热力学基础经典课件

热力学第一定律彻底否定了第一类永动机！
热力学第零定律 热力学第一定律 热力学第二定律
……
§3-1 热力学第一定律
一. 基本概念 1.热力学系统—— 研究的物体（或一组物体）
★孤立系统 ---系统和外界没有任何物质和能量的交换 ★封闭系统 ---系统和外界只有能量的交换，而无物质交换 ★开放系统 ---系统和外界既有能量的交换，又有无物质交换
★准静态过程（平衡过程） 系统每时每刻都有确定的状态参量。 平衡过程可以用状态图表示，图中任一条曲线都代表一个平 衡过程。
p
a
b
o
V
§3-1 热力学第一定律
二.功、热量、内能 思考：一杯冷水，如何使它变热？
Q=A(热功当量）
热传递(Q)
做功(A)
一杯冷水，既不加热，也不搅拌，能不能凭空变热？
§3-1 热力学第一定律
过程方程 V 1T C V1 T1 V2 T2
A
m M
i 2
2.热力学过程 —热力学系统从一平衡态到另一平衡态的转变过程
★准静态过程（平衡过程） ★非静态过程（非平衡过程）
★准静态过程（平衡过程） ———系统所经历的一系列中间 态都可以近似的看成是平衡态
进行的时间远大于由非平衡态到平衡态的过 渡时间（驰豫时间）,是一种理想过程。
● ●
P1 V1
P2 V2
§3-1 热力学第一定律
The first law of thermodynamics
Q E A
对于无限小过程, 有: dQ dE dA ——微分形式
★热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与 转化定律的一种表达形式。使用与任何热力学系统 的任何热力学过程.
问：是否能够制作出不需要消耗任何燃料或者动力，而能源源 不断的对外做功的机器？
★热力学第一定律另一表述：制造第一类永动机是 不可能的。
§ 3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
（1）定体过程 （2）定压过程 （3）定温过程 （4）绝热过程
定体过程：V不变，P增大，T增大 定压过程：P不变，V增大，T增大
A=0，吸收热量用来增加内能
吸收热量用来做功和内能增加
定温过程：T不变，V增大，P减小 绝热过程：P减小，V增大，T减小
PV m RT M
P1V1 P2V2
3. A,⊿E ,Q 的计算
dE m i RdT 0 M2
dA PdV m RT dV MV
E 0
§ 3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
A V2 m RT dV m RT V2 dV
V1 M V
M
V V1
m RT ln V2 m RT ln P1
质量 m
外
而传递的能量。
温度升高 dT
热容量：系统在某一无限小过程中
吸收热量 dQ
吸收热量dQ与温度变化dT 的比值。
界
C dQ
dT
系统由温度 T1 变到温度 T2的 过程中所吸收的热量
T2
Q CdT C(T2 T1)
T1
1 dQ
比热容c——单位质量物质的热容 c
m dT
摩尔热容Cm——使1mol物质温度 改变1k所需要的热量
定 dT 0 pV C 温
dQT dA
dE 0
PV C
绝 热
dQ
0
V 1T C
dA dE
P 1T C
m dE M CV ,mdT
热力学第一定律总结(续前)
过 程
功A
定
0
体
热量Q
m M CV ,mdT
摩尔热容
CV ,m
i 2
R
单 双多
3R 2
5 2
R
3R
定 压
PdV
m M CP,mdT
例题2：设有8g氧气，体积为0.41˟10-3m3，温度为300k。如氧 气绝热膨胀，膨胀后的体积为4.10 ˟10-3m3，问气体做功多少？ 如氧气作等温膨胀，膨胀后的体积也是4.10 ˟10-3m3，问这时气 体做功多少？
解：1，绝热过程的特点dQ=0 dA dE
m
A M CV ,m (T2 T1)
1.功
活塞移动位移dl，系统对外界所 作的元功为：
pS
dl
dA Fdl pSdl pdV
p
S
系统体积由V1变为V2 ，系统对 外界作总功为：
A dA V2 pdV V1
功的大小等于在P-V图 中曲线下的面积.
