1、第8章 热力学定律,2,一 内能 功和热量,理想气体内能：对给定的理想气体，它的内能仅是温度的单值函数.,改变一个热力学系统的内能，有两种方式：一是外界对系统做功(做机械功或电磁功)；一是向系统传递热量.,8.1 准静态过程 内能 功和热量,3,1）过程量：与过程有关；,2）功与热量的物理本质（能量转换）不同 .,传热,系统和外界之间存在温差而发生的能量传递 .外界无序能量与系统分子无序能量间的转换.以热传导方式交换的能量称为热量,二、准静态过程,准静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，如果过程中所有中间态都可以近似地看作平衡态。,热力学系统在外界影响下，从一个状态 到另一个状态 的变化过程，
2、热力学过程,(1) 准静态过程是一个理想过程；,(2) 本章除特别说明外，所讨论的过程均看成是准静态过程，满足平衡态的性质；,6,从一个平衡态到另一平衡态过程非常缓慢,可近似看做平衡态的过程.,三、准静态过程的功,当活塞移动dl 时， 系统对外界元功为：,系统体积由V1变为V2，系统对外界总功：,结论：功的大小其值等于P(v)曲线下的面积，与路径有关,1 mol双原子分子理想气体从状态A(p1,V1)沿p -V图所示直线变化到状态B(p2,V2)，试求气体对外界所作的功,热力学第一定律 的普遍形式,8.2 热力学第一定律 热容量,某一过程，系统的状态变化，系统从外界吸热 Q，对外界做功 A，系
3、统内能从初始态 E1变为 E2，则由能量守恒：,一 热力学第一定律,(1)系统吸热 Q0 ；系统放热 Q0 ；系统对外作负功 A0，系统内能减少 E0 。,说明,(2)热力学第一定律另一表述：制造第一类永动机(能对外不断作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的机器)是不可能的。,二 热容量与摩尔热容量,摩尔热容量：1 mol物质的热容量叫摩尔热容量(Cm) 热容量与摩尔热容量关系为,热容：一定量的理想气体在某过程中温度升高 1 K 时吸收的热量,热力学第一定律的应用,（4） 各等值过程的特性 .,等温过程,1. 过程特征,2. 功能关系,等体过程,1. 过程特征：V=C，dV=0,2.
4、 功、能关系：,3. 等体摩尔热容,4. 三个物理量计算式,说明：E 只是T 的函数，任何过程的E 都可由上式计算,1. 过程特征,2. 功能关系,P=C，dP=0,等压过程 定压摩尔热容量,3. 定压摩尔热容,迈耶公式,4. 三个物理量的计算式,5. 与 的关系,在等压过程，温度升高1度时，1mol理想气体比等体过程多吸收8.31J的热量，用来膨胀时对外做功。,绝热系数,比热容比,理想气体,例1、将1 mol理想气体等压加热，使其温度升高72 K，传给它的热量等于1.60103 J，求：,(2) 气体内能的增量,(1) 比热容比g,解：,例2、1 mol单原子理想气体从300 K加热到350
5、 K，问在下列两过程中吸收了多少热量?增加了多少内能?对外作了多少功? (1)体积保持不变；(2)压力保持不变,吸热,解：(1)等体过程,对外作功 A=0,吸热,内能增加,对外作功,(2)等压过程,例3 将500 J的热量传给标准状态下的2 mol 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）Q = E，热量转变为内能,Q = W，热量转变为功,（2）T 不变，热量变为什么？氢的p，V各为多少？,Q = W+ E，热量转变为功和内能,（3）p不变，热量变为什么？氢的T，V各为
6、多少？,8.4. 绝热过程,在系统不与外界交换热量的条件下，系统的状态变化过程叫做绝热过程.,微分得：,* 绝热方程的推导,准静态绝热过程方程,过程方程与状态方程的区别 绝热过程曲线比等温线陡,讨论,31,绝热过程曲线的斜率,等温过程曲线的斜率,绝热线的斜率大于等温线的斜率.,A处斜率为,A处斜率为,32,例8.1 1mol单原子理想气体，由状态 ，先等体加热至压强增大1倍，再等压加热至体积增大1倍，最后再经绝热膨胀，使其温度降至初始温度，如图所示.试求：,解 (1),(1)状态d的体积 ； (2)整个过程对外做的功； (3)整个过程吸收的热量.,33,(2)先求各分过程的功,由绝热方程,整个
7、过程对外做的总功为,34,(3)计算整个过程吸收的总热量有两种方法 方法一：根据整个过程吸收的总热量等于各分过程吸收热量的和.先求各分过程热量为,35,方法二：对abcd整个过程应用热力学第一定律：,36,理想气体作绝热膨胀 (A) 膨胀后，温度不变，压强减小 (B) 膨胀后，温度降低，压强减小 (C) 膨胀后，温度升高，压强减小 (D) 膨胀后，温度不变，压强不变,对于理想气体系统来说，在下列过程中，哪个过程系统所吸收的热量、内能的增量和对外作的功三者均为负值？ (A) 等体降压过程 (B) 等温膨胀过程 (C) 绝热膨胀过程 (D) 等压压缩过程,写出等体、等压、等温和绝热过程的方程，并在
