北京化工大学-普通物理学-习题课上(热学)课件.ppt
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- 北京 化工大学 普通物理学 习题 热学 课件
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1、习习 题题 课课(第二部分:热学)(第二部分:热学)小小结结一、理想气体状态方程:一、理想气体状态方程:RTMMpVmolRTMpmolnkTp 二、理想气体压强公式、温度公式二、理想气体压强公式、温度公式)21(322vmnp kTvm23212 此公式是表征宏观量与微观量的统计平均值之间联此公式是表征宏观量与微观量的统计平均值之间联系的一个系的一个统计规律统计规律,说明了压强和温度的微观实质。,说明了压强和温度的微观实质。三、麦克斯韦速率分布律三、麦克斯韦速率分布律速率分布函数的意义、分布曲线、三种速率表达式。速率分布函数的意义、分布曲线、三种速率表达式。2pRTvM8RTvM23RTvM
2、说明下列各式的物理意义:说明下列各式的物理意义:dvvf)(dvvfN)(dvvfvv)(21dvvfNvv)(21dvvfv)(0 v1 v2速率区间内的分子数占总速率区间内的分子数占总分子数的百分比。分子数的百分比。在在v附近附近 速率区间内的分子数速率区间内的分子数占总分子数的百分比。占总分子数的百分比。dv 在在v附近附近 速率区间内的分子数。速率区间内的分子数。dv v1 v2速率区间内的分子数。速率区间内的分子数。整个速率区间内分子的平均速率。整个速率区间内分子的平均速率。四、理想气体内能、分子平均碰撞频率和平均自由程四、理想气体内能、分子平均碰撞频率和平均自由程kTiNNEAAm
3、2总RTi2vndz22ndzv221pdkT221mol1mol的理想气体的理想气体分子平均碰撞次数分子平均碰撞次数平均自由程平均自由程五、热力学第一定律:五、热力学第一定律:21QEAEEA 六、循环过程及其效率:六、循环过程及其效率:1AQ121211QQQQQ热机的效率:热机的效率:2QeA致冷机的致冷系数:致冷机的致冷系数:212QQQ121211TTTTT221212QTeQQTT七、热力学第二定律七、热力学第二定律卡诺循环的效率:卡诺循环的效率:卡诺致冷机的致冷系数:卡诺致冷机的致冷系数:四种热力学过程的主要公式四种热力学过程的主要公式)(12TTCMMVm12lnVVRTMMm
4、21lnppRTMMm)(12VVp过程过程 过程方程过程方程等体等体等压等压等温等温绝热绝热CTpCTVCpV 1CpV21CTV31CTp000QA12EE)(12TTCMMpm)(12TTCMMVm)(12TTRMMm12lnVVRTMMm21lnppRTMMm)(12TTCMMVm)(12TTCMMVm)(12TTCMMVm重重 点点 归归 纳纳一、理想气体状态方程:一、理想气体状态方程:RTMMpVmolRTMpmolnkTp 二、二、功(体积变化所做的功功(体积变化所做的功)21VVApdVpdVpV1V2VABdApdV曲线曲线AB下的面积下的面积)(TEE 三、理想气体内能三、
5、理想气体内能 :表征系统状态的单值函数表征系统状态的单值函数 ,理想气体的内能仅是温度的函数理想气体的内能仅是温度的函数 .The first law of thermodynamics:系统在任一过程中系统在任一过程中吸收的热量等于系统内能增量和系统对外作功之和。吸收的热量等于系统内能增量和系统对外作功之和。12EE 系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第一定律的符号规定第一定律的符号规定QA四、四、热力学第一定律热力学第一定律外界与系统之间不仅作功,而且外界与系统之间不仅作功,而且传递热量,则有传递热量,则
