《大学物理》第19章热力学第一定律课件.pptx

1、上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出v开篇开篇问题问题上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出v热功当量热功当量4.186 J=1 cal4.186 kJ=1 kcal上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出物体包含的所有分子的全部能量之和称为物体的物体包含的所有分子的全部能量之和称为物体的内能内能区分温度、热量和内能的概念区分温度、热量和内能的概念:理想气体的内能理想气体的内能单原子分子的平均平动动能单原子

2、分子的平均平动动能:理想气体的理想气体的内能：内能：如果气体是多原子分子如果气体是多原子分子构成，需要考虑分子的构成，需要考虑分子的转动和振动动能的贡献。转动和振动动能的贡献。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出使物质发生温度变化所需的热量使物质发生温度变化所需的热量:c 是物质的比热容是物质的比热容,m物质质量物质质量 例例19-2:热量传递与比热的关系热量传递与比热的关系上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出孤立系统孤立系统:系统与外界没有物质与能量的交换系统与外界没有物质与能量的交换 某一部分损失的能量某一部分

3、损失的能量 =其他部分获得的能量其他部分获得的能量 损失的热量损失的热量=获得的热量获得的热量.例例19-3:茶杯冷却茶水茶杯冷却茶水将体积为将体积为200 cm3，95的茶水倒入初的茶水倒入初始温度为始温度为25，150 g的玻璃杯中。当的玻璃杯中。当茶水和茶杯达到热平衡时，它们的最终茶水和茶杯达到热平衡时，它们的最终温度是多少？假设没有热量流失。温度是多少？假设没有热量流失。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出例题例题19-4 利用量热计测量未知的比热容利用量热计测量未知的比热容上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出

4、退出当物体发生相变，从固体变为液体，或从液体变为气体时，物当物体发生相变，从固体变为液体，或从液体变为气体时，物体需要体需要吸收一定的能量吸收一定的能量，并保持温度不变。这个能量称为，并保持温度不变。这个能量称为潜热潜热熔解热熔解热 LF:1.0 kg固体熔解为液体吸收的热量固体熔解为液体吸收的热量汽化热汽化热 LV:1.0 kg液体汽化为气体吸收的热量液体汽化为气体吸收的热量上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出相变中相变中吸收（放出）的吸收（放出）的能量与能量与物质质量物质质量和和潜热潜热有关有关:上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下

5、页 返回返回 退出退出封闭系统的内能封闭系统的内能变化变化=吸收的热量吸收的热量-系统系统对外做的功对外做的功D DE内内=Q W 注意符号的规定：注意符号的规定：系统系统吸收吸收热量热量Q0，系统，系统放出放出热量热量Q0,外界对系统做正功，外界对系统做正功，W 再再等压变化等压变化时时，做功的大小：，做功的大小：PdVP VDBBAP VV1ABBVnRTV上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出PV122VO1Vabs1s21-a-2过程为过程为等温过程等温过程，则：，则：1-a-2:气体对外作功为多少？气体对外作功为多少？2-b-1:气体对外界作功为

6、多少？气体对外界作功为多少？1-a-2-b-1:气体对外作功为多少？气体对外作功为多少？内能改变为多少？内能改变为多少？气体向外界释放的净热气体向外界释放的净热 量为多少？量为多少？上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出21(12)0bWss 膨胀过程膨胀过程压缩过程压缩过程121122120ababWWsW intEQWD2S02S系统系统 外界外界PV122VO1Vabs1s21210aWs 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出等体等体等压等压等温等温绝热绝热2int1()EQWEED重点：重点：?ED?W?Q

7、int2133()22EnRTnR TTDD上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出P1P2系统体积系统体积在状态变化过程中始终在状态变化过程中始终保持不变保持不变。0dV0d0WW或21intVQEEE DintddVQE等体过程等体过程:等体过程等体过程中，系统对外不作功，吸收的热量全中，系统对外不作功，吸收的热量全用于增加内能。用于增加内能。intEQWD上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出P1P2P1P2intddVQEintd0,0VEdQintd0,0VEdQ0W 0VDintEQWD上页上页 下页下页 返

8、回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出等体吸热等体吸热注意：内能是理想气体注意：内能是理想气体温度温度的单值函数的单值函数所以该式所以该式不仅适用于等体过程不仅适用于等体过程，而且，而且适用于所有过程适用于所有过程32VQnR TDint32EnR TDD等体内能增量等体内能增量等体作功等体作功0W 忆忆记记上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出等压过程等压过程:系统压强系统压强在状态变化过程中始终在状态变化过程中始终保持不变保持不变。d0p int213()2EnR TTD2121d()VVWVVVpp21mol()mR TTnR TMD

9、pVO21上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出pVO21pVO21intdEdQdWintEQWD00dVdWint00dTdE0dQ 00dVdWint00dTdE0dQ 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出mol()pVmdQdEdWCR dTM 在等压过程中，理想气体吸热的一部分用于在等压过程中，理想气体吸热的一部分用于增加内能增加内能，另一部分用于，另一部分用于对外作功对外作功。热力学第一定律热力学第一定律intdEdQdW上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出等压吸热

