第二章 热力学第一定律

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
1cal= 4.1868 J
热量与热质说
热量:它是从高温物体传递给低温物体的能量
热质说
§2.4 热力学第一定律
一、热力学第一定律
热力学第一定律的表达式:
UQ(A)
QUA
热力学第一定律的表述:它表明当热力学系统由某一状 态经过任意过程到达另一状态时,系统内能的增量等于 在这过程中外界对系统所作的功与系统所吸收的热量的 总和。或者说,系统所吸收的热量等于在这过程中系统 对外界所作的功与内能的增量的总和。
• 对于过程量,不能说在某个状态下具有多少功 或多少热量,也不能说这杯热水在此状态下具 有多少热量,只有当过程发生时热量才有意义, 这也是内能与热量的区别。
三、功与热量的区别与联系
• 作功和传热都是系统与外界交换能量的方式,但是产 生这两种能量交换的原因却不同。
• 作功是由于不满足力学平衡条件而引起的,与宏观位 移相联系。确切的说,外界通过作机械功的方式向系 统传递能量,实质是分子有规则运动的能量向分子无 规则运动能量转化和传递。
交换能量的系统。 3、绝热过程的功的特点: (1)作机械功 (2)作电流功
4、由实验表明:系统经过一绝热过程,从 一个平衡态变到另一个平衡态,外界对系
统所作的功与过程无关,而仅取决于系统 的初、末两个状态。
(二)内能
1、定义:在绝热条件下,任何一个热力学系统,都存 在一个只依赖于内部运动状态的态函数,当系统从平 衡态1经过一个绝热过程到达平衡态2时,这个函数的 增量等于外界对系统所作的绝热功,这个态函数,我 们称它为系统的内能,以U表示。
热力学第一定律另一表述:
制造第一类永动机(能对外不断自动
作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提
供其他能量的机器)是不可能的。
二、能量守恒和转化定律
能量守恒和转化定律的内容是:自然界一切物体都具 有能量,能量有各种不同形式,它能从一种形式转化 为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转 化和传递中能量的数值不变。
条件:系统与外界之间存在温度差时才会发生 的相互作用。
2、热量:是在不作功的纯传热过程中系统内能变 化的量度。
3、表达式: QU2U 1U 规定:Q>0,即系统吸热; Q<0,即系统放热。
4、热量是一个过程量
• 前面我们说的功是一个过程量,不仅与初、末 状态有关,而且与中间所经历的状态也有关, 亦即与过程有关;这里的热量也是是过程量, 初、末状态一定时,过程不同,传递给系统的 热量数值也不同。
4)、功有正负之分。
二、功的表达式(体积功)
1、气体对外界所作的元功为: 所作的总功为:
No
dApSIm dxpa dVge A V2 pdV V1 2、外界对气体Im 所N 作ao 的g功e为: A V2 pdV V1 No Image
三、功的图示
注意
当dV>0,即气体体积膨胀时,
则dA>0,作正功,系统对外界作功; 当dV<0,即气体体积压缩时, 则dA<0,作负功,外界对系统作功。
第二章 热力学第一定律
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 §2.5 §2.6
§2.7 §2.8
热力学系统的过程 功 内能 热量 焦耳热功当量实验 热力学第一定律 理想气体的内能、热容和焓 热力学第一定律对理想气体 几种典型过程的应用 循环过程 技术上的循环实例
§2.1 热力学系统的过程
一、热力学过程
第一类永动机是不可能制造的。
例题1:一系统如右图所示的a态沿acb
到达b态时,吸收了80J的热量,同时
系统对外作了30J的功,试问:
(1)若沿图中adb过程,则系统对外 p 作的功为10J,这时系统吸收了多少热
量?
c
b
(2)若系统由b沿曲线ba返回a态时,
外界对系统作功为20J,这是系统是吸
热还是放热?且热量传递为多少?