6、有AEEQ)(121.等体过程等体过程 等体摩尔热容等体摩尔热容0VdAPdV热力学第一定律热力学第一定律:dEdQV五、理想气体的几个重要过程)(12EEQV0VA 单原子单原子RCmV23,双原子双原子RCmV25,RidTdEdTdQCVmV2,定体摩尔热容:定体摩尔热容:等体过程系统的吸热等体过程系统的吸热、内能增量和作功、内能增量和作功:ETTCMmQmVV)(!2,0VA 2.等压过程等压过程 等压摩尔热容等压摩尔热容pdVdEdQp)(12VVpEQp热力学第一定律热力学第一定律:定压摩尔热容定压摩尔热容:1mol1mol理想气体在压强不变的状态理想气体在压强不变的状态下,温度升
7、高一度所需要吸收的热量。下,温度升高一度所需要吸收的热量。RidTdQCpmp22,迈耶公式:迈耶公式:RCCmVmp,比热容比:比热容比:iiCCmVmp2,单原子气体:单原子气体:67.1RCmV23,RCmp25,双原子气体:双原子气体:RCmV25,4.1RCmp27,40.109.2978.20:,mmpVCC刚刚性性双双原原子子分分子子气气体体67.178.2047.12:,mmpVCC单单原原子子分分子子气气体体33.124.3393.24:,mmpVCC刚刚性性多多原原子子分分子子气气体体RiTECV21,d dd dm m,22,RiCp m mii2 )(12,TTCMmQ
8、mpp等压过程系统的吸热、内能增量和作功:等压过程系统的吸热、内能增量和作功:)(12,TTCMmEmV2121()()pmAP VVR TTM注意:注意:Q Q、A A、E E的计算:的计算:)(12,21TTCMmdTCMmQdQmpmpTTppdTdQCpmp,2121()VVAdApdVp VVRTMmPV)(12TTRMm,21()()ppmmE QACR T TM RCCmVmp,)(12,TTCMmmV3.等温过程等温过程TTdQdApdV热力学第一定律热力学第一定律:0dE0ETTQA21VTVAPdVVRTMmP 212112lnlnVTVVPmdVmmARTRTRTMVMV
9、MP0E2112lnlnTTVPmmQARTRTMVMPQ Q、A A的计算:的计算:)(adVmTTCMME)(23aaddVpVp)(LV)(atmpabcd131320pTVAAAAbcbmabaVVRTMMVVpln)(bcbbabaVVVpVVpln)(J5502463045500550JQAE)(23admTTRMM 例题例题 设质量一定的单原子理想气体开始时压强为设质量一定的单原子理想气体开始时压强为3atm,体积为体积为1L,先作等压膨胀至体积为,先作等压膨胀至体积为2L,其次作等温膨胀,其次作等温膨胀至体积为至体积为3L,最后被等体冷却到压强为,最后被等体冷却到压强为1atm
10、。求气体在。求气体在全过程中内能的变化、所作的功和吸收的热量。全过程中内能的变化、所作的功和吸收的热量。解:解:)(12,TTCMMTCMMEmVmmVm在绝热过程中,内能的增量仍为在绝热过程中,内能的增量仍为4 4、绝热过程、绝热过程 特征:特征:0Q 根据热力学第一定律根据热力学第一定律:QEA EA 系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。,21()V mmMAECTTM 过程方程:过程方程:1CpV21CTV31CTppVCC2121dd11VVVVVVVpVpA)(112211VpVp)(12EEA 绝热过程中功的另外一种计算方法:绝热过程中功的另
11、外一种计算方法:21()1RTT 绝热过程中绝热过程中,理想气体不吸收热量,系统减少的,理想气体不吸收热量,系统减少的内能,等于其对外作功内能,等于其对外作功。例题例题 1.210-2kg的氦气(视为理想气体)原来的温度为的氦气(视为理想气体)原来的温度为300K,作绝热膨胀至体积为原来的,作绝热膨胀至体积为原来的2倍,求氦气在此过程中所倍,求氦气在此过程中所作的功。如果氦气从同一初态开始作等温膨胀到相同的体积,作的功。如果氦气从同一初态开始作等温膨胀到相同的体积,问气体又作了多少功?问气体又作了多少功?解:解:氦气的摩尔质量氦气的摩尔质量 Mm=410-3kg/mol,m=1.210-2kg
