1、热力学第一定律,华南理工大学理学院,第十五章,本章教学要求： 掌握功和热量的概念。理解准静态过程。掌握热力学第一 定律。能分析、计算理想气体等容、等压、等温过程和绝 热过程中的功、热量、内能改变量及卡诺循环等简单循环 的效率。计算理想气体的定压热容、定容热容.了解卡诺定 理。 了解可逆过程和不可逆过程。了解热力学第二定律及其 统计意义。了解熵的玻耳兹曼表达式，了解克劳修斯表 达式。,本章重点：功和热量的概念,理想气体等容、等压、等温过程和绝 热过程中的功、热量、内能改变,卡诺循环,热力学第 二定律,熵 本章难点：准静态过程,热力学第二定律,熵,返回目录,下一页,上一页,2-1 准静态过程 功,
2、热力学目录,3 热力学第一定律,4 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用,5 气体的热容,7 循环过程与卡诺循环,6 理想气体的绝热过程,返回总目录,2-2 热量,2 准静态过程 功 热量,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,dl,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,传热有三种基本方式： 传导(Conduction)、 对流(Convection) 热辐射(Radiation)。,与系统做功类似，热量是传递过程中的能量，传热量与过程有关，不同过程不同条件所传递的热量是不同的。从改变系统
3、的状态（或者说系统的能量）的角度来说，做功和传热是等效的。,三、热量,15.3 热力学第一定律,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,对于系统状态的无穷小变化过程，,对于理想气体的准静态过程，热力学第一定律可表示为：,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,15.4 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用,返回本章目录,下一页,上一页,V,V,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,P,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,解：由于系统所经历的过程都是准静态过程，我们可以把系统的状
4、态变化用p-V图表示,(1)根据已知条件，作p-V图，求出I、II、III及IV点的压强p、体积V和温度T,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,15.5 气体的热容,15.5.1 热容,热容与具体的物体相关,返回本章目录,下一页,上一页,15.5.2 理想气体的摩尔定容热容,返回本章目录,下一页,上一页,15.5.3 理想气体的摩尔定压热容,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,15.6 绝热过程,返回本章目录,下一页,上一页,即
5、：,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,该过程既是等温过程，又是绝热过程，但不是准静态过程。,返回本章目录,下一页,上一页,o,B,C,返回本章目录,下一页,上一页,例,分析：求绝热过程的功，有两种方法，一是找出压强随体积变化的函数关系，按功的计算式计算。二是求出系统内能的变化，按热力学第一定律求解。,法一,法二,返回本章目录,下一页,上一页,循环过程的提出是18世纪研究如何将热转换为功的问题上提出来的，表面上看，似乎等温膨胀最理想。 （ )即从外界吸收热全部变为功。这种想法如何呢？,事实上说明这种办法不行。,1）气缸长度是有限的，膨胀不可能无限制地进行下去。,2）即使
6、气缸可以做得无限长，但当气缸内压强与外界一致时，膨胀也将停止。,大量事实证明；要连续地把热转换为功只有利用循环过程。这种循环动作的机器称为热机。,循环过程-物质系统经历一系列变化过程又回到初始状态的周而复始的过程。,返回本章目录,下一页,上一页,15.7 循环过程与卡诺循环,返回本章目录,下一页,上一页,利用循环过程的热机及制冷机的一般概念,先介绍一个具体的热机-蒸汽机,O：锅炉，,B：气缸,C：冷凝器，,D：水泵,构造：,水在锅炉内加热，产生高温高压气体（吸热过程），进入气缸B;,工作过程：,推动活塞对外作功（内能减少），之后进入冷凝器C，（向低温热源放热），尔后通过D泵将水泵入锅炉，进入第
7、二循环.。,返回本章目录,下一页,上一页,）热机必须有工作物质、高温热源（锅炉）低温热源（冷凝器、大气）,高温热源,低温热源,热机,A,）热机的效率,热机效率越大越好，大量事实证明,）热机在循环过程中作净功,；这种从高温,热源吸收热量转化为系统内能，再通过系统对外作功其另一部分放入低温热源的循环称为正循环。,由此可看出：,返回本章目录,下一页,上一页,O；电动压缩泵,B：冷凝器,D；蒸发器,C毛细管,E工作物质：R-12（CCl2F2),电动压缩泵将制冷剂（氟里昂）压缩成高温高压气体，送至冷凝器，向空气（高温热源）中放热。经过毛细管减压膨胀，进入蒸发器D吸收冰箱（低温热源）的热量， ，之后变为
