同學們好

2021/5/91第三章熱力學基礎結構框圖熱力學系統內能變化的兩種量度功熱量熱力學第一定律熱力學第二定律等值過程絕熱過程循環過程卡諾循環應用（理想氣體）（對熱機效率的研究）2021/5/92第一節熱力學第一定律一、熱力學系統外界大量粒子組成的宏觀、有限的體系。與熱力學系統比鄰的周圍環境稱為外界。與外界有m、E

交換與外界有E

交換，無m

交換與外界無E、m

交換開放系統孤立系統封閉系統系統絕熱例開放系統封閉系統孤立系統熱力學：研究熱力學系統的狀態及其變化的規律。2021/5/931.描述系統宏觀性質的物理量：p、T、V、E...廣延量強度量無可加性，如p、T平衡態：無外界影響時，孤立系統的宏觀性質不隨時間變化的狀態，稱為熱力學平衡態。此時，狀態參量有確定的值。二、狀態參量平衡態（1）平衡態是一種理想模型，包括（力學、熱學、化學）平衡（2）平衡態和穩衡態

平衡態：孤立系統，無外界影響，狀態不變

穩衡態：非孤立系統，受外界影響，狀態不變，是非平衡態2021/5/94三、準靜態過程初態、末態及中間態無限接近平衡態的過程。這是一種進行得非常緩慢的過程（判據：弛豫時間）。準靜態過程：熱力學系統的狀態隨時間變化的過程叫做熱力學過程，簡稱過程。按平衡性質分，熱力學過程可分為：非靜態過程：至少有一個態是非平衡態的過程。1.準靜態過程2021/5/952.準靜態過程的功注意：非靜態過程不適用示功圖：

p-V圖上過程曲線下的面積結論：在準靜態過程中，系統對外做的功在數值上等于P-V圖上過程曲線下方的面積。2021/5/96思考：注意：功是過程量過程不同，曲線下面積不同（可正、可負、可零）2021/5/97四、熱力學第一定律如果一個系統經過一個過程，

其狀態的變化完全由于機械的或電磁的作用，則稱此過程為絕熱過程。在絕熱過程中外界對系統所做的功稱為絕熱功。

焦耳實驗結果表明：

用各種不同的絕熱過程使物體升高一定的溫度，

所需的功在實驗誤差范圍內是相等的，

如圖所示。1.焦耳實驗

在絕熱過程中，外界對系統所做的功僅取決于系統的初、末狀態。2021/5/982、系統的內能熱量（1）系統內能

E廣義：系統內所有粒子各種能量總和。包括平動、轉動、振動能量、化學能、原子能、核能...等，但不包括系統整體運動的機械能。狹義：所有分子熱運動能量和分子間相互作用勢能。實際氣體理想氣體2021/5/99①內能是狀態函數內能變化只與初末狀態有關，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。E△E②

改變內能的方式做功熱傳遞（2）熱量的計算熱量：物體間由于溫度差別而轉移的能量熱量的傳遞稱為傳熱。傳熱有三種方式：熱傳導、對流、熱輻射。2021/5/910摩爾熱容：物質的比熱容摩爾熱容：1摩爾物質在某一過程中溫度變化1K時，吸收或放出的熱量。注意：熱量也是過程量等體摩爾熱容：1摩爾理想氣體在等容過程中溫度變化1K時，吸收或放出的熱量。（無相變和化學反應）等壓摩爾熱容：1摩爾理想氣體在等壓過程中溫度變化1K時，吸收或放出的熱量。（無相變和化學反應）2021/5/9113.A與Q

比較改變E的方式特點能量轉換量度做功熱傳遞與宏觀位移相聯系通過非保守力做功實現機械運動熱運動A與溫差相聯系通過分子碰撞實現熱運動熱運動Q在系統狀態變化過程中，A、Q、△E之間滿足一定數量關系這種關系就是包含熱運動和機械運動范圍的能量守恒與轉化定律熱力學第一定律2021/5/9123熱力學第一定律準靜態過程：理想氣體：微變過程：（1）熱力學第一定律的數學形式2021/5/913(2)物理意義：熱力學第一定律是涉及熱運動和機械運動的能量轉換和守恒定律。(3)其它表述：第一類永動機是不可能制成的第一類永動機：系統不斷經歷狀態變化回到初態，不消耗內能，不從外界吸熱，只對外做功。違反熱力學第一定律即：AE2021/5/914第二節熱力學第一定律的應用等值過程等體過程

