041 热力学第一定律课件

第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律1-1.准静态过程准静态过程1-2.功功1-3.热量热量1-4.内能内能1-5.热力学第一定律热力学第一定律1-6.热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础始平衡态始平衡态 一系列非一系列非平衡态平衡态末平衡态末平衡态为能利用为能利用平衡态平衡态的性质，引入的性质，引入准静态过程准静态过程的概念。的概念。1-1. 准静态过程准静态过程（quasi-static process） 热力学热力学系统从一个状态变化到另一个状态系统从一个状态变化到另一个状态 , ,称为称为热力学过程热力学过程（简称（简称“过程过程”）。）。气体气体活塞活塞砂子砂子),(111TVp),(222TVp1V2V1p2ppVo12 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础 准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程 .快快非准静态过程非准静态过程缓慢缓慢准静态过程准静态过程统一于统一于“无限缓慢无限缓慢”矛盾矛盾平衡即不变平衡即不变过程即变化过程即变化 如何判断如何判断“无限缓慢无限缓慢”？ 弛豫时间弛豫时间（relaxation time） ：平衡破坏平衡破坏 恢复平衡恢复平衡 t过程过程 ： 过程就可视为过程就可视为准静态过程准静态过程所以无限缓慢只是个所以无限缓慢只是个相对相对的概念。的概念。 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础气体压强的气体压强的弛豫时间：弛豫时间：vLp 气缸线度：气缸线度：L 10-1 m分子平均速率：分子平均速率：p 10-3 s 容器的线度容器的线度分子热运动平均速率分子热运动平均速率 102 m/s v内燃机活塞运动周期内燃机活塞运动周期 t 10-2s p 所以所以汽缸的压缩过程汽缸的压缩过程可认为是可认为是准静态过程。准静态过程。例如分析例如分析内燃机内燃机气缸内的气体经历的过程：气缸内的气体经历的过程： 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础改变系统状态的方法：改变系统状态的方法：系统系统初态初态系统系统末态末态作功：作功：功是功是能量传递和能量传递和转换的转换的量度量度传热：传热：热量为热量为通过传通过传热方式传递能量的热方式传递能量的量量度度宏观运动能量宏观运动能量热运动能量热运动能量宏观有序运动宏观有序运动无规热运动无规热运动分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础1-2 功功（work）准静态过程功的计算准静态过程功的计算lpSlFWddddp V21dVVVpW注意：注意：作功与过程有关作功与过程有关 . 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础1-3 热热 量量（heat）1T2T21TT 系统和外界之间存在温差而发系统和外界之间存在温差而发生的能量传递生的能量传递 .Q单位单位11KmolJddmmQCTmddmQCT摩尔热容摩尔热容: 理想气体在等体理想气体在等体过程中吸收的热量过程中吸收的热量 ，使温度，使温度升高升高 , 其摩尔热容为其摩尔热容为mol1dmQTdmddmQCTM由摩尔热容计算过程的热量由摩尔热容计算过程的热量:,mConstantm21()VCmQCTTM Cm是过程是过程量，不同量，不同过程，此过程，此值不同值不同比一比：比一比：摩尔热容摩尔热容与比热与比热 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础1）过程量：与过程有关；）过程量：与过程有关；宏观运动宏观运动分子热运动分子热运动功功分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动热量热量3）功与热量的物理本质不同）功与热量的物理本质不同 .1卡卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡卡议一议：功与热量的异同议一议：功与热量的异同2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；）等效性：改变系统热运动状态作用相同； 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础系统系统初态初态系统系统末态末态作功：作功：功是能量传递功是能量传递和转换的和转换的量度，是过程量度，是过程量量传热：传热：热量为热量为通过传热方式通过传热方式传递能量的传递能量的量度，是过程量量度，是过程量1-4 内内 能能 （ internal energy ）E理气2m iRTM状态量！状态量！一般气体？一般气体？ 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础内内 能能 （ internal energy ）的宏观定义）的宏观定义作机械功改变系统状态作机械功改变系统状态AV作电功改变系统作电功改变系统 状态状态绝热壁绝热壁绝热系统绝热系统绝热系统绝热系统结果表明：绝热功完全由系统的初态和终态所决定，结果表明：绝热功完全由系统的初态和终态所决定，与作功过程和方式无关。与作功过程和方式无关。 