大学物理热力学基础.课件.ppt
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- 大学物理 热力学 基础 课件
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1、开尔文开尔文克劳修斯克劳修斯卡诺卡诺 热力学从能量观点出发,分析、说明热力学系热力学从能量观点出发,分析、说明热力学系统热、功转换的关系和条件。是宏观理论。统热、功转换的关系和条件。是宏观理论。 分子运动论从牛顿力学出发,采用统计方法说分子运动论从牛顿力学出发,采用统计方法说明压强、温度和内能的物理本质。是微观理论。明压强、温度和内能的物理本质。是微观理论。7-1 内能内能 功和热量功和热量 准静态过程准静态过程一、内能一、内能 功和热量功和热量实际气体内能:实际气体内能: 所有所有分子热运动的动能分子热运动的动能和和分子间势能分子间势能的总和。的总和。理想气体内能理想气体内能RTiMMEmo
2、l2 是状态量是状态量, ,是状态参量是状态参量T的单值函数。的单值函数。 是状态参量是状态参量T、V的单值函数。的单值函数。结论:内能是状态量,内能增量只决定于结论:内能是状态量,内能增量只决定于系统的初态与终态,而与过程无关。系统的初态与终态,而与过程无关。电源电源R作功增加物体内能作功增加物体内能传递热量也可传递热量也可增加物体内能增加物体内能系统内能改变的两种方式系统内能改变的两种方式1、做功做功可以改变系统的状态可以改变系统的状态 摩擦升温(机械功)、电加热(电功)摩擦升温(机械功)、电加热(电功) 功是过程量功是过程量2、热量传递热量传递可以改变系统的内能可以改变系统的内能 热量是
3、过程量热量是过程量使系统的状态改变,使系统的状态改变,传热和作功是等效的传热和作功是等效的。宏观运动宏观运动分子热运动分子热运动功功分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动热量热量3、功与热量的物理本质不同、功与热量的物理本质不同 .转换转换传递传递二、准静态过程二、准静态过程气体气体砂堆砂堆准静态过程准静态过程& P-VP-V图上一个图上一个点点表示表示一个一个平衡态平衡态;&一条一条曲线曲线表示一个表示一个准静准静态过程态过程。系统所经历的中间态都无系统所经历的中间态都无限接近于限接近于平衡态平衡态。准静态过程是一种准静态过程是一种理想的极限理想的极限。砂堆砂堆气体气体活塞活塞将砂粒一颗颗
4、地缓慢将砂粒一颗颗地缓慢拿走,气体状态随之拿走,气体状态随之缓慢变化,每一时刻缓慢变化,每一时刻均为平衡态均为平衡态,有确定有确定的(的(Pi Vi Ti)dleppSF光滑光滑三、准静态过程的功和热量三、准静态过程的功和热量当活塞移动微小位移当活塞移动微小位移dl 时,时,系统对外界所作的系统对外界所作的元功元功为:为:pdVpSdlFdldA 系统体积由系统体积由V1变为变为V2,系统对外界系统对外界作总功为:作总功为: 21VVpdVdAA1、体积功的计算、体积功的计算, 0dV 系统对外作正功;系统对外作正功;, 0dV 系统对外作负功;系统对外作负功;, 0dV 系统不作功。系统不作
5、功。功与过程的路径有关功与过程的路径有关功是过程量功是过程量。 21VVPdVA PABV01V2V11VVPdVPdV2、体积功的图示、体积功的图示由积分意义可知,由积分意义可知,功的大小等于功的大小等于pV 图上过程曲线图上过程曲线p(V)下的下的面积面积。不同曲线所围面积不同不同曲线所围面积不同 21VVPdVA )TT(CMMQmmol12 准静态过程中热量的计算准静态过程中热量的计算Cm (摩尔热容摩尔热容):1 mol 物质升高物质升高 1K 所吸收的热量所吸收的热量1、热容法、热容法dTCMMdQmmol 2、利用热力学第一定律、利用热力学第一定律72 热力学第一定律热力学第一定
6、律法法卡诺,工程师,第一个把热与功联系卡诺,工程师,第一个把热与功联系起来。(起来。(34岁)岁)迈迈耶耶,医生,第一个作出热功当量的,医生,第一个作出热功当量的定量计算。(定量计算。(28岁)岁)德德焦耳,工业管理家,精确求出热功焦耳,工业管理家,精确求出热功当量的关系。(当量的关系。(25岁)岁)英英赫姆霍兹,生理学家。多方面论证赫姆霍兹,生理学家。多方面论证了能量转化和守恒定律。(了能量转化和守恒定律。(32岁)岁)德德一、一、 热力学第一定律(热力学第一定律(1942年迈耶提出)年迈耶提出)AEQ 内能增量内能增量系统对外系统对外作功作功对于元过程:对于元过程:dAdEdQP、V、T包
7、括热现象包括热现象的能量守恒的能量守恒第一类永动机第一类永动机不可能实现。不可能实现。系统吸收系统吸收的的热热量量得到的得到的=留下的留下的+付出的付出的对于准静态对于准静态过程:过程: 21VVpdVEQ 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图第一类永动机第一类永动机:不需要消耗外界提供的能量而不断对:不需要消耗外界提供的能量而不断对外作功的热机。外作功的热机。违反热力学第一定律。违反热力学第一定律。AEQ热力学第一定热力学第一定律律的普遍形式的普遍形式+12EEE 系统系统吸热吸热系统系统放热放热内能内能增加增加内能内能减少减少系统系统对外界做功对外界做功外界外界对系统做功对系统做功第一
