热学教程第二章课件

上页上页下页下页第第 二二 章章 热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律上页上页下页下页一、准静态过程：一、准静态过程：1、热力学过程：热力学过程：当系统的状态随时间变化时，我们就说系当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个热力学过程，简称过程。统在经历一个热力学过程，简称过程。原来的平衡原来的平衡态被破坏后，需要被破坏后，需要经历一段一段时间才才能达到新的平衡能达到新的平衡态，这段段时间称称为驰豫豫时间。2、驰豫时间：、驰豫时间：3、非静态过程：非静态过程：（实际发生的过程往往进行的较快，在新的（实际发生的过程往往进行的较快，在新的平衡态达到之前系统又继续了下一步变化。）平衡态达到之前系统又继续了下一步变化。）21 热力学系统的过程热力学系统的过程上页上页下页下页 若系统在热力学过程中经历了一系列非平若系统在热力学过程中经历了一系列非平衡态，这种过程称为非静态过程。衡态，这种过程称为非静态过程。非平衡态通常不能用状态参量来描述，所非平衡态通常不能用状态参量来描述，所以，非静态过程不能在以，非静态过程不能在 PV 图上用一条平滑图上用一条平滑的曲线表示出来。的曲线表示出来。严格地说，实际发生的热力学过程都是非严格地说，实际发生的热力学过程都是非静态过程。静态过程。例：迅速推进活塞压缩汽缸内的例：迅速推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积、密度、温气体时，气体的体积、密度、温 度或压强都将变化，在过程中的度或压强都将变化，在过程中的任意时刻，气体各部分的密度、任意时刻，气体各部分的密度、压强、温度都不完全相同。压强、温度都不完全相同。上页上页下页下页4 4、准静态过程准静态过程 如果一个热力学过程进行的每一时刻，系如果一个热力学过程进行的每一时刻，系统的状态都无限地接近平衡态，则此过程称为统的状态都无限地接近平衡态，则此过程称为准静态过程准静态过程。例：内燃机气缸内活塞的运动速率约为例：内燃机气缸内活塞的运动速率约为10m/s,而气而气缸内压强的趋匀过程却以声速进行，约缸内压强的趋匀过程却以声速进行，约300m/s,所所以此过程可近似视为准静态过程。但类似爆炸过程以此过程可近似视为准静态过程。但类似爆炸过程就不能视为准静态过程。就不能视为准静态过程。在一定条件下，准静态过程是实际过程的极在一定条件下，准静态过程是实际过程的极好近似。好近似。准静态过程是一种理想过程，它是热力学准静态过程是一种理想过程，它是热力学过程无限缓慢进行的极限。过程无限缓慢进行的极限。上页上页下页下页 系统的准静态变化过程可用系统的准静态变化过程可用P V图上图上的一条平滑曲线表示，称之为过程曲线。的一条平滑曲线表示，称之为过程曲线。以后，我们讨论的过程都看作是准静态过程。以后，我们讨论的过程都看作是准静态过程。22 功功 我们以气缸中的气体为例，讨论在准静态膨我们以气缸中的气体为例，讨论在准静态膨胀过程中气体对外界所作的功（体积功）。胀过程中气体对外界所作的功（体积功）。当活塞移动微小位移当活塞移动微小位移dl 时，气体对外界所作的元时，气体对外界所作的元功为：功为：d lPS (1)上页上页下页下页当当 dV0时，时，dA0,系统对外界作功；系统对外界作功；当当 dV0时时，dA 0，外界对系统做功外界对系统做功A 0，系统向外界放热，系统向外界放热Q 0,内能减少内能减少U 0,则则 U 0.系系统把所把所吸收的吸收的热量完全用于增加内能；量完全用于增加内能；若系统向外界放热，若系统向外界放热，Q 0,则则 U 0,吸热吸热 0,吸热吸热 0,放热放热0,吸热）吸热）上页上页下页下页da：绝热压缩过程，绝热压缩过程，在一次循环中，工质从在一次循环中，工质从高温热源吸热：高温热源吸热：T1T2Q1Q2Wcd,等温等温压缩过程，程，工工质和低温和低温热源交源交换热量量为（0,放热）放热）向低温热源放热：向低温热源放热：卡诺循环能流图卡诺循环能流图上页上页下页下页理想气体卡诺循环理想气体卡诺循环的效率只与两热的效率只与两热源的温度有关源的温度有关卡诺循环效率为卡诺循环效率为由绝热过由绝热过程方程程方程得：得：所以：所以：上页上页下页下页&第三章将证明在同样两个温度第三章将证明在同样两个温度T T1 1和和T T2 2之间工作的各种工质的卡诺循环的效率之间工作的各种工质的卡诺循环的效率都由上式给定，而且是实际热机可能效都由上式给定，而且是实际热机可能效率的最大值。率的最大值。上页上页下页下页 逆向循环反映了制逆向循环反映了制冷机的工作原理，其能冷机的工作原理，其能流图如右图所示。