9热力学基本定律课件.ppt
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- 热力学 基本 定律 课件
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1、热力学基本定律第第9 9章章 热力学基本定律热力学基本定律9.2 热力学第一定律对理想气体的应用9.3 9.3 热力学第二定律热力学第二定律9.4 9.4 熵熵 熵增加原理熵增加原理9.5 9.5 热力学第三定律热力学第三定律第9章 热力学基本定律9.1 9.1 热力学第一定律热力学第一定律习题课卷首页大学基础物理(大学基础物理(1 1)电子教案)电子教案热力学基本定律热力学过程(1)非静态过程:每一微过程所用时间弛豫时间弛豫时间9.1 热力学第一定律无pV图有pV图活塞与壁无摩擦章首页9.1 9.1 热力学第一定律热力学第一定律9.1.1 热力学中的基本概念1.准静态过程热力学第一定律热力学
2、中的基本概念热力学基本定律(1)内能分子各种形式的动能以及分子与分子之间,内能是态函数对于理想气体 RTiMTE2对于非理想气体VTEE,9.1 热力学第一定律指组成物体的所有微观定义:宏观定义:分子内各原子之间相互作用势能的总和章首页2.内能、功和热量热力学第一定律热力学中的基本概念热力学基本定律(2)(2)功(外功(外界对系统做功可改变其内能)对系统做功可改变其内能)a、系统对外界作功是通过自身体积的变化来实现b、功的大小不仅与系统的始末状态有关,而且还与系dddjiVextVAApSlp V 9.1 热力学第一定律热力学的功具有两个显著的特点:作功作功改变系统内能的一种方式(举例)改变系
3、统内能的一种方式(举例)统经历的过程有关,即功不是态函数dlijijiijjVVAVVpAVVpAln321132jipVo例例9.1:压缩功:压缩功 外界对系统作功为章首页热力学第一定律热力学中的基本概念热力学基本定律(4)功与热量的比较都可以改变系统的内能;但:改变系统内能的机理不同为为比比热热为为摩摩尔尔热热容容ccC21ddTTMQQC T9.1 热力学第一定律(3)热量(外界对系统传热可改其内能)传热改变系统内能的另一种方式热量是传热过程中所传递能量热量是过程量都是过程量,都可量度系统内能的变化;作功和传热热功当量 1cal=4.1858(J)ddMQC T的量度例9.2:章首页热力
4、学第一定律热力学中的基本概念热力学基本定律9.1.2 9.1.2 热力学第一定律热力学第一定律1.绝热功及其特点(T2)时内能的增量等于绝热功。即:2.热力学第一定律另一表述:第一类永动机是不可能造成的EAaAQE只需初终两态是平衡态,其过程所经历的各态无要求,对于无限小过程有:9.1 热力学第一定律初态(T1)经一绝热过程到终态绝热功与实施绝热过程的手段无关,只由初终态决定当系统从章首页热力学第一定律热力学中的基本概念dddEQA热力学基本定律重点关注9.2 热力学第一定律对理想气体的应用9.2.1 等容过程2.过程方程 两态间的参量关系21210)(TTppVV恒恒量量pVo12章首页各种
5、过程中的Q、A和E的计算9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环1.定义与 图pV热力学基本定律ddddMMQC TCQT4.定容摩尔热容,21VVMQECTT,dd22ddVVM iR TQiCRMMTTddd2VM iQER T122TTRiMEQV21dd0VVVAAp V 章首页,VC系统mol热容 9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环,VVA QE3.计算热力学基本定律9.2.2 等压过程2.过程方程 两态间的参量关系21210TTVVpp)(恒恒量量,ddddVpMQEp VCRTdddpMAp VR T ,21pVM
6、QCRTT2121dppMAAp VVR TT pVo121.定义与 图pV章首页应用理气态方程微分式9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环,ppA QE3.计算热力学基本定律ddddMMQCTCQT4.定压摩尔热容,21ddppppMMQCTQCTT5.比热容比,122/2pViRCiCiRi,ddddVppVMCRTQCCRMMTT迈耶公式章首页,pCd,ppQQ9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律ddQCT 6.焓,ddppppQHMCCTT HpVEpVEVVpEEQp11221212式中H=E+PV称为态