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础内能的定义内能的定义类比：保守力做功与路径无关类比：保守力做功与路径无关-态函数：态函数：势能势能 绝热功与过程无关，只与初态和终态有绝热功与过程无关，只与初态和终态有关关-态函数：态函数：内能内能定义：定义：fiaEEEW意义：绝热过程中外界对系统所作的功转换成了系统意义：绝热过程中外界对系统所作的功转换成了系统的内能。外界对系统做正功，系统内能增加，的内能。外界对系统做正功，系统内能增加，反之，即系统对外界做功，系统内能减少。反之，即系统对外界做功，系统内能减少。),(VTEE E 状态量，对一般气体有：状态量，对一般气体有：2m iERTM理想E 状态量，对理想气体有：状态量，对理想气体有： 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础系统初态系统初态E1系统末态系统末态E21-5 热力学第一定律热力学第一定律(first law of thermodynamics)QW E1 E2WQWEWEEQ12实验表明：实验表明：21dVVVpEQ准静态过程准静态过程VpEWEQddddd微小过程微小过程系统吸热系统吸热+ +系统对外系统对外界做功界做功+ +-W外界对系外界对系统做功统做功= =系系统对外界统对外界做负功做负功“-”-”系统放热系统放热“-”-”-Q-能量转换能量转换和守恒和守恒 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础思考思考下列的静电永动机能否实现？下列的静电永动机能否实现？V E= 0O pW= QQ“第一类永动第一类永动机机”不存在。不存在。循环过程：循环过程：+-+-+绝缘杆绝缘杆绝缘杆绝缘杆带电杆带电杆带电杆带电杆 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础pVABAVBV11BAQEEW022ABQEEW00EQW12WWW21WW0W0Q 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础1-6 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用mpVRTM（1）（理想气体的理想气体的共性）共性）21dVVVpEQVpEQddd（2）解决过程中能解决过程中能量转换的问题量转换的问题)(TEE （3）（理想气体的状态函数理想气体的状态函数） （4） 各等值过程的特性各等值过程的特性 . 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础1 定体过程定体过程 定体摩尔热容定体摩尔热容热力学第一定律热力学第一定律EQVdd特性特性 常量常量V),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo方程：方程：/P TC0d, 0dWV功：功：1E2EVQ1EVQ2E),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 等体等体升升压压 12),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 等体等体降降压压 12 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础单位单位11KmolJm,mddVVQCTm,mddVVQCT 定体摩尔热容定体摩尔热容: 理想气体在等体过程中吸理想气体在等体过程中吸收的热量收的热量 ，使温度升高，使温度升高 , 其定体摩尔热容为其定体摩尔热容为mol1mdVQTd,mddVVmQCTM21,m21()VmEECTTM由定体摩尔热容计算定体过程的热量由定体摩尔热容计算定体过程的热量:,mConstant,m21()VCVVmQCTTM 由热一律计算内能的增量由热一律计算内能的增量:内能是态函数，此式适用于任何过程！内能是态函数，此式适用于任何过程！ddVEQ定体过程：定体过程： 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础,m2Vm imR TCTMM,m2ViCR定容摩尔热容定容摩尔热容单原子分子气体单原子分子气体 , 3i双原子分子气体双原子分子气体 , 5i,m3 2VCR,m52VCR理想气体摩尔热容理想气体摩尔热容:21,m21,m()VVmmEECTTECTMM 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo122 定压过程定压过程 定压摩尔热容定压摩尔热容过程方程过程方程 常量常量1VT热一律热一律WEQpddd特特 性性 常量常量p)(12VVpW功功W2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12W等等 压压 膨膨 胀胀2V),(11TVp),(22TVpp1VpVo12W等等 压压 压压 缩缩1E2EpQ1EpQ2EWW 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础m,mddppQCT 定压摩尔热容定压摩尔热容: 理想气体在等压过程中吸理想气体在等压过程中吸收的热量收的热量 ，温度升高，温度升高 ，其定压摩尔热容为，其定压摩尔热容为mol1mdpQTdm,mddppQCTm,mddddppQCTEp VRCCVpm,m,定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系：定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系：TCEVddm,TRVpdd-Mayer公式公式想一想：为何想一想：为何Cp,m大于大于CV,m? 