等壓過程等溫過程絕熱過程（1）

過程方程查理定律一、等容過程（

dV=0，V=C

)2021/5/915（2）

熱力學第一定律的具體形式（3）等體摩爾熱容吸熱全部用于增加內能：注意：適用于一切過程2021/5/916二、等壓過程

(dp=0p=C)（1）

過程方程蓋.呂薩克定律（2）熱力學第一定律的具體形式2021/5/917（3）等壓摩爾熱容由可得2021/5/918討論：2021/5/919三、等溫過程

(dT=0T=C)（1）過程方程玻意耳—馬略特定律（2）熱力學第一定律的具體形式吸收的熱量全部用于對外做功2021/5/920四、絕熱過程特點：dQ=0絕熱材料快速進行（如氣體自由膨脹）2021/5/921（1）過程方程熱力學第一定律條件準靜態：理想氣體：消去dT2021/5/922消去dT令有兩邊同除以有兩邊積分，得過程方程的推導2021/5/923（2）熱力學第一定律的具體形式2021/5/924*五、絕熱線和等溫線的比較絕熱線：比等溫線陡等溫線：

pV=恒量雙曲線過p-V圖中某點（A)a.比較斜率b.比較壓強變化使同一理想氣體從相同初態壓縮相同體積2021/5/925pVo*5.

多方過程(一般情況)2021/5/926小結：A：準靜態過程非靜態過程Q：等體絕熱Q=0等溫（準靜態）等壓2021/5/927練習1理想氣體的下列過程，哪些是不可能發生的？(1)

等體加熱，內能減少，壓強升高(2)

等溫壓縮，壓強升高，同時吸熱(3)

等壓壓縮，內能增加，同時吸熱(4)

絕熱壓縮，壓強升高，內能增加答案：不可能發生的有:(1),(2),(3)2021/5/928例1.討論理想氣體在如圖所示兩過程中,ΔT,ΔE,A和Q的正負.判定的正負：由圖知:2021/5/9292021/5/930例：有bmol理想氣體，其定容摩爾熱容為3R/2，若按如圖所示的無摩擦準靜態過程由C狀態變到Z狀態，求它對外所做的功和吸收的熱量。2021/5/931第三節熱力學第二定律一、循環過程1.定義：系統經歷一系列狀態變化后又回到初始狀態的過程叫循環過程。準靜態循環過程對應于圖中的閉合曲線順時針：正循環逆時針：逆循環OpV正逆參與循環的物質稱為工作物質。2021/5/9322.循環過程的特征熱力學第一定律：3.正循環及其效率dOpVabcV1V2正功負功凈功AT1T2整個過程吸的凈熱整個過程對外做的凈功d和取絕對值由于所以2021/5/933熱機的能量轉換:從高溫熱源吸熱（可能不止一個）向低溫熱源放熱（可能不止一個）對外做功效果代價熱機效率:熱機及其效率熱機：利用工作物質的正循環不斷把熱轉化為功的裝置。2021/5/934實例：蒸汽機的循環Q1Q2A1A22021/5/9354.逆循環及致冷系數OPV逆abcV1V2凈功dT1T2Q1Q2A=Q1-Q2和取絕對值由于所以外界對系統做的凈功2021/5/936能量轉換：從低溫熱源吸熱（效果）外界對系統做功

（代價）向高溫熱源放熱注意：這里的Q2僅是循環過程中系統從冷庫吸收的熱量——衡量致冷的效力致冷機及致冷系數致冷機：利用工作物質的逆循環獲取低溫的裝置。致冷系數2021/5/937實例：電冰箱Q1A2021/5/938（1）高溫熱源與低溫熱源是相對的。注意：對于熱機和致冷機：正循環中，把熱量傳遞給工作物質的熱源叫高溫熱源；反之就是低溫熱源。逆循環與正循環正好相反。（2）熱量逆循環（3）功正循環逆循環正循環2021/5/939季節作用低溫熱源高溫熱源效果夏天冬天冷泵（A)熱泵（A)房間大氣大氣房間室內降溫（對房間致冷)室內升溫(對大氣致冷)介紹：空調機的循環—

