,气体的气体的p、V、T都不随时间变化,都不随时间变化,微观上,微观上,气体分子仍作热运动。气体分子仍作热运动。所以平衡态是所以平衡态是动态平衡动态平衡
6、。p V 图上表示平衡态。图上表示平衡态。VpA(p1V1 T1)B(p2 V2 T2)三、理想气体的状态方程三、理想气体的状态方程1.一定质量气体的一定质量气体的状态方程状态方程一定量的气体,三个物态量之间有一一定量的气体,三个物态量之间有一定的关系。当其中一个变化时,其他两个定的关系。当其中一个变化时,其他两个量也会随之发生变化。也就是说,其中一量也会随之发生变化。也就是说,其中一个量是其他两个量的函数。个量是其他两个量的函数。T=f(p,V)气体的状态方程。气体的状态方程。2.理想气体的状态方程理想气体的状态方程 m 气体的质量;气体的质量;M 气体的摩尔质量;气体的摩尔质量;气体的摩尔
7、数;气体的摩尔数;R摩尔气体常量。摩尔气体常量。克拉珀龙方程克拉珀龙方程3.理想气体理想气体在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体。的气体。一、功一、功热量热量内能内能8.3功功热量热量内能内能热力学第一定律热力学第一定律1.功功(A)功是能量传递和转换的量度功是能量传递和转换的量度,它引起系统它引起系统热运动状态的变化。热运动状态的变化。机械运动能量机械运动能量热运动能量热运动能量(过程量)(过程量)2.传热传热(Q)系统与外界存在温差发生的能量传递。系统与外界存在温差发生的能量传递。热运动能量热运动能量热运动能量热运动能量(过程量)(过程量)(1)做功和
8、热传递是改变系统内能的做功和热传递是改变系统内能的两种方式。两种方式。3.内能内能(E)气体内能:分子动能气体内能:分子动能+分子间势能分子间势能在热力学系统中存在一种仅有其热运动状在热力学系统中存在一种仅有其热运动状态单值决定的能量,它的改变可以用绝热过程态单值决定的能量,它的改变可以用绝热过程中外界对系统所做的功来量度,这种能量称为中外界对系统所做的功来量度,这种能量称为系统的内能。系统的内能。(状态量)(状态量)(2)做功和热传递在改变系统内能上是等做功和热传递在改变系统内能上是等效的。效的。说明说明系统从外界吸收的热量系统从外界吸收的热量Q,一部分使其内,一部分使其内能增加能增加E,另
9、一部分则用以对外界做功,另一部分则用以对外界做功A。二、热力学第一定律二、热力学第一定律对于无限小的状态变化过程对于无限小的状态变化过程,可表示为,可表示为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。说明说明(1)系统对外做功:)系统对外做功:A0;外界对系统做功:外界对系统做功:A0;系统放热系统放热:Q1,故绝热线的斜率小于等温线的斜率。,故绝热线的斜率小于等温线的斜率。绝热线比等温线陡。绝热线比等温线陡。等温过程等温过程曲线曲线在在A点点的斜率的斜率BCA等温线等温线绝热线绝热线气体从交点气体从交点A 的状态的状态膨胀同样的体积膨胀同样的体积dV 时,时,等温过程等温过程压强
10、的降低是由于体积膨胀而引起。压强的降低是由于体积膨胀而引起。绝热过程绝热过程压强的降低量是由于体积的膨胀和压强的降低量是由于体积的膨胀和气体温度的降低共同引起的。气体温度的降低共同引起的。BCA等温线等温线绝热线绝热线例例1狄塞尔内燃机汽缸中的空气在压缩前温度狄塞尔内燃机汽缸中的空气在压缩前温度为为320K,压强为,压强为1.013105Pa。假定空气突然。假定空气突然被压缩到原来体积的被压缩到原来体积的1/16.9,试求压缩终了时试求压缩终了时气缸内空气的温度和压强气缸内空气的温度和压强。解解把空气看成理想气体,把空气看成理想气体,已知初状态的温度已知初状态的温度T1=320K,压强压强p1
11、=1.013105Pa。由于压缩很快,。由于压缩很快,可看成绝热过程,则由式可看成绝热过程,则由式可得到终可得到终了状态的温度为了状态的温度为终了时的压强为终了时的压强为CV=20.8J/(molK),Cp=29.09J/(molK)摩尔质量摩尔质量M=2910-3Kgmol。试求试求各过程中气体所做的功各过程中气体所做的功及从外界吸收的热量。及从外界吸收的热量。例例2一热机用一热机用5.810-3Kg的空气作为工质,从初的空气作为工质,从初态态1(p1=1.013105pa,T1=300K)等体加热到状)等体加热到状态态2(T2=900K),再经绝热膨胀到状态),再经绝热膨胀到状态3(p3=
