1、熱力學基礎演示文稿第一頁，共三十九頁。熱力學基礎第二頁，共三十九頁。熱學熱力學分子動理論從現象中找規律透過現象追本質宏觀規律微觀機制觀察 記錄 分析 總結建模 統計 理論 驗證第9章 熱力學基礎理論基礎是:熱力學第一定律 熱力學第二定律9-1 熱力學系統 平衡態 準靜態過程一、氣體的狀態參量狀態參量 (status parameter)： 描述氣體宏觀狀態的物理量。體積(volume) V ： 氣體分子自由活動的空間。國際單位：米3（m3） 當氣體分子大小不計時，氣體體積等于容器的容積。2. 壓強(pressure) p ： 垂直作用在容器壁單位面積上的氣體壓力。國際單位：Pa (帕斯卡) P

2、a = Nm-2 1標準大氣壓 = 1.01325105Pa 1工程大氣壓 = 9.80665104Pa3. 溫度(temperature) T ： 表征熱平衡狀態下系統的宏觀性質。 冷熱程度的物理量溫度的數值表示法 溫標。攝氏溫標：t ， 冰點為 0熱力學(開氏)溫標： T K ， 冰點為 273.15K 絕對零度：T = 0 K第三頁，共三十九頁。2. 壓強(pressure) p ： 垂直作用在容器壁單位面積上的氣體壓力。國際單位：Pa (帕斯卡) Pa = Nm-2 1標準大氣壓 = 1.01325105Pa 1工程大氣壓 = 9.80665104Pa溫度的數值表示法 溫標。攝氏溫標：

3、t ， 冰點為 0熱力學(開氏)溫標： T K ， 冰點為 273.15K 絕對零度：T = 0 K3. 溫度(temperature) T ： 表征熱平衡狀態下系統的宏觀性質。 冷熱程度的物理量 水三相點(氣態、液態、固態的共存 狀態)273.16 K4. 熱力學第零定律測溫原理熱平衡 (thermal equilibrium)： 兩個物體互相熱接觸，經過一段時間后它們的宏觀性質不再變化，即達到了熱平衡狀態。熱力學第零定律(Zeroth law of thermodynamics)： 在不受外界影響的條件下，如果處于確定狀態下的物體C分別與物體A、B達到熱平衡，則物體A和B也必相互熱平衡。A

4、BCABC二、平衡態(equilibrium status)第四頁，共三十九頁。熱力學第零定律(Zeroth law of thermodynamics)： 在不受外界影響的條件下，如果處于確定狀態下的物體C分別與物體A、B達到熱平衡，則物體A和B也必相互熱平衡。ABCABC二、平衡態(equilibrium status) 在不受外界影響（即系統與外界沒有物質和能量的交換）的條件下，無論初始狀態如何，系統的宏觀性質在經充分長時間后不再發生變化的狀態。 平衡態下系統各部分的溫度、壓強相同。熱動平衡三、準靜態過程熱力學過程 (thermodynamic process)： 熱力學系統的狀態隨時間

5、發生變化的過程。 實際過程的中間態為非平衡態。2. 準靜態過程(approximate static process)： 狀態變化過程進行得非常緩慢，以至于過程中的每一個中間狀態都近似于平衡態。 平衡過程理想過程！第五頁，共三十九頁。三、準靜態過程熱力學過程 (thermodynamic process)： 熱力學系統的狀態隨時間發生變化的過程。 實際過程的中間態為非平衡態。2. 準靜態過程(approximate static process)： 狀態變化過程進行得非常緩慢，以至于過程中的每一個中間狀態都近似于平衡態。 平衡過程理想過程！ 準靜態過程的過程曲線可以用p-V圖來描述，圖上的每一

6、點分別表示系統的一個平衡態。(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO9-2 理想氣體的狀態方程 狀態參量之間的關系一、理想氣體 (idea gas)： 在任何情況下都嚴格遵守“玻-馬定律”、 “蓋-呂定律”以及“查理定律”的氣體。二、理想氣體的狀態方程 (status equation of idea gas) ：易得：對于系統質量不變的氣體試驗證明：1摩爾氣體在標準狀態下，占有的體積為：標準狀態：則對于1摩爾理想氣體有：第六頁，共三十九頁。9-2 理想氣體的狀態方程 狀態參量之間的關系一、理想氣體 (idea gas)： 在任何情況下都嚴格遵守“玻-馬定律”、 “蓋-呂定律”以及“查理

