1、1,第三章 热力学第一定律,2,1. 热力学系统：热力学研究的对象称为热力学 系统（研究气体系统），其它均称为外界。,一、基本概念,2. 热力学过程:,状态随时间变化的过程,（1）按过程中经历的各个状态的性质分类:,准静态过程（平衡过程）：初态、每个中间态、终态都可近似地看成是平衡态的过程。,非静态过程（非平衡过程）：只要有一个状态不是平衡 态，整个过程就是非静态过程。,3,（2）按过程的特征分类:,等容过程： dV = 0,等压过程： dP = 0,等温过程： dT = 0,绝热过程： dQ = 0，Q = 0,循环过程：,dE = 0 E终态 = E初态,4,PV 图上一条线，表示一个平衡
2、过程。,PV 图上一个点，表示一个平衡状态。,3过程曲线,改变内能的方法,外界对系统作功（或反之）。,外界对系统传热（或反之）。,4功、热量、内能,P,V,非平衡态，非平衡过程不能在PV 图上表示！,5,二、功（准静态过程的功）, 特点：,（不仅与始末两态有关，而且与经历的中间过程有关）,过程量, 气体对外界所做的元功, 气体体积从V1变化到V2时，系统对外界做的总功,6,外界对系统作功，A为负。,10 此过程所作的功反映在 P-V图 上，就是曲线下的面积。,1,2,系统对外界作功，A为正。,20上图：系统对外界作了功，系统的状态 变了，内能也变了。,“功”是系统内能变化的量度，,P,V,符号
3、法则：,注意：,功不仅与初、末态有关，还与过程有关是过程量。,7,三、热量, 特点：,过程量,（有不同的摩尔热容量）,系统吸热， Q为正。,系统放热， Q为负。,符号法则：,（ 不同的过程有不同的热量 ）, 摩尔热容量Cm：,一摩尔物质温度升高1K时系 统从外界吸收的热量。,8,四、内能,状态量,特点：,(只与始末两态有关，与中间 过程无关),气体的内能,9,10 作功和传热对改变系统的内能效果是一样的。,（要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）,20 国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（J）。,（1卡 = 4.18 焦耳),30 功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身不 是内能。,
4、内能：态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。,功、热量：只有在状态变化过程中才有意义，状态不 变，无功、热可言。,注意 ：,10,五、热力学第一定律, 微分形式, 积分形式,1. 数学表式,11,2. 热力学第一定律的物理意义,（1）外界对系统所传递的热量 Q , 一部分用于系统对外作功，一部分使系统内能增加。,（2）热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒定律。,问：经一循环过程,不要任何能量供给,不断地对外作功， 或较少的能量供给，作较多的功行吗？,第一类永动机是不可能制成的！,热一律可表述为：,热一律的适用范围：任何热力学系统的任何 热力学过程。,注意：,12,3. 热力学第一定律对
5、理想气体等值过程的应用,对平衡过程计算:,根据：,13,1.等容过程,（1）特征： V=恒量 ，dV=0，参量关系: P/ T = 恒量,（2）热一律表式：,对有限变化过程,系统吸收的热量全部用来增加系统本身的内能。,意义：,14,（3）定容摩尔热容：1摩尔气体在等容过程中，温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量。,单原子分子,双原子分子,多原子分子,15,（4）内能增量：,等容过程,（适用于任何过程）,16,2. 等压过程,（1）特征： P=恒量 ，dP=0，参量关系:,（2）热一律表式：,作功：,内能增量：,意义： 系统吸收的热量，一部分对外作功，一部分增加自身的内能。,17,（3）