12、p1),最后经等压过程又回到),最后经等压过程又回到1,如图。,如图。假定空气可视为理想气体,且假定空气可视为理想气体,且=1.4,31pVOp2p1V1V32解解设设1、2、3三个状态的参量分别为三个状态的参量分别为(p1,V1,T1)、()、(p2,V2,T2)、()、(p3,V3,T3)31pVOp2p1V1V3212等体过程等体过程Q1231pVOp2p1V1V3223绝热过程绝热过程Q1231pVOp2p1V1V3231等压过程等压过程Q31Q1231pVOp2p1V1V32例例3测定空气比热容比测定空气比热容比=Cp/CV的实验装置如图的实验装置如图所示。先关闭活塞所示。先关闭活塞
13、B,将空气由活塞,将空气由活塞A压入大瓶压入大瓶C中,并使瓶中气体的初温与室温相同,初压中,并使瓶中气体的初温与室温相同,初压p1略高于大气压略高于大气压p0;关闭活塞;关闭活塞A,然后打开活塞,然后打开活塞B,使气体迅速膨胀且压强降为,使气体迅速膨胀且压强降为p0,温度降为,温度降为T,关闭关闭B后,瓶内气体温度又上升为后,瓶内气体温度又上升为T0,压强上升,压强上升为为p2。打开。打开B后的状态变化过程如图所示。后的状态变化过程如图所示。试证明空气的试证明空气的可以从下是算出可以从下是算出选留在瓶内的气体为研究对象选留在瓶内的气体为研究对象,视为理想气体。视为理想气体。pVT0p1p2p0
14、V1V2O解解开始时瓶中气体的压强开始时瓶中气体的压强p1略高于大气压略高于大气压p0,故打开活塞故打开活塞B到迅速关闭这一短时间内,已有一到迅速关闭这一短时间内,已有一部分气体冲出瓶外。部分气体冲出瓶外。等体吸热过程:等体吸热过程:状态状态(p2,V,T0)B打开前:所研究气打开前:所研究气体的体积为体的体积为V1,只是容器只是容器体积体积V的一部分,所处状的一部分,所处状态态为为(p1,V1,T0)pVT0p1p2p0V1V2O B打开后:打开后:所研究气所研究气体的体积由体的体积由V1膨胀到膨胀到V,处于状态处于状态(p0,V,T)。然后。然后关闭关闭B。该过程为。该过程为绝热过绝热过程
15、程。绝热过程:绝热过程:等体过程:等体过程:由上两式得由上两式得两边去对数,得两边去对数,得pVT0p1p2p0V1V2O一、循环过程一、循环过程物质系统的状态经过一系列变化后,又回物质系统的状态经过一系列变化后,又回到原来状态的过程叫热力学循环过程。到原来状态的过程叫热力学循环过程。2.热力学第一定律热力学第一定律1.特征特征AB8.8循环过程循环过程Q1Q23.净功净功(面积面积)Q2总放热总放热(取绝对值)(取绝对值)Q1总吸热总吸热沿顺时针方向进行的循环。沿顺时针方向进行的循环。二二.热机和制冷机热机和制冷机正循环正循环逆循环逆循环沿逆时针方向进行的循环。沿逆时针方向进行的循环。工质从
16、高温热源吸收热量,一部分用于对工质从高温热源吸收热量,一部分用于对外做工,一部分向低温热源释放热量。外做工,一部分向低温热源释放热量。(1)热机热机(如蒸汽机、内燃机如蒸汽机、内燃机)(2)制冷机制冷机外界对工质作功,工质从低温热源外界对工质作功,工质从低温热源吸热,向高温热源放热。吸热,向高温热源放热。(如(如冰箱、制冷式空调)冰箱、制冷式空调)(正循环正循环)(逆循环逆循环)三、循环效率三、循环效率1.热机热机效率效率工质循环一次从高温热源吸热工质循环一次从高温热源吸热Q1,对外作,对外作净功净功A,又向低温热源放出热量,又向低温热源放出热量Q2。热机热机效率效率Q1=Q2+A1698年萨
