复旦大学《大学物理》课件-热力学第一定律(1).pptx

热力学第一定律热力学第一定律 热力学系统（热力学研究的对象）：大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。外界：热力学系统以外的物体。系统分类（按系统与外界交换特点）：孤立系统：与外界既无能量又无物质交换 封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换 开放系统：与外界既有能量交换又有物质交换 热力学第一定律 当热力学系统在外界影响下，从一个状态到另一个状态的变化过程，称为热力学过程，简称过程。热力学过程 非静态过程 准静态过程 一、准静态过程 例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，气 体的体积，密度，温 度 或压强都将变化，在过 程中的任意时刻，气体 各部分的密度，压强，温度都不完全相同。pV图上，一点代表一个平衡态，一条连续曲线代表一个准静态过程。这条曲线的方程称为过程方程，准静态过程是一种理想的极限。准静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，如果过程中所有中间态都无限接近于一个平衡态的过程。非静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，过程中所有中间态为非平衡态的过程。二.内能、功和热量 热力系的内能：所有分子热运动的动能和分子间势能的总和，理想气体 系统的内能是状态量,是热力系状态的单值函数。内能的改变只决定于初、末状态而与所经历的过程无关。理想气体的内能就是理想气体的热能.准静态过程的功 当活塞移动微小位移dx时，系统对外界所作的元功为：系统体积由V1变为V2，系统对外界作总功为：1、体积功的计算 S系统对外作正功；系统对外作负功；系统不作功。比较 a,b下的面积可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。功是过程量 由积分意义可知，功的大小等于PV 图上过程曲线p(V)下的面积。2、体积功的图示 热量:在热传递过程中,系统吸收或放出能量的多少 热量是过程量 热量是系统与外界热能转换的量度。Cm(摩尔热容)：1mol物质升高dT所吸收的热量 摩尔热容 摩尔物质吸收的热量 摩尔热容Cm和热量 Q 均为过程量 定压摩尔热容 定容摩尔热容 三、热力学第一定律 某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功 W，系统内能从初始态 E1变为 E2，则由能量守恒：Q0，系统吸收热量；Q0,系统对外作正功；W0,系统内能增加，E0,系统内能减少。规定 热力学第一定律 的普遍形式 对无限小过程 对于准静态过程，如果系统对外作功是通过体积的变化来实现的，则 热力学第一定律另一表述：制造第一类永动机(能对外不断自动作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的机器)是不可能的。热力学第一定律 的普遍形式 热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用 热力学第一定律对理想气体的应用 1.等容过程 V=恒量，dV=0，dW=pdV=0，T2 T1 p V 0 a b 则定容摩尔热容为 一、四个基本过程 2.等压过程 p=恒量 1 2 p 2 1 O V V V 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。迈耶公式 绝热系数 在等压过程，温度升高1度时，1mol理想气体多吸收8.31J的热量，用来转换为膨胀时对外做功。定压摩尔热容为 3.等温过程 T=恒量，dT=0，dE=0。p V p1 p2 I I I.O V2 V1 等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外做功，系统内能保持不变。4.绝热过程 绝热过程：系统不与外界交换热量的过程。绝热过程中系统对外做功全部是以系统内能减少为代价的。由热力学第一定律和理想气体状态方程，可得 绝热方程 气体绝热自由膨胀 气体 真空 Q=0，W=0，E=0(绝热方程的泊松方程）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 绝热线 等温线 等温 绝热 绝热线比等温线更陡。例:1mol单原子理想气体,由状态a(p1,V1)先等压加热至体积增大一倍，再等容加热至压力增大一倍，最后再经绝热膨胀，使其温度降至初始温度。如图，试求：（1）状态d的体积Vd；（2）整个过程对外所作的功;（3）整个过程吸收的热量。解：（1）根据题意 又根据物态方程 o V p 2p1 p1 V1 2V1 a b c d 再根据绝热方程（2）先求各分过程的功 o V p 2p1 p1 V1 2V1 a b c d （3）计算整个过程吸收的总热量有两种方法 方法一：根据整个过程吸收的总热量等于各分过程吸收热量的和。o V p 2p1 p1 V1 2V1 a b c d 方法二：对abcd整个过程应用热力学第一定律：o V p 2P1 P1 V1 2V1 a b c d 物质系统经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程，简称循环。循环工作的物质称为工作物质，简称工质。循环过程的特点：E=0 若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用p-V 图上的一条闭合曲线表示。p V a b c d 沿顺时针方向进行的循环称为正循环。沿反时针方向进行的循环称为逆循环。二、循环过程(Cyclical process)1.循环过程的特点 正循环 工质在整个循环过程中对外作 的净功W等于曲线所包围的面积。整个循环过程 工质从外界吸收热量的总和为Q1 放给外界的热量总和为Q2 正循环过程是将吸收的热量中的一部分Q净转化为有用功，另一部分Q2放回给外界 W 正循环过程对应热机，逆循环过程 对应致冷机。A-高温热源 B-锅炉 C-泵 D-气缸 E-低温热源 蒸汽机 工作过程：水在锅炉内加热，产生高温高压气体（吸热过程），进入气缸;推动活塞对外作功（内能减少），之后进入冷凝器（向低温热源放热），尔后通过泵将水压入锅炉，进入第二循环.。实用上，用效率表示热机的效能以表示 热机:通过工质使热量不断转换为功的机器。2.热机效率 热机效率：(efficiency)W 3.致冷系数 致冷系数 工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源，其结果可使低温热源的温度更低，达到制冷的目的。吸热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。4.卡诺循环 由两个等温过程和两个绝热过程所组成的循环称之为卡诺循环。高温热源T1 低温热源T2 工质 12：与温度为T1的高温热源接触，T1不变，体积由V1膨胀到V2，从热源吸收热量为:23：绝热膨胀，体积由V2变到V3，吸热为零。34：与温度为T2的低温热源接触,T2不变，体积由V3压缩到V4，从热源放热为:41：绝热压缩，体积由V4变到V1，吸热为零。对绝热线23和41：说明：（1）完成一次卡诺循环必须有温度一定的高温 和低温热源（2）卡诺循环的效率只与两个热源温度有关（3）卡诺循环效率总小于1（4）在相同高温热源和低温热源之间的工作的 一切热机中，卡诺循环的效率最高。卡诺制冷机 逆向卡诺循环反映了制冷机的工作原理，其能流图如图所示。工质把从低温热源吸收的热量Q2和外界对 它所作的功W以热量的形式传给高温热源Q1.高温热源T1 低温热源T2 工质 致冷系数 例 1mol氧气作如图所示的循环.求循环效率.解:Q p V p V 0 0 0 等 温 a b c 0 2V Q Q ca ab bc C-毛细节流阀 B-冷凝器 D-冷库 E-压缩机 5.实际热机和制冷机 电冰箱 冷却水 冷库 蒸发器 电动压缩泵将致冷剂（氟里昂）压缩成高温高压气体，送至冷凝器，向空气（高温热源）中放热。经过毛细管减压膨胀，进入蒸发器吸收冰箱（低温热源）的热量，之后变为低压气体再一次循环.。原理：奥托循环:工质为燃料与空气的混合物，利用燃料的燃烧热产生巨大压力而作功。内燃机