6、定压摩尔热容：1摩尔气体在等压过程中，温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量。,（迈耶公式）,18,比热容比,单原子分子,双原子分子,等压过程,多原子分子,19,3. 等温过程,（1）特征：T = 恒量， dT = 0 ，dE0参量关系： PV = 恒量,（2）热一律表式,意义： 系统吸收的热量全部用来对外作功。,功：,20,等温过程,21,4. 绝热过程,（1）特征,参量关系（泊松方程）,（2）热一律表式,22,意义：当气体绝热膨胀对外作功时，气体内能减少。,功：,内能改变：,绝热膨胀靠的是内能减少。 （温度降低）,（2）,（1）,23, 推导绝热方程：,（用第一定律微分形式）,24,
7、25,绝热过程方程（泊松方程）,（3）“绝热摩尔热容”,26,等温线,斜 率,绝热线,斜 率,（4）绝热线与等温线的比较,27,结论：绝热线比等温线陡峭,同一点 斜率之比,绝热,等温,28,过程 特征 参量关系 Q A E,等容等压等温绝热,V 常量,P 常量,T 常量,P/T=常量,V/T=常量,PV = 常量,29,例1（4346）试证明 刚性分子理想气体作等压膨胀时，若从外界吸收的热量为Q，则其气体分子平均动能的增量为Q/(NA), 式中为比热容比。,证明:,理想气体分子平均动能的增量,30,对等压过程,一摩尔刚性分子,理想气体,31,例2（4694）某理想气体在P-V图上等温线与绝热线
8、相交于A点，如图，已知A点的压强P1=2105Pa，体积V1=0.510-3m3，而且A点处等温线斜率与绝热线斜率之比为0.714，现使气体从A点绝热膨胀至B点，其体积V2=110-3m3 。求（1）B点处的压强（2）在此过程中气体对外作的功,32,解：,（1）B点处的压强,由绝热过程方程,33,（双原子分子）,34,（2）在此过程中气体对外作的功,35,例3（4693）如图所示，一个四周用绝热材 料制成的气缸，中间有一固定的用导热 材料制成的导热板C把气缸分成A、B两 部分。D是一绝热的活塞。A中盛有 1mol氦气，B中盛有1mol氮气（均视为 刚性分子的理想气体）。今外界缓慢地 移动活塞D
9、，压缩A部分的气体，对气体作功为A，试求在此过程中B部分气体内能的变化。,氦气,氮气,36,解：,取（A+B）两部分的气体为研究系统，,在外界压缩A部分气体、作功为A的过程 中，系统与外界交换的热量,氦气,氮气,37,因此A、B两部分气体的温度 始终相同。,系统内能的变化为,氮气,氦气,C是导热板，,即：,38,例4（4313）一定量的理想气体，从P-V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），问两过程中气体吸热还是放热？（A）（1）过程吸热 （2）过程放热（B）（1）过程放热 （2）过程吸热（C）两种过程都吸热（D）两种过程都放热,（1
10、）,（2）,39,（1）,（2）,解：,因为气体膨胀，,内能增量与过程无关，只与始末两态有关。,放热,吸热,（B）对,40,补充作业（4692）如图所示，C是固定的绝热壁，D是可动活塞，C、D将容器分成A、B两部分。开始时A、B两室中各装入同种类的理想气体，它们的温度T、体积V、压强P均相同，并与大气压强相平衡。现对A、B两部分气体缓慢地加热，当对A和B给予相等的热量Q以后，A室中气体的温度升高度数与B室中气体的温度升高度数之比为7:5。求:,41,（1）求该气体的定容摩尔热容CV和定压摩尔热容CP （2）B室中气体吸收的热量有百分之几用于对外做功？,42,练习（4692）解答,A室气体经历的
