第08章 热力学基础
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化工原理课程设计课程目标
化工原理课程设计课程目标一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握化工原理的基本概念，如流体力学、热力学、传质与传热等；2. 使学生了解化工过程中常见单元操作的基本原理和设备结构；3. 引导学生运用数学和物理方法分析化工过程中的现象和问题。
技能目标：1. 培养学生运用化工原理解决实际问题的能力，如进行物料和能量平衡计算；2. 提高学生运用图表、数据和实验等方法进行化工过程分析和优化的技巧；3. 培养学生利用专业软件进行化工过程模拟和计算的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化工原理学科的热爱，激发学生学习兴趣和探究精神；2. 培养学生具备良好的团队合作精神和沟通能力，提高解决实际问题的自信心；3. 增强学生对化工行业的社会责任感，认识化工在国民经济发展中的重要作用。
课程性质分析：本课程为化工原理课程设计，旨在通过实际案例和练习，使学生将理论知识与实际工程相结合，提高解决实际问题的能力。
学生特点分析：学生已具备一定的化学、数学和物理基础知识，具有一定的分析问题和解决问题的能力，但实际工程经验不足。
教学要求：1. 注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力；2. 采用案例教学、讨论式教学等方法，激发学生的主动性和创新性；3. 强化过程评价，关注学生的个性化发展。
二、教学内容1. 流体力学基础：流体性质、流体静力学、流体动力学、流体阻力与流动形态；2. 热力学基础：热力学第一定律、热力学第二定律、热量传递与能量平衡；3. 传质与传热：质量传递原理、传热原理、对流传质与对流传热；4. 单元操作原理：流体输送、热量交换、分离操作、反应器设计；5. 化工过程模拟与优化：物料与能量平衡计算、过程模拟软件操作、过程优化方法；6. 化工案例分析：典型化工过程分析、设备结构介绍、操作参数优化。
教学大纲安排：第一周：流体力学基础第二周：热力学基础第三周：传质与传热第四周：单元操作原理（一）第五周：单元操作原理（二）第六周：化工过程模拟与优化第七周：化工案例分析与实践第八周：课程总结与评价教材章节及内容：第一章：流体力学（1-3节）第二章：热力学（4-6节）第三章：传质与传热（7-9节）第四章：单元操作原理（10-16节）第五章：化工过程模拟与优化（17-19节）第六章：化工案例分析（20-22节）教学内容科学性和系统性保证：1. 紧密结合教材，按照课程目标组织教学内容；2. 理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力；3. 由浅入深，循序渐进，使学生系统掌握化工原理知识。
08理想气体的基本热力过程(完整版)
pvn = const.
实际过程的多变指数可能是变化的，如果变化不 大，可取一平均值；变化较大时，可分段表示，每一段 近似为n值不变。
¾初、终态参数的关系
p2 p1
=
⎜⎜⎝⎛
v1 v2
⎟⎟⎠⎞n
T2 T1
=
⎜⎜⎝⎛
v1 v2
⎟⎟⎠⎞n−1
n−1
T2 T1
= ⎜⎜⎝⎛
p2 p1
⎟⎟⎠⎞
n
Δu = cV (T2 − T1) Δh = cp (T2 − T1)
n=∞
n=∞
过相同点1的四种基本热力过程线
Ⅰ Ⅰ
Ⅲ
Ⅲ
原则上，n可为-∞→ 0 →+ ∞之间的任一数值
但工程中所遇到的n一般都是正值（n>0）
dp = −n p dv v
若n<0，则 dp > 0 意味着： dv
工质膨胀时，压力增大，压缩时，压力降低，工程上一般看 不到这样的过程，所以n为负的过程不必考虑。
v1
v v1
=
RgT
ln
v2 v1
=
p1v1
ln
v2 v1
= − p1v1 ln
p2 p1
wt = w
9绝热可逆过程
δqrev = 0 ⎪⎫
ds
=
δqrev
T
⎬ ⎪⎭
ds = 0
s = const.
á 绝热可逆过程是定熵过程
¾ 过程方程
ds
= cp
dv v
+ cV
dp p
=0
γ dv + dp = 0
cV
¾ 多变指数
cn
=
n−γ
实际过程的多变指数可能是变化的，如果变化不 大，可取一平均值；变化较大时，可分段表示，每一段 近似为n值不变。
¾初、终态参数的关系
p2 p1
=
⎜⎜⎝⎛
v1 v2
⎟⎟⎠⎞n
T2 T1
=
⎜⎜⎝⎛
v1 v2
⎟⎟⎠⎞n−1
n−1
T2 T1
= ⎜⎜⎝⎛
p2 p1
⎟⎟⎠⎞
n
Δu = cV (T2 − T1) Δh = cp (T2 − T1)
n=∞
n=∞
过相同点1的四种基本热力过程线
Ⅰ Ⅰ
Ⅲ
Ⅲ
原则上，n可为-∞→ 0 →+ ∞之间的任一数值
但工程中所遇到的n一般都是正值（n>0）
dp = −n p dv v
若n<0，则 dp > 0 意味着： dv
工质膨胀时，压力增大，压缩时，压力降低，工程上一般看 不到这样的过程，所以n为负的过程不必考虑。
v1
v v1
=
RgT
ln
v2 v1
=
p1v1
ln
v2 v1
= − p1v1 ln
p2 p1
wt = w
9绝热可逆过程
δqrev = 0 ⎪⎫
ds
=
δqrev
T
⎬ ⎪⎭
ds = 0
s = const.