8、定律的符号规定第一定律的符号规定QA二、热力学第一定律在二、热力学第一定律在理想气体理想气体等值过程中的应用等值过程中的应用1. .等体过程等体过程T2T1pV0ab 等体过程中,外界传给气体的热量全部用来增等体过程中,外界传给气体的热量全部用来增加气体的内能,系统加气体的内能,系统对外不作功对外不作功。RTiMMEmol2 依据:依据: 21VVPdVEQ前提:前提:RTMMPVmol (1)特征:)特征:dV=0 dA=0(2)计算:)计算:EQV TRiMMmol 22. 等压过程等压过程12p21OVVV)()(21212TTRMMTTRiMMmolmol 等压过程中系统吸收的热量一部
9、分用来增加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。系统的内能,一部分用来对外做功。(1)特征:)特征:p=恒量恒量 dP=0(2)计算:)计算: 21VVpPdVEQ)(12VVPE RTiMMEmol2 3. 等温过程等温过程 2112lnVVmolmolTTVVRTMMVdVRTMMpdVAQ 21lnppRTMMmol pVp1p2I II.OV2V1 等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外做功,系统做功,系统内能保持不变内能保持不变。(1)特征:)特征: T=恒量,恒量,dT=0 dE=0(2)计算:)计算: 一定量的
10、理想气体经历一定量的理想气体经历acb过程时吸热过程时吸热500J, 则经历则经历acbda过程时吸热为过程时吸热为?P(105Pa)V(10-3m3)abc1414de(A) -1200J(B) 700J(C) -700J(D) 1000J思路思路:0 0 E ET TT Tababb ba a JdVPWQbaVVabab500 0 acbdaEdVPdVPWQadbaVVVVacbdaacbda )J(1200500 分别计算分别计算A与与Q。(1)a b等温,等温,(2)a c等容,然后等容,然后c b等压,等压,例:有例:有1mol理想气体理想气体P(atm)V(l)abc22.44
11、4.812解:解:abmolabVVlnRTMMA)1( )J(105 .312ln104 .2210013. 12235 dVPA)2(bcVVbc )J(107 .22104 .2210013. 11235 ababAQ cbacbAQ 表示升高表示升高1K所吸收的热量所吸收的热量dTdQC 热容量热容量:系统在某一无限小过程中吸收热量:系统在某一无限小过程中吸收热量dQ与温与温度变化度变化dT的比值称为系统在该过程的热容量的比值称为系统在该过程的热容量(C)1 KJ摩尔热容量摩尔热容量:1 mol 物质的热容量物质的热容量(Cm)mmolCMMC 11 molKJ7-3 气体的摩尔热容量
12、气体的摩尔热容量一、热容与摩尔热容的定义:一、热容与摩尔热容的定义:1mol 物质温度升高物质温度升高1K时所吸收的热量。时所吸收的热量。单位质量的热容量叫单位质量的热容量叫比热容比热容。11 kgKJ比比MCC 1、理想气体的、理想气体的定容定容摩尔热容:摩尔热容:微分形式:微分形式:dTCMMdEVmol 任何过程任何过程二、理想气体的摩尔热容量二、理想气体的摩尔热容量VV)dTdQ(C V)dTdE( RdTidE2 理想气体理想气体RiCV2 RCV23 RCV25 RCV3 单原子理想气体单原子理想气体双原子理想气体双原子理想气体多原子理想气体多原子理想气体TCMMEVmol 理想气
13、体的内能理想气体的内能2 2、理想气体的定压摩尔热容:、理想气体的定压摩尔热容:( (迈耶公式迈耶公式) )说明:说明: 在等压过程中,在等压过程中,1mol理想气体,温度升高理想气体,温度升高1K时,时,要比其在等体过程中多吸收要比其在等体过程中多吸收8.31的热量,用于膨胀的热量,用于膨胀时对外作功。时对外作功。pp)dTdQ(C dTdVpdTdE dTCdEV RdTpdV RiRCCVp22 定压摩尔热容定压摩尔热容dTdQCpp 等压过程,等压过程,1摩尔物摩尔物质温度升高质温度升高1K时所吸时所吸收的热量收的热量 等容过程,等容过程,1摩尔物摩尔物质温度升高质温度升高1K时所吸时
14、所吸收的热量收的热量dTdQCVV )TT(CMMQ12VmolV )TT(CMMQ12pmolp 定容摩尔热容定容摩尔热容3 3、比热容比、比热容比 单单原原子子双双原原子子多多原原子子67.140.133.1i2iCCVP理想气体的热容与温度无关。这一结理想气体的热容与温度无关。这一结论在低温时与实验值相符,在高温时与论在低温时与实验值相符,在高温时与实验值不符。实验值不符。(绝热系数)(绝热系数)7-4 7-4 绝热过程绝热过程一、特征:一、特征:在任意微过程中在任意微过程中 dQ=0二、二、 绝热过程的功:绝热过程的功:TCMMEpdvAVmol 无论过程是准静态无论过程是准静态的还是
15、非准静态的的还是非准静态的pdVdEdQ dTCMMdEVmol 对外作功以减对外作功以减少内能为代价少内能为代价1、理想气体的、理想气体的绝热准静态绝热准静态过程的过程方程过程的过程方程对其对其微分微分得得:联立(联立(1)()(2)得:)得:理想气体状态方程理想气体状态方程RTMMPVmoldTCMMdEPdVdAVmol (1)(2)RdTMMVdPPdVmol 0VdVPdP)3(.constPV)4(.constTV1)5(.constTP1将将 与与 联立得联立得:.constPV RTMMPVmol说明:说明:(3)、(4)、(5)式称为式称为绝热方程绝热方程特别强调特别强调:
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