高中物理竞赛课件第七章-热力学基础-.ppt
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- 高中物理 竞赛 课件 第七 热力学 基础
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1、热力学研究热现象的宏观理论 热力学:从能量观点出发,以观察和实验事实为依据,分析研究物态变化过程中有关热功转化的关系和条件.热力学热力学第一定律热力学第二定律第七章第七章 热力学基础热力学基础1第七章第七章 热力学基础热力学基础(Bases of thermodynamics)7.1 准静态过程准静态过程7.2 热力学第一定律热力学第一定律7.3 热力学第一定律对等值过程应用热力学第一定律对等值过程应用7.4 绝热过程,多方过程绝热过程,多方过程7.5 循环过程,循环过程,卡诺卡诺循环循环7.6 热力学第二定律热力学第二定律7.7 可逆过程和可逆过程,卡诺定理可逆过程和可逆过程,卡诺定理7.8
2、 熵和熵增加原理熵和熵增加原理7.9 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义2第七章第七章 热力学基础热力学基础7.1 热力学第一定律7.2 第一定律对于等值过程的应用7.3 绝热过程 多方过程7.4 循环过程7.5 热力学第二定律3 热热力力学学循环过程循环过程 卡诺卡诺循环循环热力学第二定律热力学第二定律等体过程等体过程热机效率热机效率致冷系数致冷系数热力学热力学第一定律第一定律 热热力力学学第第一一定定律律的的应应用用等压过程等压过程等温过程等温过程绝热过程绝热过程卡诺热机效率卡诺热机效率卡诺致冷系数卡诺致冷系数摩尔热容摩尔热容多方过程多方过程过程量过程量功、热量功、热量状态量
3、、内能;状态量、内能;状态方程状态方程4 热热力力学学第二定律开氏表述第二定律开氏表述dV=0;P/T=CQ=E+A 热热力力学学第第一一定定律律的的应应用用dP=0;V/T=CdT=0;PV=CdQ=0;PVr=CTCMmQPVn=C;n=0,1,E=0;Q1-Q2=A净第二定律克氏表述第二定律克氏表述TCMmEVRTMmPV 21VVPdVA5 热热力力学学循环过程循环过程 卡诺卡诺循环循环热力学第二定律热力学第二定律等体过程等体过程热机效率热机效率致冷系数致冷系数热力学热力学第一定律第一定律 热热力力学学第第一一定定律律的的应应用用等压过程等压过程等温过程等温过程绝热过程绝热过程卡诺热机
4、效率卡诺热机效率卡诺致冷系数卡诺致冷系数摩尔热容摩尔热容多方过程多方过程TCMmQ6一、关于热力学的一些基本概念一、关于热力学的一些基本概念1.1.热力学系统(热力学系统(热力学研究对象,热力学研究对象,简称系统)简称系统)1。开放系统。开放系统:系统与外界既有能量传递,又有质量传递的系统。:系统与外界既有能量传递,又有质量传递的系统。2。孤立系统。孤立系统:系统与外界既没能量传递,又没质量传递的系统。:系统与外界既没能量传递,又没质量传递的系统。3。封闭系统。封闭系统:系统与外界只有能量传递,没有质量传递的系统。:系统与外界只有能量传递,没有质量传递的系统。(a)一般系统:)一般系统:与外界
5、既有功又有热量的传递与外界既有功又有热量的传递(b)透热系统:)透热系统:与外界没有功的交换但有热量的传递与外界没有功的交换但有热量的传递(c)绝热系统:)绝热系统:与外界没有热量的传递但有功的交换与外界没有热量的传递但有功的交换2.热力学过程:热力学系统状态随时间变化的过程热力学过程:热力学系统状态随时间变化的过程非静态过程(非平衡过程)非静态过程(非平衡过程)实际过程实际过程7.1 热力学第一定律热力学第一定律7PV图上PT图上VT图上平衡态平衡态一个点一个点准静态过程准静态过程一条曲线一条曲线理想气体的内能理想气体的内能V内能是状态参量的函数,内能的变化由状态变化单值决定。内能是状态参量