á 绝热可逆过程是定熵过程
¾ 过程方程
ds
= cp
dv v
+ cV
dp p
=0
γ dv + dp = 0
cV
¾ 多变指数
cn
=
n−γ
高中物理 第八章 第三节 理想气体的状态方程(第2课时)课件
T
三、克拉珀龙方程
三、克拉珀龙方程
pV nRT
或
pV m RT M
三、克拉珀龙方程
pV nRT
或
pV m RT M
克拉珀龙方程是任意质量的理想气体的 状态方程，它联系着某一确定状态下，各物 理量的关系。
三、克拉珀龙方程
pV nRT
或
pV m RT M
克拉珀龙方程是任意质量的理想气体的 状态方程，它联系着某一确定状态下，各物 理量的关系。
理想气体的状态方程
一.理想气体
假设有这样一种气体，它在任何温度和任何 压强下都能严格地遵从气体实验定律,我们把这样 的气体叫做“理想气体”。
一.理想气体
假设有这样一种气体，它在任何温度和任何 压强下都能严格地遵从气体实验定律,我们把这样 的气体叫做“理想气体”。
理想气体具有那些特点呢？
一.理想气体
5、气体密度式：
P1
1T1
P2
2T2
5、气体密度式：
P1
1T1
P2
2T2
以1mol的某种理想气体为研究对象，它在标准状态
5、气体密度式：
P1
1T1
P2
2T2
以1mol的某种理想气体为研究对象，它在标准状态
p0 1atm，V0 22.4L/mol ，T0 273K
常量，叫做摩尔气体常量．
6、摩尔气体常量：
设 R p0V0 为1mol理想气体在标准状态下的 T0
常量，叫做摩尔气体常量．
注意:R的数值与单位的对应
5、摩尔气体常量：
设 R p0V0 为1mol理想气体在标准状态下的 T0
常量，叫做摩尔气体常量．
三、克拉珀龙方程
三、克拉珀龙方程
pV nRT
或
pV m RT M
三、克拉珀龙方程
pV nRT
或
pV m RT M
克拉珀龙方程是任意质量的理想气体的 状态方程，它联系着某一确定状态下，各物 理量的关系。
三、克拉珀龙方程
pV nRT
或
pV m RT M
克拉珀龙方程是任意质量的理想气体的 状态方程，它联系着某一确定状态下，各物 理量的关系。
理想气体的状态方程
一.理想气体
假设有这样一种气体，它在任何温度和任何 压强下都能严格地遵从气体实验定律,我们把这样 的气体叫做“理想气体”。
一.理想气体
假设有这样一种气体，它在任何温度和任何 压强下都能严格地遵从气体实验定律,我们把这样 的气体叫做“理想气体”。
理想气体具有那些特点呢？
一.理想气体
5、气体密度式：
P1
1T1
P2
2T2
5、气体密度式：
P1
1T1
P2
2T2
以1mol的某种理想气体为研究对象，它在标准状态
5、气体密度式：
P1
1T1
P2
2T2
以1mol的某种理想气体为研究对象，它在标准状态
p0 1atm，V0 22.4L/mol ，T0 273K
常量，叫做摩尔气体常量．
6、摩尔气体常量：
设 R p0V0 为1mol理想气体在标准状态下的 T0
常量，叫做摩尔气体常量．
注意:R的数值与单位的对应
5、摩尔气体常量：
设 R p0V0 为1mol理想气体在标准状态下的 T0
常量，叫做摩尔气体常量．
工程热力学基础
工程热力学基础工程热力学基础是研究热与能量转化以及热力学循环的学科。
它是工程学中重要的基础学科之一，涉及到能量的转化、储存和传递等方面的问题。
在这里，我将以人类的视角，以生动的语言描述工程热力学基础的相关内容。
让我们来了解一下什么是热力学。
热力学是研究热与能量转化过程的一门学科，它描述了物质和能量之间的关系。
在工程中，我们经常需要考虑能量的转化问题，比如热能转化为机械能、电能或化学能等。
在工程热力学中，我们经常使用一些基本概念来描述能量转化的过程。
其中最重要的概念之一就是热力学循环。
热力学循环是一个能量转化的过程，它包括一系列的状态变化，最终回到起始状态。
比如蒸汽机、内燃机等都是基于热力学循环原理工作的。
在热力学循环中，热能的转化是一个重要的过程。
热能可以通过传导、传热、辐射等方式传递。
在工程中，我们经常需要考虑热能的传递问题，比如热交换器的设计、燃烧过程中的热能转化等。
热力学还包括熵的概念。
熵是描述系统无序程度的物理量，它与能量转化的效率有关。
在工程中，我们经常需要考虑如何提高能量转化的效率，减少能量的损失。
在工程热力学中，还有一些其他的重要概念，比如焓、熵增、热力学势等。
这些概念在描述和分析能量转化的过程中起到了重要的作用。
工程热力学基础是研究能量转化和热力学循环的学科。
它涉及到能量的转化、传递和储存等方面的问题。
通过研究工程热力学基础，我们可以更好地理解能量转化的原理，并应用于工程实践中。
希望本文能够以人类的视角，以生动的语言描述工程热力学基础的相关内容，使读者能够更好地理解和应用这门学科。
环境工程原理：第08章吸收.
稀溶液下
•溶质在气液两相之间的相平衡
亨利定律
•溶质在液相中的化学反应平衡
液相中物理溶解 态的溶质浓度
溶质气相分压
化学反应的平衡条件
假设溶质A仅与一种活性组分反应（单一组分），
反应关系式为： aA bB mM
（8.3.1）
化学反应平衡常数：
Mm
K Aa Bb
[A]——液相中未反应的，以物理溶解态存在的溶质浓度
采用吸收法处理气态污染物时，通常采用化学吸收。
• 湿式脱硫：石灰/石灰石洗涤烟气脱硫 • 干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的
Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收 • 水、酸、碱吸收净化含NOx废气（硝酸生产过程） • 水、碱液吸收净化含氟废气（磷酸生产中）
一、化学吸收的特点
溶质A被吸收剂吸收后，继续与吸收剂或者其中的活 性组分B发生化学反应。 气液相际传质和液相内的化学反应同时进行。
1.气液平衡
溶质A溶
解速度 气体
平衡分压, pA* 摩尔分数, yA 摩尔比，YA
…….
相际动态平衡
液体
溶质挥 发速度
如果温度和总压一定，溶质在液体 中的溶解度只取决于溶质在气相中 的组成。
气-液相平衡关系又称溶解度曲线
饱和浓度
质量浓度，A
物质的量浓度，cA 摩尔分数，xA 摩尔比，XA
2.亨利（Henry）定律
单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。
第二节 物理吸收
一、物理吸收的热力学基础 二、物理吸收的动力学基础
一、物理吸收的热力学基础
热力学讨论的是： 过程发生的方向、所能达到的极限及推动力。物理吸
收仅仅涉及某一组分的简单传质过程。溶质在气液两相间 的平衡关系是研究吸收热力学的基础。
热学综合_精品文档
（四）人类优先开发的五种新能源 太阳能、风能、地热能、波浪能和氢能这五种新能 源，在今后将肯定会优先获得开发利用。
固体
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
（五）热力学第一定律在理想气体等值变化过程中 的应用
（1）绝热过程．
绝热一般指封闭气体的材料绝热或过程完成得迅速, 此过程的特点是热量Q=0，当一个绝热气缸内的气 体向外膨胀的过程中，气体的体积变大，气体对外 做功，又因为是绝热过程，气体既不吸热也不向外 界放热，根据热力学第一定律，其内能减小，气体 的温度降低．
037.2008届南通市第一次调研考试 12-Ⅰ-1
12-Ⅰ-1．（4分）关于热现象和热学规律，下列说法
中正确的是 B C D
.
A．只要知道气体的摩尔体积和阿伏伽德罗常数，就
可以算出气体分子的体积
B．悬浮在液体中的固体微粒越小,布朗运动就越明显
C．一定质量的理想气体，保持气体的压强不变，温
度越高，体积越大
热量Q，同时其内能减少ΔU。已知大气压强为p0， 气缸的横截面积为S，气缸壁厚忽略不计，重力加 速度为g 。则
①被封气体的体积 减小 。
（填“增大”、“减小”或“不变”）
②活塞移动距离为 0 ；
Q U 气缸移动距离为 p0 s Mg 。
gk015.2008年高考理综四川延考区卷 15
15．下列说法正确的是： （ A ） A．大量分子能聚集在一起形成液体或固体，说明分 子之间存在引力 B．被活塞封闭在气缸中的气体体积增大时压强一定 减小 C．被活塞封闭在气缸中的气体温度升高时压强一定 增大 D．气体压强的大小只与温度和气体分子的总数有关
042.08年苏、锡、常、镇四市教学情况调查（一）12(1)
固体
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
（五）热力学第一定律在理想气体等值变化过程中 的应用
（1）绝热过程．
绝热一般指封闭气体的材料绝热或过程完成得迅速, 此过程的特点是热量Q=0，当一个绝热气缸内的气 体向外膨胀的过程中，气体的体积变大，气体对外 做功，又因为是绝热过程，气体既不吸热也不向外 界放热，根据热力学第一定律，其内能减小，气体 的温度降低．
037.2008届南通市第一次调研考试 12-Ⅰ-1
12-Ⅰ-1．（4分）关于热现象和热学规律，下列说法
中正确的是 B C D
.