流图如右图所示。工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所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降得更低，达到制冷的目的。吸低温热源的温度降得更低，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。热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。用制冷系数用制冷系数 表示之。表示之。T1T2Q1Q2A2.卡诺制冷机（逆循环）卡诺制冷机（逆循环）的致冷系数的致冷系数上页上页下页下页以理想气体为工质的卡诺制冷循环的制冷系数为以理想气体为工质的卡诺制冷循环的制冷系数为 这是在这是在T1 1和和T2 2两温度间工作的各种制冷机的制冷两温度间工作的各种制冷机的制冷系数的最大值。系数的最大值。实例实例 冰箱冰箱 热泵热泵上页上页下页下页四、绝热过程：四、绝热过程：系统始终不与外界交换热量的过程。系统始终不与外界交换热量的过程。u良好绝热材料包围的系统发生的过程。良好绝热材料包围的系统发生的过程。u进行得较快，系统来不及和外界交换进行得较快，系统来不及和外界交换 热量的过程。热量的过程。绝热壁绝热壁p上页上页下页下页1.1.特点：特点：2.过程方程：过程方程：常量常量 泊松方程泊松方程推导：推导：由热一律的微分形式由热一律的微分形式对绝热过程，对绝热过程，所以：所以：上页上页下页下页由由 微分微分削去削去dT,得得令令 比热比（比热比（大于大于1)1)则（则（1）为：）为：（1）上页上页下页下页若若削去削去P,P,可得可得削去削去V V，可得，可得所以所以绝热过程方程绝热过程方程上页上页下页下页3.3.关于绝热功的计算关于绝热功的计算 除了借助热一律计算功外，对于准静态绝热除了借助热一律计算功外，对于准静态绝热过程还可利用泊松公式计算如下：过程还可利用泊松公式计算如下：将泊松公式将泊松公式 代入代入 得得上页上页下页下页 绝热过程中绝热过程中 ，理想气体不吸收热量。，理想气体不吸收热量。若系统对外界做功，内能减少，温度降低；若系统对外界做功，内能减少，温度降低；若外界对系统做功，内能增加，温度升高。若外界对系统做功，内能增加，温度升高。即，因为即，因为所以，所以，上页上页下页下页 过程曲线过程曲线微分微分A绝热线绝热线等温线等温线由于由于 1 1，所以所以绝热线要要比等温比等温线陡一些。陡一些。VpO思考题思考题？4.4.绝热线与绝热线与等温线等温线如何从物理过程上分析绝热线比等如何从物理过程上分析绝热线比等温线陡？温线陡？上页上页下页下页一定量氮气一定量氮气，其初始温度为其初始温度为300300K，压强为压强为1 1atm.将其绝热压缩，使其体积变为初始体将其绝热压缩，使其体积变为初始体积的积的 1/51/5.已知已知CV，m 5 5R/2 2.求：压缩后氮气的压强和温度。求：压缩后氮气的压强和温度。解：解：例例1 1由由例例2.课本课本P83例例2-6上页上页下页下页 一般情况一般情况1 1 n ,多方过程可近似代表气体多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。内进行的实际过程。五五.多方过程多方过程:理想气体在准静态过程中若热容理想气体在准静态过程中若热容C保持为常保持为常量，则称为多方过程。前面的四种过程是多方量，则称为多方过程。前面的四种过程是多方过程的特例。过程的特例。1.过程方程：过程方程：,n称称为多方指数为多方指数.上页上页下页下页削去削去dT,可得可得其中其中推导多方过程方程：推导多方过程方程：对理想气体状态方程求微分，得对理想气体状态方程求微分，得再由热一律的微分形式，得再由热一律的微分形式，得上页上页下页下页由上式可解得多方过程的摩尔热容由上式可解得多方过程的摩尔热容上页上页下页下页 思考思考答案答案 1 n 时，时，Cnm 0.当系统当系统在在热力学热力学过程中对过程中对外界所作的功大于它从外界吸收的热量外界所作的功大于它从外界吸收的热量时，系统时，系统虽虽然然吸热但吸热但温度反而下降温度反而下降；外界对系统所作的功大于其外界对系统所作的功大于其放热的绝对值时，系统虽然放热但温度反而升高。放热的绝对值时，系统虽然放热但温度反而升高。上页上页下页下页从外界吸收的热量从外界吸收的热量系统在多方过程中内能的增量：系统在多方过程中内能的增量：对外界所做的功：对外界所做的功：例题：课本例题：课本P8686例例2-7 2-7；笔记；笔记P33-3433-34例例2.2.