7、定律”的氣體。二、理想氣體的狀態方程 (status equation of idea gas) ：易得：對于系統質量不變的氣體試驗證明：1摩爾氣體在標準狀態下，占有的體積為：標準狀態：則對于1摩爾理想氣體有：令稱為“摩爾氣體常量 ” 從而，對于質量為m、摩爾質量為M的理想氣體狀態方程可寫為：9-3 熱力學第一定律 內能 功 熱量一、基本物理量1、內能 (internal energy)E 熱力學系統的能量 它包括了分子熱運動的平動、轉動、振動能量、化學能、原子能、核能. 第七頁，共三十九頁。和分子間相互作用的勢能。(不包括系統整體運動的機械能)9-3 熱力學第一定律 內能 功 熱量一、基本物

8、理量1、內能 (internal energy)E 熱力學系統的能量 它包括了分子熱運動的平動、轉動、振動能量、化學能、原子能、核能. 理想氣體的內能： 理想氣體的內能是溫度的單值函數，它是一個狀態量，只和始、末兩位置有關，與過程無關。 內能變化E只與初末狀態有關，與所經過的過程無關，可以在初、末態間任選最簡便的過程進行計算。內能變化方式做功熱傳遞2、功 (work) W熱力學系統作功的裝置活塞dlp-V圖第八頁，共三十九頁。2、功 (work) W熱力學系統作功的裝置活塞dlp-V圖(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVOV1V2dV結論：系統所做的功在數值上等于p-V 圖上過程曲線以

9、下的面積。熱力學系統作功的本質： 無規則的分子熱運動與有規則的機械運動之間的能量轉化。3、 熱量(heat) Q: 系統之間由于熱相互作用而傳遞的能量。熱量傳遞的本質： 無規則的分子熱運動之間的能量轉化。 功和熱量都是過程量，而內能是狀態量，通過做功或傳遞熱量的過程使系統的狀態（內能）發生變化。熱量的單位：國際單位：焦耳（J） 工程單位：卡焦耳當量：1卡 = 4.186 焦耳功與熱的等效性： 作功或傳遞熱量都可以改變熱力學系統的內能第九頁，共三十九頁。結論：系統所做的功在數值上等于p-V 圖上過程曲線以下的面積。熱力學系統作功的本質： 無規則的分子熱運動與有規則的機械運動之間的能量轉化。3、

10、熱量(heat) Q: 系統之間由于熱相互作用而傳遞的能量。熱量傳遞的本質： 無規則的分子熱運動之間的能量轉化。 功和熱量都是過程量，而內能是狀態量，通過做功或傳遞熱量的過程使系統的狀態（內能）發生變化。熱量的單位：國際單位：焦耳（J） 工程單位：卡焦耳當量：1卡 = 4.186 焦耳功與熱的等效性： 作功或傳遞熱量都可以改變熱力學系統的內能二、熱量和熱容量1、熱容量(thermal capacity)：物體溫度升高一度所需要吸收的熱量。單位：2、比熱(specific heat)： 單位質量物質的熱容量。單位：第十頁，共三十九頁。二、熱量和熱容量1、熱容量(thermal capacity)

11、：物體溫度升高一度所需要吸收的熱量。單位：2、比熱(specific heat)： 單位質量物質的熱容量。單位：3、摩爾熱容(Molar specific heat)： 1摩爾物質的熱容量。i 表示不同的過程（1）定體摩爾熱容： 1mol理想氣體在體積不變的狀態下， 溫度升高一度所需要吸收的熱量。（2）定壓摩爾熱容： 1mol理想氣體在壓強不變的狀態下，溫度升高一度所需要吸收的熱量。（3）Cv,m和Cp,m的關系實驗證明：邁耶公式 摩爾熱容比（絕熱系數）令實驗證明：第十一頁，共三十九頁。（3）Cv和Cp的關系實驗證明：邁耶公式 摩爾熱容比（絕熱系數）令實驗證明：CV,mCp,m單原子He, A

12、r5/3=1.673R/25R/2雙原子H2,O27/5=1.45R/27R/2多原子H2O,CO24/3=1.333R4R三、熱力學第一定律(First law of thermodynamics)本質：包括熱現象在內的能量守恒和 轉換定律。Q ：表示系統吸收的熱量，W： 表示系統所作的功，E： 表示系統內能的增量。熱力學第一定律微分式：其中i為自由度數：單原子 i=3雙原子 i=5多原子 i=6第十二頁，共三十九頁。9-3 熱力學第一定律的應用一、等體過程 (process at constant volume)V熱源QdA = 0特征：V=d0P-V圖：pVV0O根據熱力學第一定律 等體

