热学第四章课件

第四章 热力学第一定律（First law of thermodynamics）第四章热力学第一定律 1.掌握自然界的基本规律掌握自然界的基本规律 热力学第一定律：热力学第一定律：能量守恒能量守恒 热力学第二定律：热力学第二定律：自然过程的方向自然过程的方向学习热力学的意义学习热力学的意义2.学习唯象的研究方法学习唯象的研究方法 以实验为基础的逻辑推理的研究方法以实验为基础的逻辑推理的研究方法3.熵熵（S）的概念与的概念与“信息技术信息技术”密切相关密切相关4.热能是重要的能源，也是维持生命的主要来源。热能是重要的能源，也是维持生命的主要来源。1.掌握自然界的基本规律学习热力学的意义2.学习唯象的本章目录 4.1 可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程 4.2 功和热量功和热量 4.3 热力学第一定律热力学第一定律 4.4 热容与焓热容与焓 4.5 第一定律对气体的应用第一定律对气体的应用 4.6 热机热机 4.7 焦耳汤姆孙效应与制冷机焦耳汤姆孙效应与制冷机 本章目录4.1可逆与不可逆过程4.1 可逆与不可逆过程4.1.1 4.1.1 准静态过程准静态过程准静态过程准静态过程 系统达到平衡态后，其状态系统达到平衡态后，其状态可在状态图上以一个点表示。可在状态图上以一个点表示。当外界条件变化，系统平衡当外界条件变化，系统平衡态必被破坏，以后系统将态必被破坏，以后系统将在新在新条件下达到新的平衡条件下达到新的平衡。但实际变化过程中，往往新平衡态尚未达到，外界已但实际变化过程中，往往新平衡态尚未达到，外界已发生变化，因而系统经历一系列发生变化，因而系统经历一系列非平衡态非平衡态。4.1可逆与不可逆过程4.1.1准静态过程系统达 系统的热力学过程进行得无系统的热力学过程进行得无限缓慢，以致于每一个中间状限缓慢，以致于每一个中间状态都可视为平衡态，则该过程态都可视为平衡态，则该过程称为称为准静态过程准静态过程。准静态过程通常在状态图上准静态过程通常在状态图上以实线表示。以实线表示。准静态过程是不可能达到的理想过程，但我们可尽量准静态过程是不可能达到的理想过程，但我们可尽量趋近它。趋近它。下面举例说明非准静态过程与准静态过程的区别：下面举例说明非准静态过程与准静态过程的区别：系统的热力学过程进行得无限缓慢，以致于每一个中间状态一、从活塞上移走砝码的实验一、从活塞上移走砝码的实验如图所示：如图所示：活塞上移走活塞上移走非常小砝码有两种方法非常小砝码有两种方法 1).1).当全部砝码水平地当全部砝码水平地移到右搁板上；移到右搁板上；2).2).依次移走砝码，并依次移走砝码，并且只有新平衡态建立以后才移走下一个砝码；且只有新平衡态建立以后才移走下一个砝码；显然显然(I)()(I)()的过程可看的过程可看作准静态过程作准静态过程，只要每，只要每次压强变化次压强变化 p=mg/A pp=mg/A 时，该过程可以被时，该过程可以被认为是准静态的。认为是准静态的。对通常的实际过程而言，我们只要求准静态过程的状态变化是足u 弛豫时间约弛豫时间约 10-3 秒秒，如果实际压缩一次所用时间为，如果实际压缩一次所用时间为 1 秒，就可以说是秒，就可以说是 准静态过程准静态过程。当气体作无摩擦的准静态膨胀或压缩时，外界的压力等当气体作无摩擦的准静态膨胀或压缩时，外界的压力等于气体的压力，因而是描述气体平衡状态的一个参量。于气体的压力，因而是描述气体平衡状态的一个参量。例例1、气体的压缩气体的压缩u弛豫时间约10-3秒，如果实际压缩 重物下落，功全部重物下落，功全部转化成热而不产生其转化成热而不产生其他变化，可自然进行。他变化，可自然进行。水冷却使叶片旋转，水冷却使叶片旋转，从而提升重物，则不从而提升重物，则不可能自然进行。可能自然进行。水水叶片叶片重物重物重物重物绝热壁绝热壁焦耳热功当量实验焦耳热功当量实验一、热力学过程存在方向性一、热力学过程存在方向性 下落物体、功变热、热传导和自由膨胀都有方向性。若下落物体、功变热、热传导和自由膨胀都有方向性。若逆方向进行，必伴随着其它变化。