致冷機與熱泵原理的結合壓縮機作功，吸熱傳向高溫熱源AQ2Q1夏天AQ2Q1冬天2021/5/940二、卡諾循環

18世紀末19世紀初，蒸汽機的效率很低，不能滿足資本主義大工業的需要。提高熱機效率，解決動力問題就成了當時的首要任務。法國工程師卡諾認為：“要最完整地研究由熱得到動力的道理，必須不依賴于任何特定機構和任何特殊的工作物質，必須使所進行的討論不僅適合于蒸汽機，而且可以應用于一切可以想象的熱機，不管它們用的什么物質，也不管它們如何動作”。在此思想的指導下，提出了一個十分重要的循環--卡諾循環。2021/5/9411.卡諾循環及其特點：卡諾正循環或卡諾逆循環與兩個恒溫熱源交換能量（兩個等溫過程）2）

不與其它熱源交換能量（兩個絕熱過程）如何在P-V

圖中表示？特點:簡單：只需要兩個熱源重要：可以組成任何一種循環卡諾循環：工質只與兩個恒溫熱源交換能量的循環過程。2021/5/942高溫T1低溫T2高溫T1低溫T2Q1Q2A=Q1-Q2Q2A

Q1=A+Q2

卡諾循環過程：正循環正循環逆循環2021/5/9432.理想氣體的卡諾循環1)卡諾正循環的效率等溫過程：絕熱過程：p2021/5/944一般地，對于一個由個分過程構成的循環有：注意：2021/5/945等溫過程：絕熱過程：2)

逆循環致冷系數p2021/5/946注意：2021/5/947注意：對一切循環適用只對卡諾循環適用2021/5/948練習1:20-16已知:求:

2021/5/949解：1-2:2-3:絕熱膨脹2021/5/950等溫壓縮3-1:2021/5/951練習2.解：進行如圖循環過程求：2021/5/952(2)效率2021/5/953(3)

與A內能相同的點必與A在同一條等溫線上，而過A的等溫線必然與CD相交。設交點為F，則所以，與A內能相同F點的狀態為：2021/5/954注意是T-V

圖練習3.注意是T-V

圖2021/5/955總吸熱總放熱2021/5/956三、熱力學第二定律熱力學第一定律：能量轉換和守恒定律凡違反熱力學第一定律的過程都不可能發生。——第一類永動機不可能成功!是否不違反熱力學第一定律的過程就一定能發生？功熱轉換熱傳導擴散…...能量轉換有一定方向和限度1.自然現象的不可逆性（1）可逆過程和不可逆過程定義：設系統經歷過程2021/5/957為可逆過程為不可逆過程自然界中存在大量不可逆過程：例如生物的生長發育過程、日月星辰的運行過程、化學反應過程等。大量實驗事實說明：一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。2021/5/9582.熱力學第二定律的兩種典型表述及其等效性從熱機角度（熱功轉換角度）說明能量轉換的方向和限度。*

不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉變為有用功而不產生其它影響。或：*

唯一效果是熱功轉化的過程是不可能實現的。*

單熱源熱機是不可能制成的。TQA*1.開爾文表述(K)2021/5/959注意理解：

熱力學第一定律和第二定律是互相獨立的。比較:第一類永動機：第二類永動機：不耗能，只做功違反熱力學第一定律違反熱力學第二定律2021/5/960

熱力學第二定律并不意味著熱不能完全轉變為功關鍵詞：“無其它影響”熱完全轉變為功，而且使系統和外界均復原是不可能的。例：理想氣體等溫膨脹不違反熱力學第二定律2021/5/961

熱力學第二定律指出了熱功轉換的方向性功自發熱100%

轉換熱非自發功不能100%

轉換

熱力學第二定律與能源危機能量做功的能力下降，能量品質下降。熱力學第二定律:熱力學第一定律:能量轉換并守恒，何來能源危機？2021/5/962從致冷機角度（熱傳導角度）說明能量轉換的方向和限度。*熱量不能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。或：*

第二類永動機是不可能成功的。*QA=0Q2.

克勞修斯表述(C)2021/5/963注意理解:

熱力學第二定律指出了熱傳導方向性：高溫自動低溫低溫非自動高溫（外界做功）

熱力學第二定律并不意味著熱量不能從低溫物體傳到高溫物體關鍵詞：“自動”

即熱量從低溫物體傳到高溫物體不能自發進行，不產生其它影響。例：電冰箱2021/5/9643.兩種表述的等效性（1）正定理：如果K成立，C一定成立逆定理：如果C成立，K一定成立（2）否定理：如果K不成立，C一定不成立逆否定理：如果C不成立，K一定不成立用反證法證明后兩項可以證明，熱力學第二定律的兩種表述是完全等效的。2021/5/965

假設K表述不成立。則存在單熱源熱機，可以將熱量完全轉化為功而不引起其它影響