A．只要知道气体的摩尔体积和阿伏伽德罗常数，就
可以算出气体分子的体积
B．悬浮在液体中的固体微粒越小,布朗运动就越明显
C．一定质量的理想气体，保持气体的压强不变，温
度越高，体积越大
热量Q，同时其内能减少ΔU。已知大气压强为p0， 气缸的横截面积为S，气缸壁厚忽略不计，重力加 速度为g 。则
①被封气体的体积 减小 。
（填“增大”、“减小”或“不变”）
②活塞移动距离为 0 ；
Q U 气缸移动距离为 p0 s Mg 。
gk015.2008年高考理综四川延考区卷 15
15．下列说法正确的是： （ A ） A．大量分子能聚集在一起形成液体或固体，说明分 子之间存在引力 B．被活塞封闭在气缸中的气体体积增大时压强一定 减小 C．被活塞封闭在气缸中的气体温度升高时压强一定 增大 D．气体压强的大小只与温度和气体分子的总数有关
042.08年苏、锡、常、镇四市教学情况调查（一）12(1)
胡盘新主编《普通物理学简明教程》教材自作课件ppt-08气体动理论
平衡状态
道 致 远
态
A
若 A 和 B、B 和 C 分别热平 衡，则 A 和 C 一定热平衡。 （热力学第零定律）
海 南 大 学
08气体动理论
处在相互热平衡状态的系统拥有某一共同的宏观 物理性质，这个性质称为温度. 温标：温度的数值表示方法。
海 纳 百 川
华氏温标：1714年荷兰华伦海特建立，以水结冰的温 大 度为32°F，水沸腾的温度为212°F 道 摄氏温标：1742年瑞典天文学家摄尔修斯建立，以冰 的熔点定为0°C，水的沸点定为100°C， 热力学温标：与工作物质无关的温标，由英国的开尔 文建立，与摄氏温度的关系为
海 南 大 学
2
2
08气体动理论 第八章 气体动理论
§ 8-2 分子热运动和统计规律
§ 8-2 分子热运动和统计规律
宏观物体都是由大量不停息地运动着的、彼此 有相互作用的分子或原子组成 .
海 海 纳 纳 百 百
现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大 小以及它们在物体中的排列情况, 例如 X 光分析仪, 电子显微镜, 扫描隧道显微镜等. 利用扫描隧道显 微镜技术把一个个原 子排列成 IBM 字母 的照片. 对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加 以研究时, 必须用统计的方法.
研究方法
海 海 纳 纳 百 百
统计平均
宏观量
大
1. 热力学 —— 宏观描述
实验经验总结，
川 川
从能量观点出发，分析研究物态变化过程中热功转
换的关系和条件 . 特点 1）具有可靠性； 2）知其然而不知其所以然；
大 给出宏观物体热现象的规律， 道 道 致 致 远 远
3）应用宏观参量 .
海 海南大学 南 大 学
道 致 远
态
A
若 A 和 B、B 和 C 分别热平 衡，则 A 和 C 一定热平衡。 （热力学第零定律）
海 南 大 学
08气体动理论
处在相互热平衡状态的系统拥有某一共同的宏观 物理性质，这个性质称为温度. 温标：温度的数值表示方法。
海 纳 百 川
华氏温标：1714年荷兰华伦海特建立，以水结冰的温 大 度为32°F，水沸腾的温度为212°F 道 摄氏温标：1742年瑞典天文学家摄尔修斯建立，以冰 的熔点定为0°C，水的沸点定为100°C， 热力学温标：与工作物质无关的温标，由英国的开尔 文建立，与摄氏温度的关系为
海 南 大 学
2
2
08气体动理论 第八章 气体动理论
§ 8-2 分子热运动和统计规律
§ 8-2 分子热运动和统计规律
宏观物体都是由大量不停息地运动着的、彼此 有相互作用的分子或原子组成 .
海 海 纳 纳 百 百
现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大 小以及它们在物体中的排列情况, 例如 X 光分析仪, 电子显微镜, 扫描隧道显微镜等. 利用扫描隧道显 微镜技术把一个个原 子排列成 IBM 字母 的照片. 对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加 以研究时, 必须用统计的方法.
研究方法
海 海 纳 纳 百 百
统计平均
宏观量
大
1. 热力学 —— 宏观描述
实验经验总结，
川 川
从能量观点出发，分析研究物态变化过程中热功转
换的关系和条件 . 特点 1）具有可靠性； 2）知其然而不知其所以然；
大 给出宏观物体热现象的规律， 道 道 致 致 远 远
3）应用宏观参量 .
海 海南大学 南 大 学
第08章气体动理论
2 i ix
nv F (4) P nm ds n i
2 nmvx
平衡态下，分 2 2 2 子速度按方向 vx v y vz 1 v 2 3 分布均匀，即
1 P nm v 2 3
vi
l3
A1
l1
l2
x
22
z
1 2 1 2 P nm v n t v 2 3 3 3
1m 10 l
3 3
8
3.温度T 从热学角度描写气体状态的物理量。
国际单位：绝对温标 T 开，k 常用单位：摄氏温标 t 度， C 4.摩尔数
T t 273.15
气体质量 摩尔质量
M M mol
单位：摩尔，mol 5.普适气体恒量 R
R 8.31 J mol-1 k-1
马略特定律、盖—吕萨克定律、查理定律的气体。
2.理想气体的状态方程
一个热力学系统的平衡态可由四种状态参量确定。 对于一定量的气体，在平衡态下，如果忽略重力的作用，可 以用体积V、压强P、温度T来描述它的状态。 气体状态方程：表征气体平衡态的三个状态参量T、 V、和P之间 存在着的函数关系。
7
M 理想气体状态方程： PV RT RT M mol
如道尔顿板实验，开始黄豆 落入哪个槽是无规律的，但 随着黄豆的增多，黄豆的分 布出现一定的统计规律。
21
三、理想气体的压强公式
压强的微观实质：大量气体分子碰撞器壁的平均结果 (1)取长为 vix 底面积为 ds 体积元，单位体积元内速 率为 vi x的分子数密度为 ni (2)这些分子单位时间对ds的冲量为2mvix×ni vix ds 2 (3)对所有vix>0 求和 F 1 2m ni vixds 2 i y
nv F (4) P nm ds n i
2 nmvx
平衡态下，分 2 2 2 子速度按方向 vx v y vz 1 v 2 3 分布均匀，即
1 P nm v 2 3
vi
l3
A1
l1
l2
x
22
z
1 2 1 2 P nm v n t v 2 3 3 3
1m 10 l
3 3
8
3.温度T 从热学角度描写气体状态的物理量。
国际单位：绝对温标 T 开，k 常用单位：摄氏温标 t 度， C 4.摩尔数
T t 273.15
气体质量 摩尔质量
M M mol
单位：摩尔，mol 5.普适气体恒量 R
R 8.31 J mol-1 k-1
马略特定律、盖—吕萨克定律、查理定律的气体。
2.理想气体的状态方程
一个热力学系统的平衡态可由四种状态参量确定。 对于一定量的气体，在平衡态下，如果忽略重力的作用，可 以用体积V、压强P、温度T来描述它的状态。 气体状态方程：表征气体平衡态的三个状态参量T、 V、和P之间 存在着的函数关系。
7
M 理想气体状态方程： PV RT RT M mol
如道尔顿板实验，开始黄豆 落入哪个槽是无规律的，但 随着黄豆的增多，黄豆的分 布出现一定的统计规律。
21
三、理想气体的压强公式
压强的微观实质：大量气体分子碰撞器壁的平均结果 (1)取长为 vix 底面积为 ds 体积元，单位体积元内速 率为 vi x的分子数密度为 ni (2)这些分子单位时间对ds的冲量为2mvix×ni vix ds 2 (3)对所有vix>0 求和 F 1 2m ni vixds 2 i y