8、PV图上画出过程曲线； 2.写出等体、等压、等温和绝热过程的过程三个物理量（功、热、内能）的计算公式。,理想气体准静态过程总结,38,系统从某一状态出发，经过一系列状态变化过程以后，又回到原来出发时的状态，这样的过程叫做循环过程，简称循环.,热力学第一定律,特征,8.5. 循环过程 卡诺循环,逆循环：,2. 循环类型：,正循环：,P-V图上为顺时针方向,P-V图上为逆时针方向,40,(一)正循环,A净0,净,E=0,循环效果 吸收热能对外作功,热机 ：这种循环动作持续地将热量转变为功的机器 .,（热机循环）,工作物质（工质）：循环工作的物质系统,41,热机 热机的效率,42,2 热机的效率,热
9、机效率,43,(二)逆循环,1.循环效果： 一般外界对系统作功，系统从低温热源吸热向高温热源放热。使低温物体温度更低的机器。,（制冷机循环）,44,致冷系数,2 致冷系数,致冷机希望作功少，提取热量多。故定义：,45,热机发展简介：1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低 , 1765年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率 . 人们一直在为提高热机的效率而努力.,1828年，法国青年工程师卡诺为研究如何提高热机效率而提出的一种理想热机。由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成的循环。,( 三)卡诺循环,C-D为等温压缩过程,A(P1V1T1),B(P2V2T1
10、),D (P4V4T2),C(P3V3T2),A-B为等温膨胀过程,只有等温过程吸热和放热,1. 卡诺热机效率,由绝热方程得BC点，AD点,卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高 .,卡诺致冷系数,T1越高、 T2越低，致冷系数低。即两个热源的温差越大，消耗的功就越多.,2.卡诺制冷循环,50,图中两卡诺循环 吗 ？,51,例 一电冰箱放在室温为 的房 间里 ，冰箱储藏柜中的温度维持在 . 现每天有 的热量自房间传入冰箱 内 , 若要维持冰箱内温度不变 , 外界每天 需作多少功 , 其功率为多少？设在 至之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致
11、冷系数的 55% .,解,52,功率,解,1 mol双原子分子理想气体作如图循环过程，其中12为直线，23为绝热线，31为等温线已知T2 =2T1，V3=8V1 试求： (1) 各过程的功，内能增量和传递的热量；(用T1和已知常量表示) (2) 此循环的效率,解：(1) 12 任意过程,T2 =2T1,23 绝热膨胀过程,Q2 = 0,31 等温压缩过程,E3= 0,W3 =Q3=RT1ln(V3/V1)=RT1ln(8V1/V1) =2.08 RT1,(2),V3=8V1,56,不可能制成一种循环动作的热机，它只从一个单一温度的热源吸取热量，并使其全部变为有用功，而不引起其他变化.这就是热力
12、学第二定律的开尔文表述.,第二定律的提出,1 功热转换的条件第一定律无法说明.,2 热力学第一定律没有阐述系统变化进行的方向,一 开尔文表述,8.6. 热力学第二定律,开尔文（Kelvin)表述,热机,不可能制造一种机器，只从单一热源吸收热量使之完全变为有用功而不产生其它影响。,热二律指出了效率100%的热机(称为第二类永动机)是制造不出来。,Kelvin表述：第二类永动机是不可能实现的。,二 克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化 .,1) 热量不能自动地从低温物体传向高温物体,2) 若外界有变化，热量可以从低温物体传向高温物体,热力学第二定律可有多种说法，每
13、一种说法都反映了自然界过程进行的方向性 .,59,对于孤立系统，从非平衡态向平衡态过渡是自动进行的，这样的过程叫自然过程.,三 自然过程的方向性,功热转换的过程是有方向性的（单摆） 热传导过程也具有方向性 气体向真空中绝热自由膨胀的过程是有方向性的,60,可逆过程 :如果存在一个逆过程，该逆过程能使系统和外界同时完全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原来过程对外界引起的一切影响），则原来的过程称为可逆过程.,四 可逆过程与不可逆过程,不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.,2）一切与热现象有关实际过
14、程都是不可逆过程。,1）无耗散因素的准静态过程是一种理想的可逆过程。,可逆过程的条件,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程.,62,（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关.,8.7 卡诺定理,（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都不可能大于可逆热机的效率.,8.8 热律学第二定律的统计意义,孤立系统内所发生的过程，总是由无序度小的状态向无序度大的状态过渡,或由热力学概率小的状态向概率大的状态过渡。,共有24=16个 微观状态,从宏观上可分 为五个状态,热二律的统计解释,(以气体的自由膨胀为例),考虑只有4个分子的情况,注意：这一事实反映着一个孤立系统内进行的过程，总是由微观状态数小的宏观状态向微观状态数大的宏观状态进行。而相反过程进行的几率几乎为零。这是一切不可逆过程的实质。,