8、低压气体再一次循环.。,B,D,2)制（致）冷机-在外界作功的条件下，工作物质从低温热源吸收热量传到高温热源去，使低温物体温度,进一步降低的机器。,C,原理：,O,冰 箱,返回本章目录,下一页,上一页,高温热源,低温热源,制冷机,W,从以上可以看出： 制冷机是在外界作功的条件下从低温热源吸收热量传向高温热源。,制冷机希望作功少，提取热量多。故定义：,制冷系数,即用作单位数量的功所能从低温热源提取的热量来说明制冷的性能。,返回本章目录,下一页,上一页,制泠系数越大越好,二卡诺循环,提出：1828年法国青年工程师为研究如何提高热机效率而提出的一种理想热机。,（高）恒温热源,（低）恒温热源,热机,A
9、,返回本章目录,下一页,上一页,a（P1V1T1),b（P2V2T1）,c（P3V3T2）,返回本章目录,下一页,上一页,卡诺循环,卡诺热机,返回本章目录,下一页,上一页,a（P1V1T1),b（P2V2T1）,c（P3V3T2）,返回本章目录,下一页,上一页,a（P1V1T1),b（P2V2T1）,c（P3V3T2）,结论:1)cornot循环的效率小于1；,2)由于热机效率越大越好。 cornot机的效率指出了提高热机效率的方向:提高高低温热源的温度差;(由于低温热源的温度为环境温度，降低困难;因此，提高高温热源的温度要经济得多),3）由于实际过程既不可能绝热，也不可能为准静态，实际热机的
10、效率仅仅为上述效率的2030%。,返回本章目录,下一页,上一页,高温热源,低温热源,cornot,A,a（P1V1T1),b（P2V2T1）,d（P4V4T2）,c（P3V3T2）,3卡诺循环的作逆循环时则须外界是对系统作功.,卡诺制冷机的制泠系数,制泠系数越大越好，T2越大,制泠系数高.即低温热源的温度越高消耗的功就越少.高温热源与低温热源的温差越小，消耗的功就越少。,返回本章目录,下一页,上一页,例,解：,ab等温吸热,bc等压,负号表示向外界放热,返回本章目录,下一页,上一页,ca等体吸热,整个过程吸热,整个过程放热,返回本章目录,下一页,上一页,ab等温吸热,bc等压放热,例：总装机容
11、量为1.80GW，效率为30%，求全部运行时，（1）求热机从锅炉中吸收的热量（2）用10。C的海水冷却冷凝器，排水温度为20。C,求每秒需要多少吨海水（海水比热C=4.18kJKg -1 K-1),解：,每秒所需海水质量,返回本章目录,下一页,上一页,解,1.00kg0度的水变成0度的冰需取出热量,外界对制冷机作功,制冷机对外界放出热量,返回本章目录,下一页,上一页,7 可逆过程与不可逆过程 热力学第二定律,热力学第二定律,不一定,返回本章目录,下一页,上一页,热力学过程的方向性,高温,低温,热传导的方向性,注意：这里的方向性，是指它们存在一个自动的、无条件的、自发的、勿须外界帮助而进行 的方
12、向。而不是其反方向不能实现，只是实现其反方向过程要产生“对外影响”。,返回本章目录,下一页,上一页,可逆过程,返回本章目录,下一页,上一页,自然现象，历史文人，大多是不可逆的。落叶永离，覆水难收。欲死灰之复燃，艰乎为力；愿破镜之重圆，冀也无端。人生易老。古诗云：“流水花落春去也，天上人间。”“君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。”,例不计阻力的单摆运动,单纯的无耗散的机械运动是可逆过程。,什么过程是可逆过程？,可逆过程是理想化的过程。,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,A、单一热源是指温度均匀且恒定不变的热源；,B、“其它影响”
13、是指从单一热源吸收热量及把热量对外作功以外的任何变化。,热机,等温膨胀虽是从单一热 源吸收热量全部对外作 功，但体积膨胀了。,说明：,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。,1）开尔文（Kelvin)表述1851年,三）热力学第二定律的两种表述,返回本章目录,下一页,上一页,2）克劳修斯（Clausius）表述,热机1,两种表述的等价性,反证法：违反了Kelvin 表述也就违反了Clausius表述,高温热源（T1）,低温热源（T2）,热机2,高温热源（T2）,低温热源（T1）,返回本章目录,下一页,上一页,热机,反过来违反了Clausius 表述也就违反
14、了Kelvin表述。,高温热源（T1）,低温热源（T2）,热机,两种表述的等价性,高温热源（T1）,可以证明各种自发过程的不可逆性是相互关联的,由一种过程的不可逆性可以导出另一种自发过程的不可逆性。热力学第二定律采取了一种特殊的表述方法-说明一种过程的不可逆性就是一种表述。,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,1）热二律的统计解释,以气体的自由膨胀为例,先考虑只有一个分子的情况,这一个分子回到一边的概率是百分之五十。,只有两个微观状态,如果是四 个分子呢？,8 热力学第二定律的统计意义,返回本章目录,下一页,上一页,设有一容器仅有四个分子,
15、共有24=16个 微观状态,从宏观上可分 为五个状态,返回本章目录,下一页,上一页,210=1024,均匀分布或接近均匀 分布的几率却占了 670/1024。而10个分 子同时回到一边的几 率只有1/1024，,如果是10个分子呢,左,右,左,右,返回本章目录,下一页,上一页,若一摩尔气体作自由膨胀，所有分子都回到一边去的几率只有1/,实际的气体分子数很大。如 一摩尔的气体就有 N0=6.0221023个分子。,左,右,信息量大（粒子在左室就可以找到）信息量小（粒子在左右两室才可以找到）,返回本章目录,下一页,上一页,功转变成热的不可逆性（磨擦生热）实质是：反映分子总是从有序运动状态向无序的、