核反应堆热工分析08
x Wt 2 g A2
将它们代入动量方程并整理得：
x2 1 1 1 1 (1 x 2 ) p1 p2 Wt 2 2 (1 ) A (1 ) A A A A A f 2 2 1 1 2 g 2 2 1 1 2
24
8.2 流动压降
截面突然扩大
可得：
Wf ,1 Wf ,2 (1 x)Wt Wg ,1 Wg ,2 xWt
V f ,1 1 x Wt 1 1 f A1
V f ,2 Vg ,2 1 x Wt 1 2 f A2
x Wt Vg ,1 1 g A1
第八章两相流压降源自两相流
多种物相在同一系统内一起流动称为多相流。在多相 流中，各个物相之间存在着分辨相区的界面 由相同化学成分组成的多相流称为单组分多相流，否 则，则称为多组分多相流。如：汽水混合物为单组分 两相流，空气水混合物为多组分两相流 两相流分为绝热和非绝热两种，在动力堆系统内所遇 到的基本上都是非绝热的两相流 研究两相流对水冷反应堆系统的设计和运行，弄清反 应堆的稳态和瞬态特性非常重要 在动力反应堆内，用得最多的液体冷却剂是水，汽水 两相加热流动将是本节的重点
过冷沸腾终点
饱和沸腾区
汽泡跃离点
16
8.1 流型和基本参数
空泡份额和含汽量的计算
低过冷沸腾区
过冷沸腾充分发 展，气泡的作用 明显，在主流中 存在明显的汽泡 流，表现出典型 的两相流特征
过冷沸腾特征：通道任一截面处的汽 液两相处于热力学不平衡状态，液体 的温度低于系统压力的饱和温度 饱和沸腾区
过冷沸腾终点
在两相流压降的分析计算中，广为应用的模型有均匀 流模型和分离流模型
08理想气体的基本热力过程(完整版)
pv图和ts图上曲线群的大小变化趋势过程中各能量项正负方向分析热力学能与焓dtdtdudhdhdtdtdudh定温线是确定uh正负的分界线pv图定温线右上方ts图定温线上方dstds定熵线是确定q正负的分界线pv图定熵线右上方ts图定熵线右方dvpdv定容线是确定w正负的分界线pv图定容线右方ts图定容线右下方dpvdp正负的分界线pv图定压线下方ts图定压线右下方1试将满足以下要求的理想气体多变过程在pv图和ts图上表示出来
¾ 多变比热容
q = cn (T2 − T1 )
⎫ n −γ ⎪ cV ⎬ cn = n −γ n −1 q= cV (T2 − T1 ) ⎪ n −1 ⎭
n=0 c p = γ cV
cT → ∞ cs → 0 n =1 n=γ
n取特殊值，可 得四种基本热力 过程的比热容
对理想气体各种可逆热力过程的分析，可以 参考以下内容和步骤进行： 第一步：建立过程方程 第二步：由过程方程和理想气体状态方程， 建立初、终态p，v，T参数之间的关系式。根 据理想气体的计算式，求得热力学能变化、 2 焓变、熵变 v2 dT
Δu = u2 − u1 = ∫ cV (T ) dT
1 2
¾ p-v图和T-s图
pv = const. dp p =− dv T v
¾ 能量转换
dT = 0 d ( pv) = 0 qT = Δu + w = w = Δh + wt = wt w = ∫ pdv = ∫
v1 v2 v2
Rg T v
v1
dv
v2 v2 p2 = Rg T ln = p1v1 ln = − p1v1 ln v1 v1 p1 wt = w
¾ p-v图和T-s图
dT ds p = c p T dT T = ds p c p
¾ 多变比热容
q = cn (T2 − T1 )
⎫ n −γ ⎪ cV ⎬ cn = n −γ n −1 q= cV (T2 − T1 ) ⎪ n −1 ⎭
n=0 c p = γ cV
cT → ∞ cs → 0 n =1 n=γ
n取特殊值，可 得四种基本热力 过程的比热容
对理想气体各种可逆热力过程的分析，可以 参考以下内容和步骤进行： 第一步：建立过程方程 第二步：由过程方程和理想气体状态方程， 建立初、终态p，v，T参数之间的关系式。根 据理想气体的计算式，求得热力学能变化、 2 焓变、熵变 v2 dT
Δu = u2 − u1 = ∫ cV (T ) dT
1 2
¾ p-v图和T-s图
pv = const. dp p =− dv T v
¾ 能量转换
dT = 0 d ( pv) = 0 qT = Δu + w = w = Δh + wt = wt w = ∫ pdv = ∫
v1 v2 v2
Rg T v
v1
dv
v2 v2 p2 = Rg T ln = p1v1 ln = − p1v1 ln v1 v1 p1 wt = w
¾ p-v图和T-s图
dT ds p = c p T dT T = ds p c p
大学物理各章主要知识点总结
05
第五章：电磁场的基本规律
静电场
1 2
静电场的定义
电荷在空间中激发的电场，静止电荷的电场称 为静电场。
静电场的性质
高斯定理、环路定理、电场力的性质、电容和 电场的能量。
3
静电场的应用
静电场中物体的平衡、静电屏蔽、电容器的充 放电等。
恒定磁场
恒定磁场的定义
电流在空间中产生的磁场，恒定磁场与时间 无关。
开尔文表述
不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取 热，使之完全变为功而不引起其它变化。
卡诺循环
01
02
03
卡诺循环
卡诺循环是一种理想的热 机循环，它由两个等温过 程和两个绝热过程组成。
卡诺循环的效率
卡诺循环的效率是所有热 机效率的最高值，它等于 两个热源温度之比。
卡诺机的效率
卡诺机的效率是所有热机 效率的最高值，它等于两 个热源温度之比。
大学物理各章主要知识点总结
xx年xx月xx日
contents
目录
• 第一章：力和运动 • 第二章：能量与动量 • 第三章：振动与波 • 第四章：热力学基础 • 第五章：电磁场的基本规律 • 第六章：波动光学 • 第七章：量子物理基础 • 第八章：相对论力学基础
01
第一章：力和运动
动力学基本概念
力的概念
力是物体间的相互作用，具有 大小、方向和作用点三个要素
。
牛顿运动定律
牛顿运动定律是描述物体运动和 作用力关系的定律，包括惯性定 律、运动定律和作用与反作用定 律。
力的分类
根据力的作用方式，力可分为保守 力和非保守力；根据力的作用效果 ，力可分为汇交力和张力。
牛顿运动定律
惯性定律
热力学热机的效率教学设计方案
设计高效能 的发电厂
应用领域
太阳能电池 板
新能源应用
热力学工程设计
01、
内燃机
奥托循环
迪塞尔循环
02、
蒸汽机
布雷顿循环
朗肯循环
03、
热泵
制冷循环
热能转换
04、
发电厂设计
燃煤发电 水力发电
结语
热力学热机的效率设计方案是工程领域中重要的 研究方向，通过对内燃机、蒸汽机、热泵等设备 的工作原理和应用进行深入研究，可以提高能源 转化的效率，推动新能源技术的发展。
禁止未经允许的内容复制
02、
版权转载规定
凡转载需注明出处
不得用于商业用途
03、
侵权追责
对于未授权使用，追究法律责任
维护版权合法权益
04、
感谢观看
THANKS
卡诺热机为理想热机的极限情况
03、
02、 实际热机效率总是低于卡诺热机
损耗、摩擦等因素导致实际效率下降
04、
● 03
第三章 热力学循环中的熵变
热力学系统的熵 定义
熵是描述系统无序程 度的物理量，是一个 重要的热力学参量。 熵增原理规定孤立系 统的熵不会减少，这 是热力学中的基础原 理之一。
热力学循环中的熵变
01、
新能源应用
太阳能 风能
生物质能
02、
新材料研究