7、函数焓,dddppMQHCT即:气体在等压过程中吸收的热量等于系统态函数焓的增量,ddVVVVQEMCCTT章首页9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环7.气体热容、定容热容、定压热容热力学基本定律9.2.3 等温过程2.过程方程 两态间的参量关系2211VpVppV恒恒量量2121ddlnVTTVTMVAARTVVMRTQV ddddTTMVAp VRTQV 0E21ppRTMQATTln 或或12pVo章首页VMRTp/9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环1.定义与 图pV,TTA QE3.计算热力学基本定律9.2.4 绝热
8、过程1.定义2.过程方程恒恒量量 pV11122 VpVpAEQd0d0QQQ系统在状态变化时与外界没有热交换的过程,21QVMEACTT可以证明:可以证明:章首页9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环,QA QE3.计算热力学基本定律4.绝热线与等温线的比较对绝热线与等温线求导,可分别得绝TQKK显显然然5.过程方程式的推导热线与等温线在点 处的斜率为dd,ddQTQTppppKKVVVV pVo2T1T12TT 章首页将热力学第一定律应用于绝热过程,可得:pV,9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律消去 可得:d
9、T,ddVVCR p VCV p 常量常量pVdd0pVpV或写成常量常量Tp1常量常量1TV利用理气态方程,上式可改写为另外两种形式:dddMp VV pR T(理气态方程微分式)章首页,d,ddVQMAdEp VCT即9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律9.2.5 多方过程1.定义2.过程方程恒恒量量npV22111121221 11dd11nvvnvvpVTTMAp VVp VpVRVnn 系统在状态变化过程,21VMECTT21MQCTT中的一般过程,称为多方过程章首页pVo22,Vp11,Vp9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容
10、等压 等温绝热 多方 循环,A QE3.计算热力学基本定律消去 可得:dT常量常量npV4.过程方程式的推导,ddddddVVMMQCTCTp VMCCTp V利用理气态方程微分式dddMp VV pR Tdd0pVnpV,1VRnCC令章首页9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律常常数数pVn5.多方过程的特例6.多方过程的摩尔热容,1VRCCn常数常数pVn1常数Vpnn/1常常数数pn0pVo1nn0nn章首页常常量量npV9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律1.循环过程(1)热机的热转换为功的
11、机械装置(2)循环及其特点9.2.6 循环过程 卡诺循环通过工作物质(热力学系统)将燃料产生系统对外界做的功经过一循环后,工作物质的内能变化零,其整个变化过程称为工作物质经过一系列变化后又回到了原来的状态,系统从外界吸收的热量与向外界放出的热量之差为章首页循环过程特点:等容 等压 等温绝热 多方 循环9.2 热力学第一定律对理想气体的应用热力学基本定律(4)循环效率与制冷系数外界向系统传热为正21QQQ系统对外界做净功为正21AAA210QQAE逆时针为逆循环,系统对外界做的净功为负(致冷机)顺时针为正循环,系统对外界做(3)正循环和逆循环正循环中的Q,ApVodacb章首页的净功为正(热机)
12、取绝对值式中2121,AAQQ9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律逆循环中的Q,A12QQA致冷系数的定义:2122QQQAQ循环效率的定义:1211QQQA章首页外界对系统作功A,使系统从低温热源吸热Q2,并向高温热源放热Q1 pVodacb9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律2.卡诺循环(1)定义:过程构成的循环称为卡诺循环,(2)卡诺循环效率的计算 等温膨胀系统从高温热源吸热1211lnVVRTMQ对应的热机为卡诺热机由两个等温及两个绝热pVo2T1T12TT 123421 1T2T21QQA