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础摩尔热容比摩尔热容比m,m,VpCC单原子分子气体单原子分子气体 , 3i双原子分子气体双原子分子气体 , 5i,5 2P mCR,7 2P mCR,m222PiiCRRR对理想气体对理想气体5 37 5议一议：摩尔热议一议：摩尔热 容、热容与比热容容、热容与比热容dd,ddVPpVQQCCTT热容热容比热容比热容ddQCcmTm,m,m,ppVVmmCCCCMM 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础3 等温过程等温过程热力学第一定律热力学第一定律0dE恒温热源恒温热源T21dVVTVpWQVpWQTddd12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoVd特征特征: 常量常量T过程方程过程方程pV常量常量21dVVm RTVM V21lnVmRTMV12lnpmRTMp 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础EE21lnTVmQRTMV12lnpmRTMp12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVo等温等温膨胀膨胀W12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoW等温等温压缩压缩TQTQ W W想一想：想一想：CT,m=? 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo4 4 绝热过程绝热过程,m21()VmCTTMOdQ特征特征21,mdTVTmCTM ,mddVmECTM21dVVVpWVd绝热的汽缸壁和活塞绝热的汽缸壁和活塞EWdd热一律热一律0dd EW11221pVp VmpVRTMRCCVpm,m, 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础 绝热过程方程的推导绝热过程方程的推导EWQdd,0d,mddVmp VCTM RCCVpm,m,VVVVCCppVpdddmm ，CpV dddmmpVRTp VV pR TMMmpVRTMTV1Tp1常量常量常量常量 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础 由绝热方程计算绝热功由绝热方程计算绝热功,m21()VmWECTTM EWdd由热一律由热一律11221pVp V21dVVVpW1 1pVpV211 1dVVpVVV2111 1|1VVpVV1 122pVp V11221pVp V 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoW绝绝 热热 膨膨 胀胀),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVoW绝绝 热热 压压 缩缩1E2E1E2E W W 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础5 绝热线和等温线绝热线和等温线AAaVpVp)dd(AATVpVp)dd( 绝热线的斜率大于绝热线的斜率大于等温线的斜率等温线的斜率. .pV常量常量pV常量常量ApBVAVApVoT0QVapTpBC常量常量等温膨胀等温膨胀（E不变）不变） V n ET pB pCpV np p = nkT绝热膨胀绝热膨胀 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础6. 理气的多方过程理气的多方过程*：热容量热容量C = const.的过程。的过程。可证明可证明常常量量 npV n 称称 多方指数多方指数,p mV mCCnCC对绝热过程：对绝热过程：0 , aCn常量常量 pV 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础讨论：理想气体的绝热自由膨胀讨论：理想气体的绝热自由膨胀非准静态绝热过程非准静态绝热过程真真空空绝热刚性壁绝热刚性壁隔板隔板T1T2对理想气体：对理想气体：器壁绝热：器壁绝热：Q = 0向真空膨胀：向真空膨胀：A = 0热一律热一律E1 = E2T1 = T2（是否等温过程？）（是否等温过程？） 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础Pa)10013. 1 (5p)10(33mVabcd112233daEEE ()2dam iRTTM)(2aaddVpVpi0解：解：()pabaWp VVlncTbbVmWRTMV0VW pTVWWWWQEW J304J246J550J550 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础pVIKJAB0IQIEW JJQE W IJWW0KKQE W IKW W0 第一讲第一讲 热力学第一定律热力学第一定律第六章热力学基础第六章热力学基础作业作业 4-3,4-4,4-6,4-9