13、過程在等體過程中，系統吸收的熱量完全用來增加自身的內能：因為，氣體的內能僅為狀態函數，所以，在任意的熱力學過程中均適用。理想氣體的內能：（理想氣體）第十三頁，共三十九頁。根據熱力學第一定律 等體過程在等體過程中，系統吸收的熱量完全用來增加自身的內能：因為，氣體的內能僅為狀態函數，所以，在任意的熱力學過程中均適用。理想氣體的內能：（理想氣體）二、等壓過程 (process at constant pressure)特征：氣體在狀態變化過程中壓強保持不變。熱源PQP-V圖：pVV1V2pO根據熱力學第一定律第十四頁，共三十九頁。二、等壓過程 (process at constant pressur

14、e)特征：氣體在狀態變化過程中壓強保持不變。熱源PQP-V圖：pVV1V2pO根據熱力學第一定律三、等溫過程 (process at constant temperature)特征：氣體在狀態變化過程中溫度保持不變。T = 恒量，dE =0根據熱力學第一定律系統吸熱全部用作對外做功：P-V圖：pV1V2VO第十五頁，共三十九頁。三、等溫過程 (process at constant temperature)特征：氣體在狀態變化過程中溫度保持不變。T = 恒量，dE =0根據熱力學第一定律系統吸熱全部用作對外做功：P-V圖：pV1V2VO過程曲線（雙曲線）例9-1 將500J的熱量傳給標準狀態下

15、的2mol氫。 (1) V不變，熱量變為什么？氫的溫度為多少？(2) T不變，熱量變為什么？氫的p、V各為多少？(3) p不變，熱量變為什么？氫的T、V各為多少？解：(1) V不變， Q = E， 熱量轉變為內能。第十六頁，共三十九頁。例9-1 將500J的熱量傳給標準狀態下的2mol氫。 (1) V不變，熱量變為什么？氫的溫度為多少？(2) T不變，熱量變為什么？氫的p、V各為多少？(3) p不變，熱量變為什么？氫的T、V各為多少？解：(1) V不變， Q = E， 熱量轉變為內能。(2)T不變， Q = W，熱量轉變為功(3)p不變， Q = W+ E， 熱量轉變為功和內能第十七頁，共三十

16、九頁。 例9-2: 質量為2.810-3kg、壓強為1.013105Pa、溫度為27的氮氣, 先在體積不變的情況下使其壓強增至3.039105Pa, 再經等溫膨脹使壓強降至1.013105Pa , 然后又在等壓過程中將體積壓縮一半。試求氮氣在全部過程中的內能變化，所作的功以及吸收的熱量，并畫出p-V圖。解：V/m3p/(1.013105Pa)OV3V4132V1已知：m= 2.810-3kgp1=1.013105PaT1=273+27=300（k）根據理想氣體狀態方程得又p2=3.039105PaV2=V1根據理想氣體狀態方程得又則，又p4=p1=1.013105Pa則，第十八頁，共三十九頁。

17、V/m3p/(1.013105Pa)OV3V4132V1又則，又p4=p1=1.013105Pa則，等體過程：等溫過程：等壓過程：從而整個過程中：第十九頁，共三十九頁。絕熱過程:9-4 理想氣體的絕熱過程一、 準靜態絕熱過程V1V2pVO氣體在狀態變化過程中系統和外界沒有熱量的交換。絕熱過程的熱力學第一定律:絕熱過程內能增量：絕熱過程的功：絕熱過程方程：（絕熱方程或帕松方程）*絕熱方程的推導：第二十頁，共三十九頁。*絕熱方程的推導：根據理想氣體狀態方程兩邊微分：兩邊積分得：消去p：消去V：絕熱線和等溫線的比較：pVA絕熱等溫O 絕熱線在A點的斜率大于等溫線在A點的斜率。第二十一頁，共三十九頁。

18、二、非靜態絕熱過程絕熱自由膨脹 手放在壓力鍋上方，會不會燙手？三、多方過程顯然，第二十二頁，共三十九頁。三、多方過程顯然，由熱力學第一定律：多方過程的摩爾熱容為 Cn多方過程吸熱：第二十三頁，共三十九頁。由熱力學第一定律：多方過程的摩爾熱容為 Cn多方過程吸熱：比較可得：由和得多方過程的摩爾熱容：第二十四頁，共三十九頁。 例9-3: 有810-3kg氧氣，體積為0.4110-3m3 ，溫度為27。如氧氣作絕熱膨脹，膨脹后的體積為4.110-3m3 ，問氣體作多少功？如作等溫膨脹，膨脹后的體積也為4.110-3m3 ，問氣體作多少功？解：已知m=810-3kgV1=0.4110-3m3T1=27