准静态过程是一种理想的极 限,但作为热力学的基础, 我们要首先着重讨论它。
外界对系统的作用使系统的状态发生了变化, 这种相互作用的情况用力的情况来反映是不 方便的,有的时候甚至是不可能的,但是作 用的结果是使系统的能量发生了改变,作为 能量变化的量度是功,作为能量变化的主要 形式之一是热量的交换,因此,外界的作用 就是功和热的转移,从而使系统的状态发生 改变,为此,我们以后就以功和热为两条主 要线索来反映系统和外界的相互作用了。
• 传热是由于不满足热平衡条件而引起的,与温度差的 存在相联系。从微观上看,温度高的物体分子平均平 动动能大,反之成立。当温度不同的两个物体作热接 触时,通过分子间的碰撞,分子平均平动动能大的把 动能传给分子平均平动动能小的物体,所以传热的本 质是分子无规则热运动的能量从高温物体向低温物体 的传递。
§2.2 功
一、功是力学相互作用下的能量转移
力学相互作用:将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统 状态的影响。
在力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量就是功。
热力学认为力是一种广义力,所以功也是广义功。
注意:
1)、只有在系统状态变化过程中才有能量转移。
2)、只有在广义力(如压强、电动势等)作用下 产生了广义位移(如体积变化、电量迁移等)后 才作了功。 3)、在非准静态过程中很难计算系统对外作的功。
a
d
(3)设d态与a态的内能Ud-Ua=40J, 则在过程ad、db中系统吸热为多少?
0
V
分析:a→c和a→d都是等压过程; c→b和d→b都是等体过程。
解: ( 1 ) U a c Q b a c A a b c 8 b 3 0 5 0 ( J ) 0p
Q a dA a b d U b a c 1 b 5 0 6 0 ( J ) 0c
x
dx
L
A
d A 2 Im lN d a o g xe dS
F
σ是表面张力系数
a
3、可逆电池所作的功
b
G
dAdq No
Image
Cu
E
Zn 可 逆
电 池
CuSO4
ZnSO4
4、功的一般表达式
dWi Yidxi
x是 广义坐标,它是广延量,广 延量的特征是:若系统在相同情况下 质量扩大一倍,则广延量也扩大一倍。 如:体积,面积,电极化强度等。
三、准静态过程
如果一个热力学系统过程在始末两平衡态 之间所经历的之中间状态,可以近似当作 平衡态,则此过程为准静态过程。
注意
•准静态过程只有在进行的“无限缓慢” 的条件下才可能实现
•对于实际过程则要求系统状态发生变化的 特征时间远远大于弛豫时间才可近似看作 准静态过程。
准静态过程例子
无摩擦准静态过程,其特点是没有摩擦力, 外界在准静态过程中对系统的作用力,可以用 系统本身的状态参量来表示。
积V变化的函数关系式p=p(V),然后代入公式, 就可以求出一过程所作的功; 4、我们讨论的都是体积功; 5、功还可以利用p-V图求出作功的大小,在图 中曲线下方所围成的面积就是功的大小,功的 正负由曲线上的箭头来判断。
例题:1mol理想气体,初态的压强、体积和温度 分别为p1、V1和T1。若体系经历一个压强与体积满 足关系p=aV的过程,其中a为常数,试求: (1)用p1、T1和R来表示常数a; (2)若系统经历此过程体积扩大一倍,则系统的 温度T为多少?在此过程中对外所做的功为多少?
四、功是过程量
注意
三种过程的初、末状态相同, 但所作的功不同;说明功不仅 与初、末状态有关,而且与变 化的路径也有关,证明它不是 状态的函数,而是过程量。
五、理想气体在几种等值过程中功的计算 等温过程:
等压过程: 等体过程:
六、其它形式的功 1、拉伸弹簧棒所作的功
A
F
F
l0 l0+dl
2、表面张力功
[例] 右图活塞与汽缸无摩擦,当气体作准静态
压缩或膨胀时,外界的压强Pe必等于此时气体的
压强P,否则系统在有限压
dx
差作用下,将失去平衡,
称为非静态过程。若有摩
擦力存在,虽然也可使过 S P
程进行的“无限缓慢”,
Pe
但Pe≠P。
显然作为准静态过程中间状 态的平衡态,具有确定的状 态参量值,对于简单系统可 用P—V图上的一点来表示 这个平衡态。系统的准静态 变化过程可用P—V图上的 一条曲线表示,称之为过程 曲线(右图)。