高效传热材料 能环保材料
智能材料
03、
新技术探索
燃料电池技术 热泵技术
能源储存技术
04、
可持续发展
热机效率持续提升 绿色能源普及 环境友好设计
总结
热力学热机的效率对于能源利用、环境保护和经 济效益都具有重要意义。未来，随着新能源、新 材料和新技术的发展，热力学热机将在可持续发 展领域发挥更大的作用。
应用领域
太阳能电池 板
新能源应用
热力学工程设计
01、
内燃机
奥托循环
迪塞尔循环
02、
蒸汽机
布雷顿循环
朗肯循环
03、
热泵
制冷循环
热能转换
04、
发电厂设计
燃煤发电 水力发电
结语
热力学热机的效率设计方案是工程领域中重要的 研究方向，通过对内燃机、蒸汽机、热泵等设备 的工作原理和应用进行深入研究，可以提高能源 转化的效率，推动新能源技术的发展。
禁止未经允许的内容复制
02、
版权转载规定
凡转载需注明出处
不得用于商业用途
03、
侵权追责
对于未授权使用，追究法律责任
维护版权合法权益
04、
感谢观看
THANKS
卡诺热机为理想热机的极限情况
03、
02、 实际热机效率总是低于卡诺热机
损耗、摩擦等因素导致实际效率下降
04、
● 03
第三章 热力学循环中的熵变
热力学系统的熵 定义
熵是描述系统无序程 度的物理量，是一个 重要的热力学参量。 熵增原理规定孤立系 统的熵不会减少，这 是热力学中的基础原 理之一。
热力学循环中的熵变
01、
新能源应用
太阳能 风能
生物质能
02、
新材料研究
高效传热材料 能环保材料
智能材料
03、
新技术探索
燃料电池技术 热泵技术
能源储存技术
04、
可持续发展
热机效率持续提升 绿色能源普及 环境友好设计
总结
热力学热机的效率对于能源利用、环境保护和经 济效益都具有重要意义。未来，随着新能源、新 材料和新技术的发展，热力学热机将在可持续发 展领域发挥更大的作用。
大学物理第08章温度与气体动理论
理想气体状态方程的另一形式
1 mol 的任何气体都有：
N A 6.023 10 / mol
23
——阿伏伽德罗常量
M Nm M mol N Am
N R M T P RT V NA V M mol
P nkT
n ——分子数密度(m-3) k=R/NA=1.3810-23J/K ——玻尔兹曼(Boltzmann)常量
4
§8.1-4 平衡态 温度 理想气体状态方程 一. 平衡态
热力学系统（热力学研究的对象）：
大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。 外界：热力学系统以外的物体。
1.热力学系统分类（按系统与外界交换特点） (1) 孤立系统：与外界无能量和物质交换 (2) 封闭系统：与外界有能量但无物质交换 (3) 开放系统：与外界有能量和物质交换 2.热力学系统分类 平衡态系统
25
(2) 由于碰撞，分子可以有各种不同的速度，速度
取向各方向等概率。
z
i ixi iy j izk
i ix i
i Ni
i Ni
x
2 x
x
y
N x y z 0 N
i i
2 i 2 ix 2 iy
的、确定的规律——统计规律。 统计规律： 大量偶然事件整体满足的规律。
2
三、热学的研究方法 （1）热力学（宏观法）： 实验规律→严密的推理（应用数学） 优点：可靠、普遍。缺点：未及微观本质 （2）统计物理学（微观法）：
物质的微观结构+统计的方法。 优点：揭示了热现象的微观本质。 缺点：可靠性、普遍性差。
温度的数值表示法
三要素：
（1）测温物质和测温属性； （2）选定点；
第一章 工程热力学基础知识
（三）工质的内能
1．工质内部所具有的总能量。
第1章 工程热力学基础知识
1.2 热力学第一定律
分子热运动的动能，是T的函数。 内能
分子间的吸引作用的位能,是v的函数。
理想气体分子间无吸引力，无位能。
内能是温度的单值函数。
第1章 工程热力学基础知识
1.2 热力学第一定律
定 容 加
内能为状态参 热 数。只与工质的 初、终状态有关， 与工质由状态1变 化到状态2所经历 的过程无关。
第1章 工程热力学基础知识 1.1 热工转换的基础知识
三、热力过程及其功量
p
（一）热力系统和热力过程
热力系统：某宏观尺寸范围内的工质
作为研究对象，称为热力系统。
v
热力过程：工质由某一状态变化到另 一个状态所经历的全部过程的总和。
（二）热力过程的功量（示功图） 工质由上止点膨胀到下止点，此过程的功量。
式中：a、b、c是常数。 相应于每一温度下的比热容称为真实比热容。
第1章 工程热力学基础知识 1.1 热工转换的基础知识
C a bt ct2
C a bt ct2
气体由t1升到t2所需的热量：
q12
t2 t1
Cdt
面积12t2t1
常用的状态参数：压力 p ；温度T ；比
体积v ；内能U ；焓 H；熵S 。 基本状态参数 ：压力 p；温度 T；比体积 v。
第1章 工程热力学基础知识 1.1 热工转换的基础知识
（一） 压力p 1． 单位面积上所作用的垂直力称为压力p。
2 ．单位：Pa，1 Pa=1N/m2 ，工程上常用kPa与Mpa。
第1章 工程热力学基础知识
第三节 气体的热力过程
1．工质内部所具有的总能量。
第1章 工程热力学基础知识
1.2 热力学第一定律
分子热运动的动能，是T的函数。 内能
分子间的吸引作用的位能,是v的函数。
理想气体分子间无吸引力，无位能。
内能是温度的单值函数。
第1章 工程热力学基础知识
1.2 热力学第一定律
定 容 加
内能为状态参 热 数。只与工质的 初、终状态有关， 与工质由状态1变 化到状态2所经历 的过程无关。
第1章 工程热力学基础知识 1.1 热工转换的基础知识
三、热力过程及其功量
p
（一）热力系统和热力过程
热力系统：某宏观尺寸范围内的工质
作为研究对象，称为热力系统。
v
热力过程：工质由某一状态变化到另 一个状态所经历的全部过程的总和。
（二）热力过程的功量（示功图） 工质由上止点膨胀到下止点，此过程的功量。
式中：a、b、c是常数。 相应于每一温度下的比热容称为真实比热容。
第1章 工程热力学基础知识 1.1 热工转换的基础知识
C a bt ct2
C a bt ct2
气体由t1升到t2所需的热量：
q12
t2 t1
Cdt
面积12t2t1
常用的状态参数：压力 p ；温度T ；比
体积v ；内能U ；焓 H；熵S 。 基本状态参数 ：压力 p；温度 T；比体积 v。
第1章 工程热力学基础知识 1.1 热工转换的基础知识
（一） 压力p 1． 单位面积上所作用的垂直力称为压力p。
2 ．单位：Pa，1 Pa=1N/m2 ，工程上常用kPa与Mpa。
第1章 工程热力学基础知识
第三节 气体的热力过程
大学物理电子教案
第一篇 力学基础
第二篇 电磁学
第三篇 热学 第四篇 振动与波 波动光学 第五篇 量子论
第一章 运动的描述
第二章 运动定律与力学中的守恒定律
第三章 相对论
第四章 静电场与稳恒电场
第五章 稳波
第八章 气体动理论基础 第九章 热力学基础
第十章
机械振动
第十一章 机械波 第十二章 光的干涉 第十三章 光的衍射
第十四章 光的偏振
第十五章 现代光学简介
第十六章 量子物理基础
第十七章 原子核物理和粒子物理简介 第十八章 新技术的物理基础
第二篇 电磁学
第三篇 热学 第四篇 振动与波 波动光学 第五篇 量子论
第一章 运动的描述
第二章 运动定律与力学中的守恒定律
第三章 相对论
第四章 静电场与稳恒电场
第五章 稳波
第八章 气体动理论基础 第九章 热力学基础
第十章
机械振动
第十一章 机械波 第十二章 光的干涉 第十三章 光的衍射
第十四章 光的偏振
