第五章热力学基础

第五章 热力学基础

一、基本要求

1．掌握理想气体的物态方程。 2．掌握内能、功和热量的概念。 3．理解准静态过程。

4．掌握热力学第一定律的内容，会利用热力学第一定律对理想气体在等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能增量进行计算。

5．理解循环的意义和循环过程中的能量转换关系。掌握卡诺循环系统效率的计算，会计算其它简单循环系统的效率。

6．了解热力学第二定律和熵增加原理。 二、本章要点 1．物态方程

理想气体在平衡状态下其压强、体积和温度三个参量之间的关系为

RT M

m

PV =

式中是m 气体的质量，M 是气体摩尔质量。

2．准静态过程

准静态过程是一个理想化的过程，准静态过程中系统经历的任意中间状态都是平衡状态，也就是说状态对应确定的压强、体积、和温度。可用一条V P -曲线来表示

3．内能

是系统的单值函数，一般气体的内能是气体温度和体积的函数),(V T E E =，而理想气体的内能仅是温度的函数)(T E E =。

4．功、热量

做功和传递热量都能改变内能，内能是状态参量，而做功和传递热量都与过程有关。气体做功可表示为

⎰=2

1

V V PdV W

气体在温度变化时吸收的热量为

T C M

m

Q ∆=

5．热力学第一定律

在系统状态发生变化时，内能、功和热量三者的关系为

W E Q +∆=

应用此公式时应注意各量正负号的规定：0>Q ，表示系统吸收热量，0∆E 表示内能增加，0<∆E 表示内能减少；0>W 系统对外界做功，0

界对系统做功。

6．摩尔热容

摩尔热容是mol 1物质在状态变化过程中温度升高K 1所吸收的热量。对理想气体来说

dT dQ C V m V =

, dT

dQ C P

m P =, 上式中m V C ,、m P C ,分别是理想气体的定压摩尔热容和定体摩尔热容，两者之差为

R C C m V m P =-,,

摩尔热容比：m V m P C C ,,/=γ。 7．理想气体的几个重要过程

8．循环过程和热机效率 （1）循环过程

系统经过一系列变化后又回到原来状态的过程，称为循环过程。 （2）热机的效率

吸

放吸

净Q Q Q W -

==

1η

（3）卡诺循环

卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。其效率为

1

2

1T T -

=η 工作在相同的高温热源和相同低温热源之间的热机的效率与工作物质无关，且以可逆卡诺热机的效率最高。

9．热力学第二定律

热力学第二有两种表述既开尔文表述和克劳修斯表述，两种表述是等效的。热力学第一定律说明一切过程的进行都必须遵循能量守恒定律 热力学第二定律进一步说明，并非所有能量守恒的过程都能实现，自然界中出现的过程是有方向性的。热力学第二定律的实质是：自然界一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆过程。

三、例题

5-1 如图所示，在一个具有绝热壁的刚性圆柱形气缸内，装有一绝热活塞Ｌ，起初活塞紧贴气缸Ｂ端的内壁，在整个气缸内装有摩尔数M m v /=的单原子理想气体，温度为T 。现设法无摩擦地把活塞缓慢地拉至某一位置，外界对气体作功为w ，则气缸中气体的温度变为_____。

解：根据热力学第一定律A E Q +∆=，且过程中0=Q （绝热过程），则

w A E =-=∆

又)(2

3

230T T vR T vR E -=∆=

∆，所以 mR

Mw

T vR w T T 323200+

=+= 5-2 如图，一定量的理想气体由状态Ａ变

化到状态Ｂ，无论经过什么过程，系统必然是( A )。

(A)内能增加 (B)从外界吸热 (C)对外界做正功

解：内能是状态量，而热量，功与过程有关。例如如图所示的AB 和ACDEFB 两过程，都是B A →，但功和热量却不相等（ACDEFB 过程的功和热量可为负值）。选(A)。

5-3 图a 、b 、c 各表示一个循环过程，则循环( )的净功为正；循环( )的净功为负；循环( )的净功为零。

解：（C ）（B ）（A ）

循环过程的净功等于pv 图上循环曲线包围的面积（顺时针为正）。

5-4 １摩尔刚性双原子分子理想气体作绝热变化，温度降低20℃，则气体对外做功__________。

解：气体对外做功为

J T vR E A 5.415)20(31.812

5

25=-⨯⨯⨯-=∆-=∆-=

5-5 有一气筒，竖直放置，除底部外都是绝热的，上面是一个可以上下无摩擦运动的活塞，中间有一块隔板，把筒分为体积相等的两部分Ａ和Ｂ，各盛有一摩尔的氮气，并且处于相同的状态，压强为Pa p 5

1101⨯=，现在由底部慢慢地把焦耳的热量传递给气体，活塞上的压强始终保持１大气压，在下列两种情况下，分别求Ａ和Ｂ的温度改变量以及它们各得到的热量

⑴如果中间隔板是固定的导热板，且其热容量可略去不计。 ⑵如果中间隔板是绝热的且可以自由无摩擦地上下滑动。

解：(1)上部即A 部为等压过程，下部B 为等体过程。因为B A T T T ∆=∆=∆，所以

T C A E Q P A ∆=+∆= T C A E Q V B ∆=+∆=

T C C Q Q Q V P B A ∆+=+=)(

=∆=∆B A T T K C C Q T V

P 67.631.8)2

527(4

.332=⨯+=+=

∆ J T R Q A 9.19367.631.827

27=⨯⨯=∆⨯⨯=

J T R Q B 5.13867.631.82

5

25=⨯⨯=∆⨯⨯=

(2)上部A 状态保持不变，下部B 为等压过程。因为0=A Q ，0=∆A T ，J Q B 4.332=，且B P B T C Q ∆= ，所以

K C Q T P

B B 5.1131.82

74

.332=⨯==

∆ 5-6 各为１mol 的氢气和氦气，从同一初状态(0p ，0V )开始作等温膨胀。若氢气膨胀后体积变为02V ，氦气膨胀后压强变为2/0p ，则它们从外界吸收热量之比为________。

解：等温过程系统吸收的热量为

000ln

v v

v p Q ==p

p v p 000ln 把已知条件代入，容易得

2ln 002v p Q Q He H == 112：：=He H Q Q

5-7 气体分子的质量可以由气体的定体比热算出来（气体的定体比热定义为：单位质