13、2Q1Q物质工作章首页9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律122143212121lnlnlnVVTTRMVVTVVTRMQQA12121122111lnlnTTVVRTMVVTTRMQA(系统与热源无能量交换)4323422lnlnVVRTMVVRTMQ等温压缩放热4312VVVV可可证证:43绝绝热热压压缩缩绝绝热热膨膨胀胀,1432章首页9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律例9.3 已知某蒸气机锅炉内的温度为解:解:%42273240273251112TT(3)理想气体逆向卡诺循环的致冷系数2
14、122TTTAQ静态的卡诺循环计算其热机效率240,冷却温度为25,按理气准1T2T21QQA2Q1Q物质工作pVo2T1T12TT 1234章首页T1 通常为大气温度,致冷温度T2 越低,制冷系数越小9.2 热力学第一定律对理想气体的应用等容 等压 等温绝热 多方 循环热力学基本定律9.3 9.3 热力学第二定律1.克劳修斯表述热量由低温物体自动转移到高温物体而不引起其他问题问题:实现理想致冷机有可能吗?2.开尔文表述不可能从单一热源吸收热量,使之变化是不可能的完全变为有用功而不产生其他影响章首页作功是不可能的!作功是不可能的!不用外界对系统不用外界对系统1211QQQA2122QQQAQ9
15、.3 9.3 热力学第二定律9.3.1热力学第二定律的表述定律的表述可逆与不可逆过程卡诺定理 热力学基本定律3.定律简述第二类永动机是不可能造成的并把所吸收的热量转变为其他影响:指“从单一热源吸收热量,单一热源:指温度恒定不变的热源功”以外的任何其他变化指在一循环中能从单一热源吸热,第二类永动机:第二类永动机:并使之完全转变为功,而不产生其它影响的机器。章首页9.3 9.3 热力学第二定律定律的表述可逆与不可逆过程卡诺定理 热力学基本定律4.两种表述的等价性分解装置1(1)若违反开氏表述,则也违反克氏 联合装置循环结束时,唯一效果是有热量从低温热源自动不断地传到高温热源,显然违反克氏表述(2)
16、若克氏表述不对,则开氏表述亦不对分解装置2联合装置循环结束时,唯一效果是可从单一热源导致第二种永动机出现吸热,并完全转换为有用功而不产生其他影响,即可表述 联合装置11联合装置22章首页9.3 9.3 热力学第二定律定律的表述可逆与不可逆过程卡诺定理 热力学基本定律1.定义9.3.2 可逆过程与不可逆过程一个系统从某一状态出发,经过界都复原,则为不可逆过程此过程称为可逆过程。若用任何方法都不能使系统外切也都复原,即消除了原过程对外界引起的一切影响,另一过程,他能使系统回到原来的状态,同时周围的一某一过程变化到另一状态,若存在章首页9.3 9.3 热力学第二定律定律的表述可逆与不可逆过程卡诺定理
17、 热力学基本定律3.例9.5 气体的迅速膨胀过程(绝热过程)特点:特点:小;在逆过程中,则反之。经逆过程系统复原,内能活塞迅速向外移动,靠活塞愈近,气体压强愈热交换;系统内能不变。在逆过程中,外界对系统作压缩功将转换为系统向外界放热特点:特点:2.例9.4 理想气体向真空的自由膨胀的过程(绝热过程)不对外界做功;与外界无真空BA章首页这一影响能否消除?这一影响能否消除?不变,压缩时外界所做的功大于膨胀时气9.3 9.3 热力学第二定律定律的表述可逆与不可逆过程卡诺定理 热力学基本定律5.实现可逆过程的条件6.定律的实质表述一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的一切与热现象有关的实际宏观过程
18、都是不可逆的准静态过程无摩擦过程不是绝热过程)体所做的功,外界对系统多做的功章首页将转换为系统向外界放热(逆过程这这一一影影响响能能否否消消除除?4.例9.6 气体的膨胀过程无限缓慢,且活塞与气缸壁之间无摩擦9.3 9.3 热力学第二定律定律的表述可逆与不可逆过程卡诺定理 热力学基本定律9.3.3 9.3.3 卡诺定理卡诺定理1.卡诺定理热机要能做功,必须工作于至少两个具有不同温度%100(1)热力学第二定律断言(2)卡诺定理(b)在两个给定温度的热源之间工作的一切可逆热不可逆热机的效率总是小于可逆热机的效率9.5 卡诺定理的热源之间,(a)在两个给定温度的热源之间工作的两类热机,机,其效率都
19、相等章首页 a不可逆乙可逆甲 b可逆丙可逆丁定律的表述可逆与不可逆过程卡诺定理 热力学基本定律(3)卡诺定理的证明(反证法反证法)这是违反开氏表述的,因此可能为如图所示,联合装置循环结束时的结果是:高温热源与两222121QQQQQQAAA甲乙净甲甲乙乙9.5 卡诺定理源吸取净热量 Q2 Q2/,并向外界输出净功个热机交换的净热量为零,而联合装置从单一的低温热A2T/2Q2Q1T1Q乙A热机甲热机乙甲A1Q2T/2Q2Q1T1Q乙A致冷甲热机乙1Q甲A净A永动机/22QQAAA甲乙净2T/22QQ 可逆热机甲不可逆热机乙甲乙用反证法证明:2/2QQAA甲乙章首页乙甲定理a的证明定律的表述可逆与
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