6、的函数,内能的变化由状态变化单值决定。P1(T1)2(T2)84.准静态过程的功准静态过程的功 对体系作功能使体系的温度升高,从而增加物体的内能。所以做功是体系与外对体系作功能使体系的温度升高,从而增加物体的内能。所以做功是体系与外界能量交换的一种方法。是外界有序运动的能量和系统内分子的无序运动的能量界能量交换的一种方法。是外界有序运动的能量和系统内分子的无序运动的能量的转换的转换能量传递的宏观形式能量传递的宏观形式。A=12p dVVVpdlSp1212pdoVVVVdlF=dA.pSdl=pdV9 功的几何意义功的几何意义:功在数值上等于功在数值上等于p V 图上过曲线下的面积。图上过曲线
7、下的面积。ababpVomnVV.nambAanbA功和所经历的过程有关功和所经历的过程有关5.热量热量 热量不是一种物质,它是物质之间进行能量交换的一种方式,这种方式是通过分子热量不是一种物质,它是物质之间进行能量交换的一种方式,这种方式是通过分子的热运动以及分子间的碰撞来实现的的热运动以及分子间的碰撞来实现的能量传递的微观形式能量传递的微观形式。)(12TTcmQC物质的比热容物质的比热容10实验表明:实验表明:对系统QAE(系统状态发生变化)(系统状态发生变化)从使系统的状态改变这一点上传热和作功是等效的。从使系统的状态改变这一点上传热和作功是等效的。二、热力学第一定律二、热力学第一定律
8、EAE=12+Q物理意义:包括热量在内的能量守恒定律物理意义:包括热量在内的能量守恒定律 表明:热(无规则运动)和功(有规则运动)表明:热(无规则运动)和功(有规则运动)的转换可通过系统内能变化来实现。的转换可通过系统内能变化来实现。对于一微小的过程第一定律可表示为:对于一微小的过程第一定律可表示为:A=dddE+Q111.Q是一个过程量是一个过程量2.正负号的规定正负号的规定:3.热力学第一定律适用于任何系统的任何过程热力学第一定律适用于任何系统的任何过程(包括非(包括非静态过程)静态过程)4.对于准静态过程热力学第一定律可表达为:对于准静态过程热力学第一定律可表达为:21=EE+pdVQ)
9、(0);(0)(0);(0)(0);(0系统内能减少系统内能增加外界对系统作功系统对外作功系统放热系统吸热EEAAQQ注意:注意:EAE=12+Q12定义:dTdQCmol:摩尔物质从21TTMm7.2 热力学第一定律热力学第一定律对于理想气体等值过程的应用对于理想气体等值过程的应用13dTdQCVV)(00PdVdAdVdEdQVRdTidERTiE22dTdQCPPRdTRdTiPdVdEdQP2RdTPdVVdPPdVPVdRTPV)(143i单原子:355i双原子:576i多原子:68二、三种等值过程二、三种等值过程V热源热源Q1.等容过程等容过程00dAdV特征:TT12pVoab.
10、过程方程:过程方程:恒量TP150.1PdVA)(TCMmTTRiMmEV)(2).2(12TCMmEAEQVV).3(特征:特征:dp=0(吸热)(吸热)等容降压:等容降压:(放热)(放热)恒量过程方程:TV12p21o.VVV 2.等压过程等压过程热源热源pQTT12pVoab.16)()().1(1212TTRMmVVPPdVA)()(2).2(1212TTCMmTTRiMmEVTCMmTTRCMmAEQPVP)().3(12吸热吸热放热放热3.等温过程等温过程恒温大热源恒温大热源TTQ特征:特征:dT=00dE12p21o.VVV1712ln).1(2121VVRTMmVdVRTMmP
11、dVAVVVV2211VPVP21lnPPRTMm0).2(EAEAQT).3(吸热吸热放热放热pV1122ppI II.oVV18特征:特征:dQ=0IIIpVo.一、一、绝热过程绝热过程绝热套绝热套1.准静态绝热过程准静态绝热过程1)(2)(2).1(2211221112VPVPVPVPiTTRiMmEA7.3 绝热过程绝热过程 多方过程多方过程191121122222112211221122112211VPVPiiVPVPiVPVPiVPVPVPVPi)(证明:(2).绝热过程中P,V,T三者同时变化 例:例:绝热膨胀VA0EOTPVRTMmP 20(3).(3).绝热过程的过程方程绝热