16、大量的、杂乱的微观状态数很大的方向进行。而反过程的几率很小、很小。,这就是热律学第二定律的统计意义。,返回本章目录,下一页,上一页,9 熵,返回本章目录,下一页,上一页,微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态，也是信息量最小的状态。,近来国际上一些 物理教育改革家 企图把物理学归结为 少数几个基本概念， 尽管各家之言 见仁见智， 但无例外地把熵 (或其等价的说法， 如能的退降) 列为一条。,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下
17、一页,上一页,例：,两热源温度分别为TH=600K，TL=500K，发生不可逆热传导，Q=1000KJ，计算传导过程熵变，并求，热量传递后，资用能或可用能的损失。,解：,孤立系统总熵变为,当孤立系统内部有不可逆的热传导过程时，系统的熵增加。,返回本章目录,下一页,上一页,在热源TH与环境（低温热源）T0之间放一卡诺热机，其效率为：,卡诺热机从热源TH吸Q=1000KJ可能对外作的最大的功为500KJ。,在热源TL与环境（低温热源）T0之间放一卡诺热机，其效率为：,卡诺热机从热源TL吸Q=1000KJ可能对外作的最大的功为400KJ。,返回本章目录,下一页,上一页,卡诺热机从热源TH吸Q=100
18、0KJ可能对外作的最大的功为500KJ。,卡诺热机从热源TL吸Q=1000KJ可能对外作的最大的功为400KJ。,能量虽然守恒，但可以利用的能量损失了。热能从热源TH传到热源TL，品质下降了。,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,返回本章目录,下一页,上一页,五一,指出几点：,1）熵增加原理只适用于孤立系统。对非孤立系统熵可增加也可减少。,当一个小孩从哇哇坠地，什么也不会，混混 沌沌，一天2/3时间在睡觉。但随着不断喂养， 最后成了一个聪明精干的小伙子。,因为它是一个开放系统！,又如，一杯水，它不断被外界吸收热量，变成冰，它的熵就减少了。,C,关于熵的进一步讨论：,熵的
19、增加意味着能量品质的降退,如图当A物体下降h时，水温 由T-T+T，这个过程中重力 势能Mgh全部变成水的内能。 要利用这一能量只能利用热机。,M,若周围温度为T0则这部分能量 能对外作功的最大值为：,能作的功少了，一部分能量放入到低温热库。 再也不能被利用了。这部分不能被利用的能量 称为退化的能量。,T+T,m,1）退化的能量是与熵成正比的；,3）每利用一份能量，就会得到一定的惩罚 -把一部分本来可以利用的能量变为退化的 能量；可以证明：退化的能量实际上就是环 境污染的代名词。节约能源就是保护环境。而 保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。,2）自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的
20、过程，大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度的增加。,（当代大学生应具备的能源环境观）,熵是事物无序度的量度,因为熵是与微观状态的对数成正比的，微观 状态数越大，混乱度就越大。信息量越小。,相反熵减小则有序度增加。以一个N个分子的 物质系统为例：让其冷却，放出热量，先是碰撞 次数减少，引起混乱的平均速率减小。继而变为 液体时这时分子以振动为主，平动为辅，位置相 对固定，有序度增加，温度再降低时，分子在平 衡位置附近振动更加序。,事实上平衡态是最无序。最无信息量，最缺活 力的状态。,人们发现无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、
21、进化。以致出现人类这样高度有序的生物。意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释了这个问题。,开放系统-与外界有物质 和能量的交换的系统,耗散结构杂谈,原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成。,系统自身产生的熵，总为正值。,与外界交换的熵流，其值可正可负。,当系统远离平衡态时系统不断消耗能源与物质,从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层次 保持有序。正于薛定谔指出来的：,中医说:,内有虚火,外感 风寒.,西医说:,感冒了,有炎症.,物理说:,如何治疗呢?,中医说:,西医说:,物理说:,发汗清热.,退热消炎,积熵过剩.,消除积熵.,感冒了,癌症:由于各种原因,致使体内某一部分的混乱度 大幅度增长.以致破坏了细胞再生时的基因密码 的有序遗传,细胞无控制地生长,产生毒素,进一步 破坏人体的有序,直到熵趋近无穷大-死亡到来.,修养与健康:,患得患失、气量狭小、爱生气的人易患癌 症不易长寿。人要像江主席讲的-“淡薄名利”。 此方是做人的根本。,改革开放的正确性：,热二律告诉我们，一个孤立的社会系统，由 于自身的不可逆过程（能源、交通、犯罪等）， 熵将趋于极大，信息量极小，没有生机、贫穷 落后。,耗散结构告诉我们，一个开放的社会，通过 输入入能源、信息、新技术-，输出自已的产 品、技术等，才能使社会在更高层次保持有序。,