17、维利和年萨维利和1705年纽可门先后发明了年纽可门先后发明了蒸汽机,当时蒸汽机的效率极低。蒸汽机,当时蒸汽机的效率极低。1765年瓦特年瓦特进行了重大改进,大大提高了效率。人们一直进行了重大改进,大大提高了效率。人们一直在为提高热机的效率而努力,从理论上研究热在为提高热机的效率而努力,从理论上研究热机效率问题,一方面指明了提高效率的方向,机效率问题,一方面指明了提高效率的方向,另一方面也推动了热学理论的发展。另一方面也推动了热学理论的发展。各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机热机发展简介热机发展简介2.制冷系数制冷系数Q1=Q2+A 制冷系数
18、制冷系数外界对工质作功外界对工质作功A,工质从低温热源吸热,工质从低温热源吸热Q2,向高温热源放热,向高温热源放热Q1。例例13.210-2kg氧气作氧气作ABCD循环过程。循环过程。AB和和CD都为等温过程,设都为等温过程,设T1=300K,T2=200K,V2=2V1。求循环效率。求循环效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1Vp解解吸热吸热放热放热吸热吸热放热放热DABCT1=300KT2=200KV2V1Vp例例2计算奥托机的循环效率。计算奥托机的循环效率。cd,eb为为等体过程;等体过程;bc,de为绝热过程。为绝热过程。解解 吸热吸热放热放热V0VpVacdebO V0V
19、pVacdebO 例例3计算逆向斯特林循环的制冷系数。该循环由计算逆向斯特林循环的制冷系数。该循环由四个过程组成,先把工质由初状态四个过程组成,先把工质由初状态(V1,T1)等温压缩到状态等温压缩到状态(V2,T1),再等体降温到),再等体降温到状态状态(V2,T2),),然后经等温膨胀到达状态然后经等温膨胀到达状态(V1,T2),最后经等最后经等体升温到初始状态体升温到初始状态。V0VpVO 解解工质在工质在中中,吸热吸热V0VpVO 在在中中,放热放热循环过程中,外界循环过程中,外界对工质做的功为对工质做的功为循环的制冷系数循环的制冷系数一、热力学第二定律一、热力学第二定律8.9热力学第二
20、定律热力学第二定律热力学第一定律给出了能量在相互转热力学第一定律给出了能量在相互转化过程中遵循的规律,但并未限定过程进化过程中遵循的规律,但并未限定过程进行的方向。行的方向。观察与实验表明,自然界中一切与热观察与实验表明,自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,是有现象有关的宏观过程都是不可逆的,是有方向性的。方向性的。水只能自发地由高处向低处流,相反的过水只能自发地由高处向低处流,相反的过程不能自动地发生。程不能自动地发生。热量只能自发地由高温处向低温处传递,热量只能自发地由高温处向低温处传递,相反的过程不能自动地发生。相反的过程不能自动地发生。气体只能自发地由高压处向低压处流动,气
21、体只能自发地由高压处向低压处流动,相反的过程不能自动地发生。相反的过程不能自动地发生。摩擦生热的过程是不可能朝相反的方向进摩擦生热的过程是不可能朝相反的方向进行的。行的。以上问题的解释需要一个以上问题的解释需要一个新的自然规律。新的自然规律。孤立系统从非平衡态向平衡态过渡是自发孤立系统从非平衡态向平衡态过渡是自发过程,与此相反的过程是不可逆的,除非有外过程,与此相反的过程是不可逆的,除非有外界的帮助。界的帮助。1.开尔文表述开尔文表述不可能制作一种循环动作热机,只从单一不可能制作一种循环动作热机,只从单一热源吸收热量,使其完全变为有用功,而不引热源吸收热量,使其完全变为有用功,而不引起其他变化
22、。起其他变化。热力学第二定律是一条经验定律,有许多热力学第二定律是一条经验定律,有许多表述方法。最早提出并作为标准表述的是表述方法。最早提出并作为标准表述的是1850年的克劳修斯表述和年的克劳修斯表述和1851年的开尔文表述。年的开尔文表述。这种热机,也叫第二类永动机。(这种热机,也叫第二类永动机。(Q吸=A)要点:要点:循环动作;单一热源;不引起其他变化。循环动作;单一热源;不引起其他变化。第二类永动机不可能实现。第二类永动机不可能实现。开尔文表述同一说法。开尔文表述同一说法。(1)循环循环动作的热机,动作的热机,不是说单一过程。不是说单一过程。如单一的等温膨胀过程,只从外界吸热而对如单一的
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