第十五章 现代光学简介
第十六章 量子物理基础
第十七章 原子核物理和粒子物理简介 第十八章 新技术的物理基础
传热学简要知识点
传热学是研究热量传递过程规律的科学。
热量传递过程是由导热、热对流、热辐射三种基本热传递方式组成。
导热又称热传导，是指物体各部分无相对位移或不同物体之久而接触是依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。
导热系数是指单位厚度的物体具有单位温度差时，在它的单位面积上每单位时间得到热量。
它表示材料导热能力的大小。
只依靠流体的宏观运动传递热量的现象称为热对流。
流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热。
表面传热系数是指单位面积上，流体与壁之间在单位温差下及单位时间内所传递的热量。
h的大小表达了对流换热过程的强弱程度. 物体表面每单位时间、单位面积对外辐射的热量称为辐射力。
其大小与物体表面性质及温度有关。
物体靠辐射进行的热量传递称为辐射换热。
辐射换热特点：热辐射过程中伴随着能量形式转换(物体内能—电磁波能—物体内能)；不需要冷热物体直接接触；不论温度高低，物体都在不停的相互发射电磁波能，相互辐射能量。
K称为传热系数，它表明单位时间、单位壁面积上，冷热流体间温差为1C时所传递的热量，反映传热过程的强弱. 导热理论基础温度场是指某一时刻空间所有各点温度的总称。
温度场不随时间变化而变化，称为稳态温度场。
具有稳态温度场的导程叫稳态导热。
温度场随时间变化的导热过程叫做非稳态导热。
同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面叫做等温面。
不同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成的一簇曲线，称为等温线。
自等温面上某点到另一个更等温面，以该点法线方向的温度变化率为最大。
以该点法线方向为方向，数值也正好等于这个最大的温度变化率的矢量称为温度梯度。
单位时间单位面积上所传递的热量称为热流密度。
凡平均温度不高于350C、导热系数不大于0.12W/（m.K）的材料称为保温材料。
常见的保温材料有石棉，岩棉，矿渣棉，微孔硅酸钙，苯板，泡沫塑料，珍珠岩。
用单位体积单位时间内所发出的热量表示内热源强度。
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热力学系统经历一系列变化后 又回到初始状态的整个过程叫 循环过程,简称循环. 工质: 循环工作的物质称为工 作物质, 简称工质. 若循环的每一阶段都是准静态 过程,则此循环可用P-V 图上的 一条闭合曲线表示. 循环所包含 的每个过程叫分过程. 箭头表示过程进行的方向.
循环过程 卡诺循环
循环特征
经历一个循环后,内能不改变 (T 不变). 沿顺时针方向进行的循环称为正循环. 沿逆时针方向进行的循环称为逆循环. 工质在整个循环过程中对外作的净功 等于曲线所包围的面积. 正循环净功大 于零, 逆循环净功小于零; 热机的目的是不断对外作正功,因此 正循环也称为热循环, 对应热机. 制冷机的目的是不断对从低温热源吸 收热量,使低温热源温度降低, 这需要外 界对工质作正功也即工质对外界作负 功. 因此, 逆循环也称制冷循环, 对应致 冷机
热库
工质
冷库
制冷系数：
循环过程 卡诺循环
卡诺循环( Carnot Cycle)
法国工程师、热力学的创始人之一. 创造性地用“理想实验”的思维方法, 提出了最简单、但有重要理论意义的 热机循环——卡诺循环, 创造了理想 的热机——卡诺热机. 1824年提出了 对热机设计具有普遍指导意义的卡诺 定理, 指出了提高热机效率的有效途 径, 揭示了热力学的不可逆性, 被后人 认为是热力学第二定律的先驱.
热力学第一定律
平衡态1 非平衡态 平衡态2
p
1
热力学过程: 热力学系统 (大量微观粒子组成的气体、 固体、液体等) 状态随时间变化的过程. 非静态过程 系统从平衡态1到平衡态 2, 需要经过一个热力学过 程: 平衡态 1 必首先被破坏, 系统变为非平衡态,然后 再变为平衡态 2. 从非平衡态到新的平衡态所需的时 间为弛豫时间. 当系统宏观变化比弛豫时间更快时,系统来不及平衡, 因此这个过程中每一状态都是非平衡态. 非静态过程在p-V图上用虚线表示.
p
1 2
V
不可逆过程：
逆过程不能沿正过程原路返回,使系统回到初态,或者虽 能原路返回且使系统回到初态,但不能同时使外界也回到初 态, 也即必然会引起其他变化,这样的过程叫做不可逆过程. 不可逆过程不是不能逆向进行, 而是说当过程逆向进行 时,系统和外界不能同时恢复原状, 必然会引起其他变化. 可不可逆不能只看始末状态, 还看过程(是否沿原路返回) 可逆过程的条件: 准静态过程, 且无摩擦力、粘滞力或其他 耗散力作功, 无能量耗散. 可逆过程是理想的极限过程.
对热容量的测量是探测分子结构的重要手段.
对于理想气体
理想气体的热容量与温度无关.
1 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 振动动能: kT
理想气体的热容量与温度无关. 实测, 气体热容量和温度有关, 如 H2 气体
2 1 振动势能: kT 2
绝热过程
绝热过程:系统和外界完全没有热交换的过程
绝热过程 p, V, T 的关系特点: 三者均变化.
热力学第二定律
下面证明两种表述的等价性
A, B命题等价: A命题不成立则B不成立, B命题不成立则A 不成立. （因为: 原命题和逆否命题为等价命题）
克氏表述不成立
开氏表述不成立
工质
工质
热力学第二定律
假设克氏表述不成立导致了开氏表述不成立
违反克氏热机 正常热机
工质
工质
假设Q2 可以自动地从低温热源传到高温热源. 那么两个热机联立 可使低温热源恢复原状, Q1 Q2全部转化为W而未引起其它变化
O
V
QB QC E WB QB E WC E WB
热力学第一定律总结
过 过程特点 程 等 容 过程方程 热一律 内能增量
等 压
等 温 绝 热
热力学第一定律总结
过 程
等 容 等 压 等 温 绝 热 功A 热量Q 摩尔热容 单 双 多
循环过程 卡诺循环
循环过程
热力学第二定律
热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中 必须遵循的规律, 但并未限定过程进行的方向. 观察与实验表明, 自然界中一切与热现象有关的宏观过程 都是不可逆的, 或者说是有方向性的. 自然界中各种不可逆过程都是相互关联的. 意即一种宏观 过程的不可逆性保证了另一种过程的不可逆性; 反之, 若一种 实际过程的不可逆性消失了, 其它实际过程的不可逆性也随 之消失. 对这类问题的解释需要一个独立于热力学第一定律的新的 自然规律, 即热力学第二定律. 所谓独立: 即不能由热一律推导出. 问题:如何判断一个过程是否可逆？
热力学第一定律
状态参量 平衡态
平衡态 不受外界影响的条件下 (与外界无任何形式的物质 与能量交换), 系统的宏观性质不随时间变化的状态 (热动平衡). 状态参量 描述系统在平衡态下的状态性质的宏观参量(如压 强、温度、体积等)称作状态参量(quantity of state). 简单系统: 只需体积和压强就能完整描述的系统. 因 此, 可以用p-V图来表示, 图中每个点描述一个平衡态. 物态方程: 热平衡系统的温度、压强和体积之间的函 数关系. 简单系统的物态方程一般形式: f ( p, V, T )=0.