p
p1 I•
b
p
a
p2
• II
o V V1 V V dVV2
§3-1 热力学第一定律
M
V1 M
P2
dQT dA
QT
m M
RT
ln V2 V1
等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外做功，系统内 能保持不变。
★摩尔定温热容CT, m？
§ 3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
四.绝热过程
1.定义 系统不与外界交换热量的过程。
dQ 0
2.Q,A,⊿E 的计算
mi
m
dE
M
RdT 2
ΔE不变，吸收热量用来做功
Q=0，消耗内能用来对外做功
§3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
一.定体过程 1.定义及P—V图 V=恒量，dV=0
2.过程方程 ——两态间的状态参量关系
PV m RT M
p1 p2 T1 T2
3. A,⊿E,Q 的计算
Q>0,吸热过程
dA pdV 0 dE m RdT
A
V2 dA
V1
p(V2
V1)
E2
wk.baidu.com E1
m M
i 2 R(T2
T1)
m M CV ,m (T2 T1)
§ 3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
dQp
dE
dA
m M
CV ,mdT
PdV
PV m RT M
PdV m RdT M
dQp
dE
dA
m M
CV ,mdT
m M
RdT
Qp
E
★比热容比
Cp,m i 2
CV ,m
i
i=3 γ =1.67
i=5 γ =1.4
CV ,m
i 2
R
理想气体热容量温度无关 .
CP,m
i
2 2
R
实测, 气体热容量和温度有关, 如 H2 气体
§ 3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
三.定温过程
1.定义及P—V图
T=恒量，dT=0
2.过程方程
M
M
m dQ 0 pdV dE pdV M CV,mdT
dT M pdV mCV ,m
pdV Vdp R pdV CV ,m
CV ,m R pdV Vdp CV ,m
dp dV 0 PV 恒量
pV
§ 3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
4.绝热过程P－V图
M
CV ,mdT
dQ 0 dE dA 0 dA dE
mi
A M
2 R(T2
T1)
绝热过程中系统对外做功全部是以系统内能减少为代价的。
§ 3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
3.过程方程的推导
pV 恒量 V 1T 恒量 p 1T 恒量
Cp,m i 2
CV ,m
i
pV m RT pdV Vdp m RdT
Cm
Mc
M m
dQ dT
§3-1 热力学第一定律
★热量与过程有关吗？？？
热量传递与过程的路径有关，是过程量
dQ>0，系统从外界吸收热量
p
dQ<0，系统向外界释放能量
I
b
★ Cm与过程有关吗？？？
不同气体Cm不同，同一气体经历
不同的热力学过程Cm也不同。 o
a II V
§3-1 热力学第一定律
3.内能 ——某物体系统由其内部状态所决定的能量
理想气体系统的内能，是组成该气体系统的全部分子的动能
之和，其值为 E m i RT M2
由状态参量T决定，内能 E E(T ) ，是状态参量T的单值
函数——态函数。
dE
m
i
RdT
M2
E2
E1
m M
i 2 R(T2
T1)
dE>0，系统内能增加 dE<0，系统内能减少
§3-1 热力学第一定律
M QV E A
A dA 0
mi
E QV
Mm M
2i R(T2 2 R(T2
T1) T1)
等体过程中，系统吸收的热量全部用来增加内能， 系统对外不作功。
★摩尔定体热容CV, m
通过定容过程使1mol的气体温度升高1度所需的热量。
CV ,m
M m
dQV dT
理想气体：
dQV
m M
i RdT 2
（2）认为热是物体内部粒子的运动。
（代表人物：笛卡尔 胡克 罗蒙诺索夫 伦福德）
错误的观点：冷物体热质少，热物体热质多
第一类永动机的设想
如何提高热机的效率？？？
1824年 卡诺发表了《关于热动力的见解》一文，提出卡诺 原理，阐述了热功转换的条件及热效率的上限。
---奠定了热力学第二定律的基础 1842年 迈耶以普遍的,自然科学的形式作出了能量守恒和转 换定律的定义。