逆方向进行，必伴随着其它变化。4.1.3 4.1.3 可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程重物下落，功全部转化成热而不产生其他变化，可自然进行二、可逆过程与不可逆过程二、可逆过程与不可逆过程 系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可以找系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可以找到一个能使系统和外界到一个能使系统和外界都复原都复原的过程（这时系统回到初的过程（这时系统回到初态，对外界也不产生任何影响），则态，对外界也不产生任何影响），则原过程是原过程是可逆的可逆的。若总是若总是找不到找不到一个能使系统与外界同时复原的过程，一个能使系统与外界同时复原的过程，则则原过程是不可逆的原过程是不可逆的。一切生命过程都是不可逆的。一切生命过程都是不可逆的。非生命的过程也有一非生命的过程也有一大类问题是不可逆的，这些可逆、不可逆的问题正是热大类问题是不可逆的，这些可逆、不可逆的问题正是热学要研究的。学要研究的。二、可逆过程与不可逆过程系统从初态出发经历某一过程热学第四章课件原因：原因：系统存在某种不平衡或过程有摩擦等系统存在某种不平衡或过程有摩擦等耗散耗散因素。因素。自发过程都是不可逆过程。自发过程都是不可逆过程。实现可逆过程的条件：实现可逆过程的条件：无耗散的准静态过程。无耗散的准静态过程。功自发地转化为热的现象，这称为功自发地转化为热的现象，这称为耗散现象耗散现象。如：一切不与热相联系的力学及电磁学过程都是可逆的。如：一切不与热相联系的力学及电磁学过程都是可逆的。不和热相联系的力学问题：不和热相联系的力学问题：小小球和墙壁在水平面内做无摩擦的球和墙壁在水平面内做无摩擦的完全弹性碰撞完全弹性碰撞原因：系统存在某种不平衡或过程有摩擦等耗散因素。自发可逆过程必须满足的四个条件可逆过程必须满足的四个条件 可逆过程必须是可逆过程必须是准静态过程准静态过程，准静态过程中系统应始，准静态过程中系统应始终满足三种平衡：终满足三种平衡：（1 1）力学平衡条件力学平衡条件(可理解为压强处处相等可理解为压强处处相等)；（2 2）热学平衡条件热学平衡条件(温度处处相等温度处处相等)；（3 3）化学平衡条件化学平衡条件(同一组元在各处的浓度处处相等同一组元在各处的浓度处处相等)（4 4）可逆过程还必须满足可逆过程还必须满足无耗散条件无耗散条件。这四种不可逆因素中只要包含一种或数种这四种不可逆因素中只要包含一种或数种,则这则这样的过程是不可逆过程样的过程是不可逆过程.可逆过程必须满足的四个条件可逆过程必须是准静态过程A、汽汽缸缸中中存存有有气气体体，活活塞塞上上没没有有外外加加压压强强，且且活活塞塞与与汽缸间没有摩擦的膨胀过程汽缸间没有摩擦的膨胀过程B、汽汽缸缸中中存存有有气气体体，活活塞塞上上没没有有外外加加压压强强，但但活活塞塞与与汽缸间磨擦很大，气体缓慢地膨胀过程汽缸间磨擦很大，气体缓慢地膨胀过程C、汽汽缸缸中中存存有有气气体体，活活塞塞与与汽汽缸缸之之间间无无磨磨擦擦，调调整整活活塞上的外加压强，使气体缓慢地膨胀过程塞上的外加压强，使气体缓慢地膨胀过程D、在一绝热容器内两种不同温度的液体混合过程、在一绝热容器内两种不同温度的液体混合过程例例.下列过程中，趋于可逆过程的有（下列过程中，趋于可逆过程的有（）A、汽缸中存有气体，活塞上没有外加压强，且活塞与汽缸间没有摩4.2 功和热量4.2.1 4.2.1 功是力学相互作用下的能量转移功是力学相互作用下的能量转移功是力学相互作用下的能量转移功是力学相互作用下的能量转移 力学相互作用力学相互作用：将力学平衡条件被破坏时所产生的：将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响。对系统状态的影响。在力学相互作用过程中系统和外界之间在力学相互作用过程中系统和外界之间转移转移的的能量能量就是就是功功。热力学热力学认为功也是认为功也是广义功广义功。