正循环
做正功
做负功
净功
循环过程 卡诺循环
循环效率
有用功 效率 总功
符号规定 : 吸热为正, 对外做功为正 Q1 |Q1|, Q2 |Q2 |, W |W |
热库
工质
冷库
循环过程 卡诺循环
致冷系数
符号规定 : 吸热为正, 对外做功为正 Q1 |Q1|, Q2 |Q2 |, W |W |
物理意义: 热容量反映了系统吸纳热量的本领. 热容量与过程有关, 是一个过程量, 不同的过 程有不同的热容量; Cm Mc 取单位质量物质得比热 c M 为摩尔质量 取 1mol 物质得摩尔热容量 Cm.
热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 定体过程 (或称等体)
摩尔定体热容量
热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 等压过程
摩尔定压热容量
热力学第一定律对理想气体等值过程的应用
等温过程
W
V2
V1
V2 p1 m V2 =pV pV RT 1 ln 1 1 ln 1 1 ln V1 p2 M V1
1 pdV pV dV 1 1 V 1 V
V2
等温过程不能定义热容量
热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 气体的摩尔热容(molar heat capacity)
微小过程
热力学第一定律
准静态过程中气体做功
控制活塞使内外压强差无穷小, 使体积改变的过程很缓慢. 气体对外做功:
p
1 2
V
功的大小等于在p-V图中曲线下的面积. 功与系统状态变化过程有关, 是一个过程量.
V1
V2
热力学第一定律
热容量 (一定量的)物质温度升高(或降低) 1K 时所吸收 或放出的热量, 称为热容量, 记为C. (可通过实验 测定)
绝热过程
典型例题
吸热为正 对外做功为正
一定量理想气体,从初态A开始,经历三种不同过程, B、C、D处于同一条等温线上, AC为绝热线,问 1. A B 过程吸热还是放热？ p A 2. A D 过程是吸热还是放热？ 分析:三个过程起始温度与 末了温度相同,故内能变化相 同.系统对外做功不相等. B C D
为什么特别关注卡诺循环？
只有两个恒温热源; 效率只与恒温热源温度有关; 其他循 环可由卡诺循环合成.
提高热机效率的途径
提高高温热源温度, 降低低温热源的温度
循环分析技巧: 找出吸热、放热过程, 利用过程性质 计算热量, 找出搭桥过程, 建立过程间的联系.
热力学第二定律
可逆过程:
在系统状态变化过程中, 若逆过程能 沿正过程原路回到初态, 同时外界也能 够回到原状, 这样的过程叫做可逆过程 .
功 热量
功与热量相同点: 过程量: 都与过程有关； 等效性: 改变系统热运动状态的作用效果相同. 功与热量不同点: 功与热量的物理本质不同 . 功宏观功; 热量微观功
热力学第一定律
热力学第一定律
系统从外界吸收的热量一部分使系统内能增加, 另一部分则用于系统对外做功.
各量的国际制单位皆为焦耳（J ) 它是能量守恒定律在涉及热现象宏观过程中的具体表述. 符号规定:
热力学第一定律
研究对象
热力学系统和外界: 在热学中的研究对象一般称作 热力学系统 ,它们是由大量分子原子所组成的宏观物 体或物体系. 系统以外的物体统称为外界. 系统与外界可以有相互作用，例如: 热传递、质量 交换等
开放系统: 系统与外界之间, 既有物质交换, 又有能量 交换. 封闭系统: 系统与外界之间, 没有物质交换, 只有能量 交换. 孤立系统: 系统与外界之间, 既无物质交换, 又无能量 交换.
/bbs/displayBBS.asp?BBSID=3803&RoomID=8
循环过程 卡诺循环
一些其他循环及特点
循环过程 卡诺循环
一些其他循环及特点 对于任意循环而言
不一定只有两个热源; 效率公式不一定是卡诺循环效率 公式; 不一定只有一个吸热过程和一个放热过程.
第8章 热力学基础 Basic Thermodynamics
教材：自编高教社出版 作业：8.5 ，8.9 ，8.15，8.25
提纲
热力学第一定律
各种理想气体准静态过 程 本章三个核心：热一律、 热二律、熵 技术性内容： 理想气体准静态过 程的热、功、内能 变化计算 循环效率计算 熵变计算
循环过程及其效率计 算 卡诺循环 卡诺定理 热力学第二定律
热力学第二定律
热力学第二定律的两种表述
1850年克劳修斯表述: 热量不能自动地由低温物 体传向高温物体. 1851年开尔文表述: 不可能制造出这样一种循环 工作的热机, 它只从单一热源吸收热量, 使之完全转 化为有用的功而不产生其它影响.
循环过程 卡诺循环
循环特征
经历一个循环后,内能不改变 (T 不变). 沿顺时针方向进行的循环称为正循环. 沿逆时针方向进行的循环称为逆循环. 工质在整个循环过程中对外作的净功 等于曲线所包围的面积. 正循环净功大 于零, 逆循环净功小于零; 热机的目的是不断对外作正功,因此 正循环也称为热循环, 对应热机. 制冷机的目的是不断对从低温热源吸 收热量,使低温热源温度降低, 这需要外 界对工质作正功也即工质对外界作负 功. 因此, 逆循环也称制冷循环, 对应致 冷机
热库
工质
冷库
制冷系数：
循环过程 卡诺循环
卡诺循环( Carnot Cycle)
法国工程师、热力学的创始人之一. 创造性地用“理想实验”的思维方法, 提出了最简单、但有重要理论意义的 热机循环——卡诺循环, 创造了理想 的热机——卡诺热机. 1824年提出了 对热机设计具有普遍指导意义的卡诺 定理, 指出了提高热机效率的有效途 径, 揭示了热力学的不可逆性, 被后人 认为是热力学第二定律的先驱.
热力学第一定律
平衡态1 非平衡态 平衡态2
p
1
热力学过程: 热力学系统 (大量微观粒子组成的气体、 固体、液体等) 状态随时间变化的过程. 非静态过程 系统从平衡态1到平衡态 2, 需要经过一个热力学过 程: 平衡态 1 必首先被破坏, 系统变为非平衡态,然后 再变为平衡态 2. 从非平衡态到新的平衡态所需的时 间为弛豫时间. 当系统宏观变化比弛豫时间更快时,系统来不及平衡, 因此这个过程中每一状态都是非平衡态. 非静态过程在p-V图上用虚线表示.
p
1 2
V
不可逆过程：
逆过程不能沿正过程原路返回,使系统回到初态,或者虽 能原路返回且使系统回到初态,但不能同时使外界也回到初 态, 也即必然会引起其他变化,这样的过程叫做不可逆过程. 不可逆过程不是不能逆向进行, 而是说当过程逆向进行 时,系统和外界不能同时恢复原状, 必然会引起其他变化. 可不可逆不能只看始末状态, 还看过程(是否沿原路返回) 可逆过程的条件: 准静态过程, 且无摩擦力、粘滞力或其他 耗散力作功, 无能量耗散. 可逆过程是理想的极限过程.