C p,m
i 2 2R
5 2
R
7 2
R
4R
m RT ln V2
定
M
V1
温
m RT ln P1
M
P2
绝 热
m M
CV ,mdT
m RT ln V2
M
V1
m RT ln P1
M
P2
不能引入CT ,m
C Adiabatic,m
0
0
CP,m
CV ,m
5 74 3 53
• 典型例题
例1：一定量理想气体,从初态A开始,经历三种不同过
1843年 焦耳在大量实验研究的基础上，提出了热功当量。
1847年 亥姆霍茨采用不同的方法，证实了各种不同形式的 能量与功之间的转换关系。
能量守恒和转换定律，彻底否定了永动机！
---奠定了热力学第一定律的基础
1848年 开尔文根据卡诺原理，建立了绝对温标，建立了热 力学与测温学的联系。 1850年 克劳修斯与兰金各自独立地表述了热与机械功的普 遍关系---热力学第一定律。
等温 pV C p C
V
dp dV
T
C V
'
C V 2
C V
1 V
P V
绝热
pV
C
p
C V
dp dV
S
C V
'
C V 1
C V
1 V
P V
绝热线
A
T Q
等温线
dp dp dV S A dV T A
绝热线比等温线更陡,膨胀相同 的体积,绝热比等温压强下降得快。
1620年 1714年
培根认为“热是运动” 华伦海脱建立了华氏温标
1742年
摄尔修斯建立了摄氏温标
伽利略
佛朗西斯.培 根
摄尔修斯
永动机能否实现？？？
热17本60性-1说83的0年争间论，: 第一次工业革命，蒸汽机的发明和 应（用1），认促为进热了是热一机种理物论质的，研即究热。质说。
（代表人物：伊壁鸠鲁 付里叶 卡诺）
功 A
热量 Q
过程量
是系统的宏观有序机械运动 与系统内大量分子无规热运 动的相互转化过程。
Q=E+A
过程量
是外界物质分子无规热运动 与系统内物质分子无规热运
动的相互转化过程。
内能 ΔU
状态量
是构成系统的全部分子的平 均能量之和。
功、热量、内能国际标准单位都是 焦耳 （ J ）
§3-1 热力学第一定律
程, B、C、D处于同一条等温线上, AC为绝热线,
问
p
A
1. A B 过程吸热还是放热？
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
BC D
同.系统对外做功不相等.
QC E AC 0
QB E AB
O
QB AB AC 0
V
QD E AD
QB AD AC 0
A
m M
(CV ,m
R)(T2
T1)
等压过程中系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能， 一部分用来对外做功。
§ 3-2 热力学第一定律对理想气体的应用
★摩尔定压热容CP, m
dQp
m M
(CV ,m
R)dT
dQp
m M
C p,m dT
C p,m
CV ,m
R
i
2 2
R
——迈耶(R.J.mayer)公式
p
dV 0, dA 0, 系统对外作正功；
1
dV 0,dA 0, 系统对外作负功； dV 0,dA 0, 系统不作功。
功与过程的路径有关,功是过程量。
2
V
V1
V2
★净功
循环过程作功：循环曲线在 P—V图上包围的面积
Pa
b V
§3-1 热力学第一定律
2.热量
★热量是系统与外界仅由于温度不同
CV ,m
M m
dQV dT
iR 2
i CV ,m 2 R
§ 3-2热力学第一定律对理想气体的应用
二.定压过程
1.定义及P—V图 p=恒量，dp=0
2.过程方程
PV m RT M
3. A,⊿E, Q 的计算
dA pdV dE m i RdT
M2 m M CV ,mdT
V1 T1 V2 T2
微观解释？
*多方过程 实际上, 气体所进行的过程, 常常 既不是等温又不是绝热的, 而是 介于两者之间, 可表示为
热力学第一定律总结
过 程
过程特 点
过程方程
热一律
定 体
dV
0
p T
C
dQV dE
内能增量
dE
m M
CV ,mdT
定 压
dp
0
VC T
m dQP PdV dE dE M CV ,mdT
第三章 热力学基础
§3.1 热力学第一定律 §3.2 热力学第一定律的应用 §3.3 卡诺循环 §3.4 热力学第二定律 §3.5 熵
如何衡量物体的冷热程度？？？
热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一 切生命的源泉。
------恩格斯
热现象的本质是什么？？？
1592-1600年 伽利略制作了第一个空气温度计