热力学热力学认为力是一种认为力是一种广义力广义力：机械力机械力电场力电场力磁场力磁场力4.2功和热量4.2.1功是力学相互作用下的能量转移 功的特点：功的特点：1）、）、只有在系统状态变化过程中才有能量转移。只有在系统状态变化过程中才有能量转移。2）、）、只有在广义力（如压强、电动势等）作用下产只有在广义力（如压强、电动势等）作用下产生了广义位移（如体积变化、电量迁移等）后生了广义位移（如体积变化、电量迁移等）后才做才做了功。了功。3）、）、在非准静态过程中很难计算系统对外作的功。在非准静态过程中很难计算系统对外作的功。4）、）、功有正负之分。功有正负之分。功的特点：1）、只有在系统状态变化过程中才有能量转移4.2.2 4.2.2 体积膨胀功体积膨胀功体积膨胀功体积膨胀功Apexdx 如图在如图在 p pe e的作用下，发生的作用下，发生了了dxdx位移位移,则则外界对气体所作外界对气体所作的元功为的元功为：故外界对气体所作总功为：故外界对气体所作总功为：对于准静态过程，满足：对于准静态过程，满足：（p气体压强）气体压强）4.2.2体积膨胀功Apexdx如图在pe的作用等温等温pp1p2V1V2VABCD0 三种过程所作的功不三种过程所作的功不同，同，说明说明功与变化的功与变化的路径路径有关有关，它不是状态的函数，它不是状态的函数 理想气体在可逆过程理想气体在可逆过程中功的计算中功的计算（一）等温过程：（一）等温过程：（实现方法：与恒温源接触）（实现方法：与恒温源接触）等温pp1p2V1V2VABCD0三种过程所作的功（二二）等压过程）等压过程：（实现方法：导热汽缸用活塞密封）实现方法：导热汽缸用活塞密封）（三三）等体过程）等体过程：（实现方法：导热汽缸活塞卡死）实现方法：导热汽缸活塞卡死）4.2.3 4.2.3 其他形式的功其他形式的功其他形式的功其他形式的功1、拉伸弹性棒所作的功：、拉伸弹性棒所作的功：等温等温pp1p2V1V2VABCD0（二）等压过程：（实现方法：导热汽缸用活塞密封）（三）等体l0l0+dlFFA 受力特点：受力特点：拉伸时发生形变，但拉伸时发生形变，但体积不变或变化很小体积不变或变化很小棒受力平衡时任一横截面所分割的两部分之间有相互作棒受力平衡时任一横截面所分割的两部分之间有相互作用力：用力：大小相等，方向相反且与所受外力相等；大小相等，方向相反且与所受外力相等；外力所做元功为：外力所做元功为：遵守遵守胡克定律胡克定律的弹性棒：的弹性棒：其中其中E为为弹性模量弹性模量：l0l0+dlFFA受力特点：拉伸时发生形变，但体积不2、表面张力所作的功：、表面张力所作的功：LxdxFA 表面张力：表面张力：使液体表面尽量缩小使液体表面尽量缩小表面积表面积（上下两面）（上下两面）的力：的力：（称为表面张力系数）称为表面张力系数）功的表达功的表达:当手匀速拉动金属框形成液体薄膜时当手匀速拉动金属框形成液体薄膜时2、表面张力所作的功：LxdxFA表面张力：4.2.4 4.2.4 热量与热质说热量与热质说热量与热质说热量与热质说（一）热量：（一）热量：热量与功是系统状态变化中伴随发生的热量与功是系统状态变化中伴随发生的两种不同两种不同的能量传递形式的能量传递形式，与过程有关，与状态无关。（，与过程有关，与状态无关。（相同相同之处和不同之处之处和不同之处）（二）热质：（二）热质：热质说认为热质说认为热是一种可以透入一切物体之中不生热是一种可以透入一切物体之中不生不灭的无重量物体不灭的无重量物体，较热物体含热质较多，较冷物体，较热物体含热质较多，较冷物体含热质较少，冷热不同的物体接触时，热质从较热物含热质较少，冷热不同的物体接触时，热质从较热物体流入较冷物体。体流入较冷物体。X 4.2.4热量与热质说（一）热量：热量与功是系统4.3 热力学第一定律4.3.1 4.3.1 能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律 能量守恒学说的建立能量守恒学说的建立:焦耳：焦耳：从实验测得从实验测得热功当量热功当量，证明能量守恒。，证明能量守恒。