对热容量的测量是探测分子结构的重要手段.
对于理想气体
理想气体的热容量与温度无关.
1 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 振动动能: kT
理想气体的热容量与温度无关. 实测, 气体热容量和温度有关, 如 H2 气体
2 1 振动势能: kT 2
绝热过程
绝热过程:系统和外界完全没有热交换的过程
绝热过程 p, V, T 的关系特点: 三者均变化.
热力学第二定律
下面证明两种表述的等价性
A, B命题等价: A命题不成立则B不成立, B命题不成立则A 不成立. （因为: 原命题和逆否命题为等价命题）
克氏表述不成立
开氏表述不成立
工质
工质
热力学第二定律
假设克氏表述不成立导致了开氏表述不成立
违反克氏热机 正常热机
工质
工质
假设Q2 可以自动地从低温热源传到高温热源. 那么两个热机联立 可使低温热源恢复原状, Q1 Q2全部转化为W而未引起其它变化
O
V
QB QC E WB QB E WC E WB
热力学第一定律总结
过 过程特点 程 等 容 过程方程 热一律 内能增量
等 压
等 温 绝 热
热力学第一定律总结
过 程
等 容 等 压 等 温 绝 热 功A 热量Q 摩尔热容 单 双 多
循环过程 卡诺循环
循环过程
热力学第二定律
热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中 必须遵循的规律, 但并未限定过程进行的方向. 观察与实验表明, 自然界中一切与热现象有关的宏观过程 都是不可逆的, 或者说是有方向性的. 自然界中各种不可逆过程都是相互关联的. 意即一种宏观 过程的不可逆性保证了另一种过程的不可逆性; 反之, 若一种 实际过程的不可逆性消失了, 其它实际过程的不可逆性也随 之消失. 对这类问题的解释需要一个独立于热力学第一定律的新的 自然规律, 即热力学第二定律. 所谓独立: 即不能由热一律推导出. 问题:如何判断一个过程是否可逆？
热力学第一定律
状态参量 平衡态
平衡态 不受外界影响的条件下 (与外界无任何形式的物质 与能量交换), 系统的宏观性质不随时间变化的状态 (热动平衡). 状态参量 描述系统在平衡态下的状态性质的宏观参量(如压 强、温度、体积等)称作状态参量(quantity of state). 简单系统: 只需体积和压强就能完整描述的系统. 因 此, 可以用p-V图来表示, 图中每个点描述一个平衡态. 物态方程: 热平衡系统的温度、压强和体积之间的函 数关系. 简单系统的物态方程一般形式: f ( p, V, T )=0.
正循环
做正功
做负功
净功
循环过程 卡诺循环
循环效率
有用功 效率 总功
符号规定 : 吸热为正, 对外做功为正 Q1 |Q1|, Q2 |Q2 |, W |W |
热库
工质
冷库
循环过程 卡诺循环
致冷系数
符号规定 : 吸热为正, 对外做功为正 Q1 |Q1|, Q2 |Q2 |, W |W |
物理意义: 热容量反映了系统吸纳热量的本领. 热容量与过程有关, 是一个过程量, 不同的过 程有不同的热容量; Cm Mc 取单位质量物质得比热 c M 为摩尔质量 取 1mol 物质得摩尔热容量 Cm.
热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 定体过程 (或称等体)
摩尔定体热容量
热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 等压过程
摩尔定压热容量
热力学第一定律对理想气体等值过程的应用
等温过程
W
V2
V1
V2 p1 m V2 =pV pV RT 1 ln 1 1 ln 1 1 ln V1 p2 M V1
1 pdV pV dV 1 1 V 1 V
V2
等温过程不能定义热容量
热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 气体的摩尔热容(molar heat capacity)
微小过程
热力学第一定律
准静态过程中气体做功
控制活塞使内外压强差无穷小, 使体积改变的过程很缓慢. 气体对外做功:
p
1 2
V
功的大小等于在p-V图中曲线下的面积. 功与系统状态变化过程有关, 是一个过程量.
V1
V2
热力学第一定律
热容量 (一定量的)物质温度升高(或降低) 1K 时所吸收 或放出的热量, 称为热容量, 记为C. (可通过实验 测定)
绝热过程
典型例题
吸热为正 对外做功为正
一定量理想气体,从初态A开始,经历三种不同过程, B、C、D处于同一条等温线上, AC为绝热线,问 1. A B 过程吸热还是放热？ p A 2. A D 过程是吸热还是放热？ 分析:三个过程起始温度与 末了温度相同,故内能变化相 同.系统对外做功不相等. B C D
为什么特别关注卡诺循环？
只有两个恒温热源; 效率只与恒温热源温度有关; 其他循 环可由卡诺循环合成.
提高热机效率的途径
提高高温热源温度, 降低低温热源的温度
循环分析技巧: 找出吸热、放热过程, 利用过程性质 计算热量, 找出搭桥过程, 建立过程间的联系.
热力学第二定律
可逆过程:
在系统状态变化过程中, 若逆过程能 沿正过程原路回到初态, 同时外界也能 够回到原状, 这样的过程叫做可逆过程 .
功 热量
功与热量相同点: 过程量: 都与过程有关； 等效性: 改变系统热运动状态的作用效果相同. 功与热量不同点: 功与热量的物理本质不同 . 功宏观功; 热量微观功
热力学第一定律
热力学第一定律
系统从外界吸收的热量一部分使系统内能增加, 另一部分则用于系统对外做功.
各量的国际制单位皆为焦耳（J ) 它是能量守恒定律在涉及热现象宏观过程中的具体表述. 符号规定:
热力学第一定律
研究对象
热力学系统和外界: 在热学中的研究对象一般称作 热力学系统 ,它们是由大量分子原子所组成的宏观物 体或物体系. 系统以外的物体统称为外界. 系统与外界可以有相互作用，例如: 热传递、质量 交换等
开放系统: 系统与外界之间, 既有物质交换, 又有能量 交换. 封闭系统: 系统与外界之间, 没有物质交换, 只有能量 交换. 孤立系统: 系统与外界之间, 既无物质交换, 又无能量 交换.
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循环过程 卡诺循环
一些其他循环及特点
循环过程 卡诺循环
一些其他循环及特点 对于任意循环而言
不一定只有两个热源; 效率公式不一定是卡诺循环效率 公式; 不一定只有一个吸热过程和一个放热过程.
第8章 热力学基础 Basic Thermodynamics
教材：自编高教社出版 作业：8.5 ，8.9 ，8.15，8.25
提纲
热力学第一定律
各种理想气体准静态过 程 本章三个核心：热一律、 热二律、熵 技术性内容： 理想气体准静态过 程的热、功、内能 变化计算 循环效率计算 熵变计算
循环过程及其效率计 算 卡诺循环 卡诺定理 热力学第二定律
热力学第二定律
热力学第二定律的两种表述
1850年克劳修斯表述: 热量不能自动地由低温物 体传向高温物体. 1851年开尔文表述: 不可能制造出这样一种循环 工作的热机, 它只从单一热源吸收热量, 使之完全转 化为有用的功而不产生其它影响.