12、,T1=300K,V2=2V1,CV=3/2R,=1.67.21213()()2QmMAEER TTM 111212TVTVK6.188)5.0(300)(67.012112VVTT3312 1038.31(188.6300)4177 J4 102QA3213112 10ln8.31 300 ln25183J4 10TmVMARTMV说明从同一初态开始膨胀相同体积,等温比绝热过程作的功多。说明从同一初态开始膨胀相同体积,等温比绝热过程作的功多。pVT例例 一气缸中贮有氮气,质量为一气缸中贮有氮气,质量为1.25kg。在标准。在标准大气压下缓慢地加热,使温度升高大气压下缓慢地加热,使温度升高1K
13、。试求气体。试求气体膨胀时所作的功膨胀时所作的功W、气体内能的增量、气体内能的增量 E以及气体以及气体所吸收的热量所吸收的热量Qp。(活塞的质量以及它与气缸壁。(活塞的质量以及它与气缸壁的摩擦均可略去)的摩擦均可略去)J371J131.8028.025.1 TRMmWJ929J18.20028.025.1m,TCMmEV因因i=5,所以,所以CV,m=iR/2=20.8J(mol K),可得,可得解解 因过程是等压的,得因过程是等压的,得所以气体在这一过程中所吸收的热量为所以气体在这一过程中所吸收的热量为J130012 WEEQp例例 设有氧气设有氧气8g,体积为,体积为0.41 10-3 m
14、3,温度,温度为为300K。如氧气作绝热膨胀,膨胀后的体积。如氧气作绝热膨胀,膨胀后的体积为为4.1 10-3m3,问气体作功多少?如氧气作等,问气体作功多少?如氧气作等温膨胀,膨胀后的体积也是温膨胀,膨胀后的体积也是4.1 10-3m3,问这,问这时气体做功多少?时气体做功多少?根据绝热方程中根据绝热方程中T与与V的关系式的关系式 12TTCMmWV 212111TVTV 解解 氧气的质量为氧气的质量为m=0.008kg,摩尔质量,摩尔质量M=0.032kg。原来温度。原来温度T1=300K。令。令T2为氧气为氧气绝热膨胀后的温度,则有绝热膨胀后的温度,则有12112 VVTT得得以以T1=
15、300K,V1 0.41 10-3m3,V2 4.1 10-3m3及及=1.40代入上式,得代入上式,得K119101300140.12 T因因i=5,所以,所以Cv=iR/2=20.8J/(mol K),可得,可得 J941J1818.204112 TTCMmWV如果氧气作等温膨胀,气体所做的功为如果氧气作等温膨胀,气体所做的功为J1044.1J10ln30031.841ln3121 VVRTMmW六、六、循环过程循环过程循环过程的循环过程的特征特征:内能不发生变化。:内能不发生变化。0E 如果系统从某一平衡态开始,经过如果系统从某一平衡态开始,经过一系列一系列的变化过的变化过程,又回到初始
16、状态,这样的周而复始的变化过程称程,又回到初始状态,这样的周而复始的变化过程称为为循环过程循环过程,简称循环。,简称循环。热力学第一定律热力学第一定律QA正循环也称为正循环也称为热机循环热机循环1AQ121211QQQQQ热机的效率:热机的效率:逆循环也称为逆循环也称为致冷循环致冷循环2QeA致冷机的致冷系数定义为:致冷机的致冷系数定义为:212QQQ七、热力学第二定律的两种表述七、热力学第二定律的两种表述 不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引不引起其它变化起其它变化(即热量不可能自动地从低温物体传向高(即热量不可能自动地从低温物体传向高温物体)
17、温物体)热力学第二定律的克劳修斯表述热力学第二定律的克劳修斯表述。不可能从单一热源吸取热量,使它完全变为有用功不可能从单一热源吸取热量,使它完全变为有用功而而不引起其它变化不引起其它变化(即热全部变为功的过程是不可能(即热全部变为功的过程是不可能的)的)热力学第二定律的开尔文表述。热力学第二定律的开尔文表述。第二类永动机违反了热力学第二定律,是不可能造第二类永动机违反了热力学第二定律,是不可能造成的。成的。不可逆性的微观本质:不可逆性的微观本质:一切自然过程总是沿着分子一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。热运动的无序性增大的方向进行。卡诺循环是由两个准静态的卡诺循环是由两个准
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