11、 是过程,B室气体经历的是 过程,等容,等压,依题意有：,43,解得：,又,（2）,44,六、循环过程及卡诺循环,1. 循环过程：,物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样周而复始的变化过程称为循环过程，简称为循环。,过程按顺时针进行叫正循环，反之，叫逆循环。,（1）特征 dE=0 , E=0,（3）热功计算：按各不同的分过程进行，总合起来求得整个循环过程的净热量、净功（二者相等）。,（2）通过各种平衡过程组合起来实现。,45,(1) 热机,利用工作物质持续不断地把热转化为功 的装置。,2. 热机 致冷机,什么过程能将热能变成功？,等压等温 绝热,什么过程最好？,0,实际上，仅仅等温过
12、程是不行的！,系统从外界 吸收的热量,系统对外界 所作的净功,热,功,46, 热机循环,利用工作物质持续不断地把热转化为功的循环。,热机循环的循环箭头是顺时针的,（正循环）,系统对外界所作的净功,=,循环曲线包围的面积,是正循环,以保证,47, 热机循环效率,（2）致冷机：将热机的工作过程反向运转（逆循环），就是致冷机。,热机效率：,（ Q1, Q2 为绝对值 ）,48, 致冷机,通过对系统做功，从而从低温热源吸取 热量的装置。, 致冷机循环,（逆循环）,热,系统吸收的 热量,功,外界对系统 所作的净功,致冷机循环的循环箭头是逆时针,利用工作物质持续不断地把功转化为热 的循环。,外界对系统所作
13、的净功= 循环曲线包围的面积,49, 制冷机制冷系数,制冷系数：,50,卡诺循环是由两个等温过程和两个 绝热过程相间组成,特点：,3.卡诺循环,1824年28岁的工程师卡诺提出最理想的循环,51,卡诺热机循环,蓝色,等温线,红色,绝热线,（1）12，等温膨胀（ ）,特点：,系统从外界吸热,系统对外界作功,Q吸,T1,T2,膨胀,52,（2）23，绝热膨胀过程，温度下降至低温热源温度,特点：,系统对外界作功,膨胀,53,（3）34，等温压缩（ ）,特点：,外界对系统作功,系统向外界放热,Q放,被压缩,54,（4）41，绝热压缩过程，经此过程，系统回到原来状态，完成一个循环。,特点：,外界对系统作
14、功,被压缩,55, 一个循环完毕：,系统对外界作的净功,系统内能增量,系统从外界吸收的净热量,系统从外界吸收的净热量,= 系统对外界做的净功,56,热机的工作原理,系统所吸收的热量，不能全部用来对外作净功，必须有一部分传给冷源，才能进行循环。,T1,T2,净,卡诺热机循环效率,57,10 卡诺热机的效率只与T1、T2有关，与工作物无关。,20,不可能,58,卡诺制冷机循环,（1）14，绝热膨胀过程，系统温度下降至低温热源温度,（2）43，等温膨胀（ ）,系统吸热,59,（3）32，绝热压缩过程，温度上升到高温热源,（4）21，等温压缩（ ）经此过程，系统回到原来状态，完成一个制冷循环。,系统放
15、热,60,卡诺制冷机制冷系数,卡诺致冷机原理：,工作物质从低温热源吸热 ，又接受外界所作的功 ，向高温热 源放出热量 。,卡诺制冷机循环,61,例. 一定质量的理想气体循环过程分析Q、A 的正负,12：等压，升温,23：等温，升压,31：,等容、降温,大,大,小,小,小,大,小,大,62,七、 可逆过程和不可逆过程,在某过程 ab 中系统由 a态 b态。如能使系统由 b 态回到 a 态，周围一切也各自恢复原状，那么， a b 过程称为可逆过程。,1. 可逆过程,2. 不可逆过程,如1.所述，若系统恢复不了原态，ab就是不可逆的。若系统恢复了原态却引起了外界的变化ab也是不可逆的。 例：,（1）功变热的过程,（2）热量从高温物体传到低温物体的过程,（3）气体的自由膨胀过程,（4）水自动地从高处向低处流。,（5）生命过程,63,“”号表示T1、T2间的不可逆卡诺机。,“=”号表示T1、T2间的可逆卡诺机。,3. 卡诺定理,可逆机：由可逆循环组成的热机。,“一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的”！,64,八、热力学第二定律（1）开尔文描述：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响。或：第二种永动机是不可能造成的。（2）克劳修斯描述：,热量不能自动地从低温物体传向高温物体。,