12、过程的过程方程RTpmV=M RdTVdppdV=Mm+(2)dA=dEpdV=V Mm C dT(1)(1)、(2)中消去dT,得:VdPCPdVRCVV)(PdPCVdVCVPVdVPdPVC=p两边积分两边积分lnV=-lnp+CVC=ln p21 泊松方程泊松方程(绝热方程绝热方程)p=VCCp=1T2 将理想气体状态方程代入上式,并从中将理想气体状态方程代入上式,并从中消去消去 p 或或V 就可以得到另外两个泊松方程:就可以得到另外两个泊松方程:=VCT1122(4).绝热线与等温线比较绝热线与等温线比较绝热线比等温线陡绝热线比等温线陡b.数学解释:数学解释:pV=Cdp=+dVpV
13、0等温过程:等温过程:绝热过程:绝热过程:pV=CV+dpVV=p10d(Qdp)dp=pQVdV绝绝热热等等温温pVoA.a.图形上:图形上:dV(dp)TdppV=TdVdpdpTQAAdVdV23c.物理解释:物理解释: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绝绝热热VnpVnpVTp等等温温knp32k24 例设有设有8g氧气,体积为氧气,体积为0.4110-3m3,温度为温度为300K,如氧气作绝热膨胀,膨胀后的体,如氧气作绝热膨胀,膨胀后的体积为积为4.1010-3 m3。问气体作功多少?如氧气作等温膨胀,膨胀后的体积也是。问气体作功多少?如氧气作等
14、温膨胀,膨胀后的体积也是4.1010-3 m3,问这时气体作功多少?,问这时气体作功多少?A=Mmmol2V1ln1VRT=1.44103(J)气体若作等温膨胀,所作的功为:气体若作等温膨胀,所作的功为:2VT121=VT11A=941(J)解:解:气体若作绝热膨胀,所作的功为:气体若作绝热膨胀,所作的功为:)(21TTCMmEAVmol4.1572ii25绝热过程绝热过程0(0AEE)而 A=0)(00TTEE始末两态满足始末两态满足状态方程状态方程TVPTVP)(00002021PP 2.非静态绝热过程非静态绝热过程绝热自由膨胀绝热自由膨胀PVPVPTTVTV)()(00010010220
15、00TVP真空真空02VTP26解:(1)由绝热过程方程:11ddccVTVTcdcdVTTV11得:例7-4 1mol单原子理想气体,由状态a(p1,V1)先等压加热至体积增大1倍,再等体加热至压力增大1倍,最后再经绝热膨胀,使其温度降至初始温度,如图所示,试求:(1)状态d的体积Vd;(2)整个过程对外所做的功;(3)整个过程吸收的热量.p2p1p12v1v1oabcdvRVpTTad11acccTRVpRVpT4411根据题意:3512VVc27111)(VpVVpAabab其中:cdbcabAAAA0bcA)4()(aaVdcVcdcdTTCTTCEAaTR 3231129Vpp2p1
16、p12v1v1oabcdv(2)整个过程对外所做的功;281125)(25)(25)(VpVpVpTTRTTCQaabbababpab113)(25)(25)(VpVpVpTTRTTCQbbccbcbcVbc0cdQ方法一:cdbcabQQQQp2p1p12v1v1oabcdv(3)整个过程吸收的热量.方法二:对abcd整个应用热力学第一定律AEQ0,ETTda29)()(分析:BBAAAETETV解:解:AEEEQBABA0,BATT准静态过程又ATRTRTR282523因此:因此:导热板导热板活塞活塞RAT4则得:则得:30pvEAAdQca)(答:00AAAEEAQabc过程:0)(AA
17、Q(吸热)(吸热)AAAEEAQadc 过程:0)(AAQ(放热放热)acbd31二、二、多方过程多方过程1.过程方程过程方程CVnp=n多方指数多方指数 n=1 等温过程等温过程 n=绝热过程绝热过程 n=0 等压过程等压过程 n=等容过程等容过程一般情况一般情况1 n ,多方过程可近似代表气体内多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。进行的实际过程。CVPCPVnn1n11nP322.多方过程的功多方过程的功21VVPdVAnnVPPV11=dV2V1V1VnpVn1A=1Vnp11Vn21n1V1n11n1=n11Vp12Vp2333.摩尔热容)(111122211TTRMmnnVPVP
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