10、等压吸热pQEW D32EnR TDD等压内能增量等压内能增量WnRTD等压对外作功等压对外作功忆忆记记上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出系统系统温度温度在状态变化过程中始终在状态变化过程中始终保持不变保持不变。0dT int0E D2211molddVVTVVmVpRTMQWVV2112lnlnVpnRTnRTVp 在等温过程中，理想气体吸热全部用于对外作在等温过程中，理想气体吸热全部用于对外作功，或外界对气体作功全转换为气体放出的热。功，或外界对气体作功全转换为气体放出的热。pVO21intEQWD上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下

11、页下页 返回返回 退出退出pVO21pVO21TdQdEdWdW00dWdQ00dWdQintEQWD上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出等温吸热等温吸热21lnTVQnRTV等温作功等温作功TWQ0ED等温内能增量等温内能增量忆忆记记12lnTPQnRTP上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出系统在状态变化过程中始终与外界系统在状态变化过程中始终与外界没有热交换没有热交换。0d0QQ或2121()3()2WTEnR TE 绝热膨胀绝热膨胀过程中，过程中，系统对外作的功，是靠内能系统对外作的功，是靠内能减少实现的减少

12、实现的，故，故温度降低温度降低；绝热压缩绝热压缩过程中，过程中，外界外界对气体作功全用于增加气体内能对气体作功全用于增加气体内能，故，故温度上升温度上升。1CpV21CTV绝热过程方程绝热过程方程:31CpTintEQWD上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出0Q 213()2WnR TT int213()2EnR TTD忆忆记记绝热绝热吸热吸热绝热绝热作功作功绝热内能绝热内能增量增量上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出气体气体绝热自由膨胀绝热自由膨胀Q=0，W=0，E=0非静态过程非静态过程ddWP V不适用不适用

13、!温度不变，体积增大，压强减小温度不变，体积增大，压强减小气体气体真空真空上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出重点！重点！等体等体等压等压等温等温绝热绝热?ED?W?Q 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出理想气体热力学过程的主要公式理想气体热力学过程的主要公式常量Tp常量TV常量pV常量pV常量TV1常量Tp1molVmCTMDmolVmCTMDmolVmCTMDmolVmCTMDmolpmCTMDp VD2mol1lnVmRTMV2mo

14、l1lnVmRTMVmolVmCTMD0001 1221pVp V或molmR TMD或1mol2lnpmRTMp或1mol2lnpmRTMp或npV 常量WED1 1221pVp VnmolVmCTMD上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出po0V02V000(,)p V T110(,)p V T循环过程：内能不变循环过程：内能不变整个过程外界对整个过程外界对气体做功气体做功0W 0Q intEQWD上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出概念题概念题19-9:等温和绝热过程的做功等温和绝热过程的做功下面的下面的PV图

15、给出了图给出了等温等温和和绝热绝热这两种气体膨胀过程这两种气体膨胀过程.初态体积初态体积VA和末态体积和末态体积VB都相同都相同(VB=VC).哪一个过哪一个过程气体做功多程气体做功多?对比曲线下方面积对比曲线下方面积AB过程比过程比AC过程做功多过程做功多上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出例例19-10：等压等压和和等体等体过程中的热力学第一定律过程中的热力学第一定律.上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出v BD过程过程 等压压缩等压压缩v DA过程过程 等体升温等体升温dV=0,W=0v BDA过程过程 W=

16、-1.6x103J负号表示外界对气体做正功负号表示外界对气体做正功(a)分段考虑分段考虑(b)A、B点在一条等温线上点在一条等温线上 E内内=0 Q-W=0 Q=W=-1.6x103J 负号表示热量流失负号表示热量流失()DDBBWPdVP VV上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出v 理想气体理想气体0Q 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出气体气体的比热与的比热与热力学过程热力学过程有关有关对于气体而言，等体过程和等压过程的比热是不同的对于气体而言，等体过程和等压过程的比热是不同的等体比热容等体比热容 1mol气

17、体在气体在体积不变体积不变的条件下升高的条件下升高1Co所吸收的热量所吸收的热量等压比热容等压比热容 1mol气体在气体在压强不变压强不变的条件下升高的条件下升高1Co所吸收的热量所吸收的热量v气体的摩尔热容气体的摩尔热容上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出气体比热容列表气体比热容列表CP CV 近似等于近似等于2CP/CV随气体种类改变随气体种类改变上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出解释解释气体保持体积不变，气体不做功，气体保持体积不变，气体不做功，W=0 E内内=QV.气体保持压强不变的情况：气体保持压强不变