当热力学系统的状态随时
间变化时,我们就说系统 在经历一个热力学过程, 简称过程。
推进活塞压缩汽缸内的 气体时,气体的体积、 密度、温度或压强都将 变化
二、非静态过程
1、弛豫时间:系统由非平衡态到达平衡态所 需要的时间称为弛豫时间。用τ表示
2、弛豫过程:由非平衡态到达平衡态的过程 称为弛豫过程。
3、非静态过程:在热力学过程的发生时,系 统往往由一个平衡状态经过一系列状态变化 后到达另一平衡态。如果中间状态为非平衡 态,则此过程称非静态过程。 作为中间态的非平衡态通常不能用状态参量 来描述。
规定:
Q>0,系统吸收热量;Q<0,系统放出热量; A>0,系统对外作正功;A<0,系统对外作负功; U>0,系统内能增加,U<0,系统内能减少。
对无限小过程
热力学第一定律
dQdUdA 的普遍形式
对于准静态过程,如果系统对外作功是通过 体积的变化来实现的,则
QU V2 pdV V1
dQdUpdV
定律)。
• 热功的转化是不可逆的(热力学第二定 律)。
四、焦耳热功当量实验及其重要意义
焦耳(Joule 1818---1889)于1840年最早研 究了电流的热效应,1840-1879年焦耳进行了 大量的实验,测定了功与热相互转化的数值关 系---热功当量。 1956年国际规定的热功当量精确值为:
1、功与热量区别
• 作功和传热都是系统与外界交换能量的 方式,但是产生这两种能量交换的原因 却不同。
• 作功是由于不满足力学平衡条件而引起 的,与宏观位移相联系。
• 传热是由于不满足热平衡条件而引起的, 与温度差的存在相联系。只有能量的转 移。
2、功与热量联系
• 使系统能量发生变化的方式。 • 宏观实质相同是系统内能变化的量度。 • 都是过程量。 • 热量与作功可以相互转化(热力学第一
4T1
A V2 pdV 2V1 aVdVaV2 2V1
V1
V1
2
V1
a 2
(4V12
V12)
3 2
aV12
3 2
RT1
§2.3 内能 热量 焦耳热功当量实验
一、内能 (一)绝热过程中的功 1、绝热过程:是指绝热壁与外界隔绝的
情况下与外界发生相互作用的过程。 2、绝热系统:只能以作功的方式与外界
解:(1)由理想气体的状态方程,得
p1V1 RT1,而 p1 aV1 aV1V1 RT1,即 aRV12T1 Rp12T1
(2)初态: p1,V1,T1
p1V1 RT1
来自百度文库
末态: p2, V2V1, T2 p22V1 RT2
而 p2aV 2R V121T2V12V R11T
T2
2p2V1 R
22V R1T1V1 R
Y是广义力,它是强度量,强度量 的特征是:当系统在相同情况下质量扩 大一倍时,强度量不变。如:压强,表 面张力,电场强度等。
七、对功的计算公式,有几点说明:
1、功不但与系统的初、末状态有关,而且与过 程有关,即功是过程量;
2、只适用于无摩擦的准静态过程; 3、用公式来计算功时,必须先找到压强p随体
• 注意几点:
– 内能是系统内部状态所决定的一种能量;
– 内能是一个相对量;
– 内能是系统的单值函数,即在选定某参考状态内能 后,系统在一平衡态的内能完全被确定,即内能是 状态函数;
– 对绝热过程,内能的增量等于外界对系统所作的功。
二、热量
1、热传递:热力学系统和外界之间还存在着另一 种相互作用方式。
b
( 2 ) Q b a A b a U b c 2 a ( 0 5 ) 0 7 ( J ) 0
(3 ) U a dU d U a 4J0
2、表达式:-A绝热=U2-U1=△U
3、表达式的解释: 当外界对系统做绝热功,即作负功时,系统内能增加; 当系统对外界做绝热功,即作正功时,系统内能减少。
• 内能是系统内部所有微观粒子(如分子、原子等)的 微观的无序运动能以及相互作用势能两者之和。内能 是状态函数,处于平衡态系统的内能是确定的。内能 与系统状态间有一一对应关系。
第二章 热力学第一定律
教学基本要求
一 掌握内能、功和热量等概念 . 理解准静 态过程 .
二 掌握热力学第一定律,能分析、计算理 想气体在等体、等压、等温和绝热过程中的功、 热量和内能的改变量 .
三 理解循环的意义和循环过程中的能量转 换关系,会计算卡诺循环和其他简单循环的效率 .
四 了解可逆过程和不可逆过程,了解热力 学第二定律和熵增加原理 .
相关文档
最新文档