19、3+27=300（k）i=5M=3210-3kg/molV2=4.110-3m31）絕熱膨脹由絕熱方程2）等溫膨脹第二十五頁，共三十九頁。熱力學基本計算公式第二十六頁，共三十九頁。熱力學過程中吸放熱的判斷第二十七頁，共三十九頁。9-4 循環過程和卡諾循環目的：制造能連續不斷進行熱功轉換 的機器熱機、制冷機一、循環過程電冰箱 系統經歷一系列的變化過程又回到初始狀態的過程。1、循環特征：經歷一個循環過程后，內能不變。2、一個循環過程的p-V圖：BAbapOV正循環顯然，AaB為膨脹過程：Wa0，BbA為壓縮過程：Wb0，一個循環過程中，系統所作的凈功：= p-V圖上循環曲線所包圍的面積逆循環：在p

20、-V圖上循環過程按逆時針 進行。制冷機熱機3、一個循環過程中的吸熱和放熱設：第二十八頁，共三十九頁。2、一個循環過程的p-V圖：BAbapOV正循環顯然，AaB為膨脹過程：Wa0，BbA為壓縮過程：Wb0，一個循環過程中，系統所作的凈功：= p-V圖上循環曲線所包圍的面積逆循環：在p-V圖上循環過程按逆時針 進行。制冷機熱機3、一個循環過程中的凈吸熱設：系統吸熱之和系統放熱之和根據熱力學第一定律4、熱機效率5、制冷系數A外制冷過程：外界作功W，系統吸熱Q1，系統放熱Q2。第二十九頁，共三十九頁。根據熱力學第一定律4、熱機效率5、制冷系數A外制冷過程：外界作功W，系統吸熱Q1，系統放熱Q2。 例

21、9-4: 3.210 -2 kg氧氣作ABCD循環過程。AB和C D都為等溫過程，設T1=300K，T2=200K，V2 =2V1。求循環效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1VpO解：（分析各分過程的吸熱或放熱）AB、DA吸熱，BC、CD放熱。AB等溫過程：DA等體過程：第三十頁，共三十九頁。 例9-4: 3.210 -2 kg氧氣作ABCD循環過程。AB和C D都為等溫過程，設T1=300K，T2=200K，V2 =2V1。求循環效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1VpO解：（分析各分過程的吸熱或放熱）AB、DA吸熱，BC、CD放熱。AB等溫過程：DA等體過程：B

22、C等體過程：CD等溫過程：第三十一頁，共三十九頁。二、卡諾循環目的：從理論上探索提高熱機效率的方法。1824年，法國青年科學家卡諾（1796-1832）提出一種理想熱機，工作物質只與兩個恒定熱源（一個高溫熱源，一個低溫熱源）交換熱量。整個循環過程是由兩個絕熱過程和兩個等溫過程構成，這樣的循環過程稱為 卡諾循環。1、理想氣體準靜態卡諾循環兩個等溫過程 和 兩個絕熱過程組成V3V1VpDABCV2V4T1T2OBC 和 DA 過程：絕熱AB 和 CD過程：等溫吸熱和放熱Q1Q2第三十二頁，共三十九頁。V3V1VpDABCV2V4T1T2OBC 和 DA 過程：絕熱AB 和 CD過程：等溫吸熱和放熱

23、Q1Q2卡諾循環效率：結論：1）卡諾循環的效率僅僅由兩熱 源的溫度決定。2）兩熱源的溫度差越大，卡諾 循環的效率越大。2、卡諾制冷系數：第三十三頁，共三十九頁。卡諾循環效率：結論：1）卡諾循環的效率僅僅由兩熱 源的溫度決定。2）兩熱源的溫度差越大，卡諾 循環的效率越大。 例9-5: 一卡諾循環，熱源溫度為100 oC，冷卻器溫度為0oC。如維持冷卻器溫度不變，提高熱源溫度，使循環1的凈功率增加為原來的2倍。設此循環2工作于相同的兩絕熱線之間，工作物質為理想氣體。試求： 此熱源的溫度增為多少？ 這時效率為多大？Vp T1ABCD DCOT0T2解：(1)循環1由循環效率的定義及卡諾循環效率公式整理得第三十四頁，共三十九頁。此熱源的溫度增為多少？ 這時效率為多大？Vp T1ABCD DCOT0T2解：(1)循環1由循環效率的定義及卡諾循環效率公式整理得同理：由題意：則，整理得：(2)第三十五頁，共三十九頁。例9-6