18、的情况：E内内=QP PV.比较比较单原子分子气体单原子分子气体的这两种过程，当温度变化相的这两种过程，当温度变化相同时，同时，与实验结果吻合与实验结果吻合.迈耶公式迈耶公式上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出此外此外,由于由于可知可知也与实验结果相符也与实验结果相符.对于分子结构更复杂的气体，分子热容变大。对于分子结构更复杂的气体，分子热容变大。这是因为存在其他形式的内能（转动，振动等）这是因为存在其他形式的内能（转动，振动等）上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出自由度自由度每一个转动或振动模式对应一个每一个转动

19、或振动模式对应一个自由度自由度。能够描述整个运动过程的能够描述整个运动过程的维度维度上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出zxy),(zyxC 双原子分子双原子分子xzy),(zyxC单原子分子单原子分子平动自由度平动自由度t=33 rti平动自由度平动自由度t=3转动自由度转动自由度r=25 rti),(zyxCxzy 三原子分子三原子分子平动自由度平动自由度t=3转动自由度转动自由度r=36 rti上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出能量均分定理能量均分定理能量均分定理能量均分定理表明：内能在活跃的自由度之间是平

20、均分表明：内能在活跃的自由度之间是平均分配的，每一个自由度对应能量配的，每一个自由度对应能量 kT.实际测量结果更为复杂。实际测量结果更为复杂。对于高温下的固体对于高温下的固体,CV 约等于约等于 3R,对应于每个原子有对应于每个原子有6个自由度个自由度.上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出绝热膨胀过程：绝热膨胀过程：dEint=-PdV,（无热量传递（无热量传递 dQ=0）.根据内能变化和摩尔热容的关系：根据内能变化和摩尔热容的关系：dEint=nCVdT.又又根据理想气体状态方程根据理想气体状态方程 PV=nRTPdV+VdP=nRdT.所以，所以，

21、(CP/CV)PdV+VdP=0.或者或者上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出定义定义:积分结果为积分结果为:比热容比比热容比1CpV 21CTV绝热过程方程绝热过程方程:31CpT上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出绝热线与等温线比较绝热线与等温线比较膨胀相同的体积绝热比等温压强下降得快膨胀相同的体积绝热比等温压强下降得快CpV dd0p VV pddTppVV CpV 1d0p VVpddSppVV ddddSTAAppVVpVAAVVD DTPD DSPD Do绝热线绝热线等温线等温线Ap等温等温绝热绝热绝热

22、线比等温线更绝热线比等温线更陡陡。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 系统从系统从 1-2 为绝热过程，据绝热为绝热过程，据绝热方程，可得过程中的方程，可得过程中的 pV 关系关系。绝热线绝热线pVO121212VppVpVV系统对外作功为：系统对外作功为：2211212111dd1VVVVWpVpp VVVp VV绝热过程系统对外作功绝热过程系统对外作功:上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出(a)AB 绝热过程绝热过程单原子分子气体单原子分子气体上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回

23、 退出退出(b)A-B-C过程中，对气体做的功过程中，对气体做的功分段考虑分段考虑AB绝热过程绝热过程 BC等温过程等温过程总功总功 48kJ+37kJ=85kJ上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出2,He H 摩尔数相同摩尔数相同mol2miER TMDDHemol362mR TMDmol5?2mR TMD2H上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出热传导热传导可认为是分子碰撞的结果可认为是分子碰撞的结果.单位时间的热量流为：单位时间的热量流为：常数常数 k 称为称为热导率热导率（thermal conductivi

24、ty）.热导率热导率k大的材料称为热导体大的材料称为热导体;k 小的材料称为绝热体。小的材料称为绝热体。衡量建筑材料常用衡量建筑材料常用 R-值，而非热导率值，而非热导率:l是材料厚度是材料厚度上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出对流对流是由于物质中分子从一个地方移动到另一个地方是由于物质中分子从一个地方移动到另一个地方.这个过程可以是自然发生，也可以是外力驱动。这个过程可以是自然发生，也可以是外力驱动。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出晒太阳、靠近火堆取暖晒太阳、靠近火堆取暖，感受，感受到的热量主要来源于到的热

25、量主要来源于热辐射热辐射。辐射的。辐射的能量能量正比于温度的正比于温度的四四次方：次方：:常数常数 称为称为 Stefan-Boltzmann 常数。常数。辐射系数辐射系数 介于介于0到到1，表征材料的表面特性；，表征材料的表面特性；黑色物体的辐射系数近黑色物体的辐射系数近1，而有光泽的物体的辐射，而有光泽的物体的辐射系数接近系数接近0；吸收过程与此类似，好的辐射体也是；吸收过程与此类似，好的辐射体也是好的吸收体。好的吸收体。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出v热力学第一定律热力学第一定律v理想气体内能，能量均分定理理想气体内能，能量均分定理v气体的热容、摩尔热容（大小写的区别）、比热容比气体的热容、摩尔热容（大小写的区别）、比热容比v典型的热力学过程（等温、绝热、等压、等体）典型的热力学过程（等温、绝热、等压、等体）结合结合PV图，计算气体做功、内能变化、吸放热分析图，计算气体做功、内能变化、吸放热分析D DE内内=Q W （19-4）必做题必做题:16，31，32，53作业题：作业题：31，32