国际规定国际规定的热功当量精确值为：的热功当量精确值为：J=4.1868J/Cal迈耶：迈耶：从哲学思辩方面阐述能量守恒。从哲学思辩方面阐述能量守恒。亥姆霍兹：亥姆霍兹：以数学方式提出能量守恒与转化定律。以数学方式提出能量守恒与转化定律。4.3热力学第一定律4.3.1能量守恒与转换定律 能量守恒与转换定律内容能量守恒与转换定律内容:自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数值不变。传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数值不变。能量守恒的另一种表述形式能量守恒的另一种表述形式:第一类永动机是制造不出来的。第一类永动机是制造不出来的。能量守恒与转换定律内容:自然界一切4.3.2 4.3.2 内能定理内能定理内能定理内能定理内能内能是系统内部所有微观粒子（如分子、原子等）是系统内部所有微观粒子（如分子、原子等）的微观的无序的微观的无序运动能运动能以及相互作用以及相互作用势能势能两者两者之和之和。一、内能是态函数：一、内能是态函数：对对N个分子的理想气体的内能：个分子的理想气体的内能：内能是状态函数内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态间有一一对应关系。内能与系统状态间有一一对应关系。4.3.2内能定理内能是系统内部所有微观粒二、内能定理：二、内能定理：二、内能定理：二、内能定理：从从能量守恒定理能量守恒定理知道：系统吸热，内能应增加；外知道：系统吸热，内能应增加；外界对系统作功，内能也增加。界对系统作功，内能也增加。大量的实验证明大量的实验证明：一切绝热过程中使水升高相同的：一切绝热过程中使水升高相同的温度所需要的功都是相等的。温度所需要的功都是相等的。W绝热绝热=U2-U1（内能定理）（内能定理）若系统既吸热，外界又对系统作功，则内能增量应若系统既吸热，外界又对系统作功，则内能增量应等于这两者之和。等于这两者之和。二、内能定理：从能量守恒定理知道：系统吸热，内注意注意注意注意:1、内能是一种宏观热力学的观点、内能是一种宏观热力学的观点,不考虑微观的本质。不考虑微观的本质。2、内能是一个相对量。、内能是一个相对量。3、热学中的内能不包括物体整体运动的机械能。热学中的内能不包括物体整体运动的机械能。4、内能概念可以推广到非平衡态系统。、内能概念可以推广到非平衡态系统。5、有些书上提到的热能实质上是指物体的内能。、有些书上提到的热能实质上是指物体的内能。注意:1、内能是一种宏观热力学的观点,不考虑微观的本质。2三、热力学第一定律的数学表达：三、热力学第一定律的数学表达：三、热力学第一定律的数学表达：三、热力学第一定律的数学表达：U：内能内能 Q：系统从外界吸收的热量：系统从外界吸收的热量 W：外界对系统所作的功：外界对系统所作的功U2U1=Q+W 对于无限小过程：对于无限小过程：对于准静态过程：对于准静态过程：三、热力学第一定律的数学表达：U：内能U2U1=4.4 热容与焓4.4.1 4.4.1 定体热容与内能定体热容与内能定体热容与内能定体热容与内能 热容热容:在一定的传热过程中，物体的温度升高（或降在一定的传热过程中，物体的温度升高（或降低）低）1度所吸收（或放出）的热量。度所吸收（或放出）的热量。根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：dU=dQ+dW 等体过程中等体过程中外界作功为外界作功为0，系统吸收的热量全部用于，系统吸收的热量全部用于内能的增加内能的增加:dU=dQ 4.4热容与焓4.4.1定体热容与内能热容:定体比热容：定体比热容：定体摩尔热容：定体摩尔热容：任何物体在等体过程中吸收的热量就等任何物体在等体过程中吸收的热量就等任何物体在等体过程中吸收的热量就等任何物体在等体过程中吸收的热量就等于它内能的增量。于它内能的增量。于它内能的增量。于它内能的增量。定体比热容：定体摩尔热容：任何4.4.2 4.4.2 定压热容与焓定压热容与焓定压热容与焓定压热容与焓对定压过程对定压过程:(Q)(Q)p p=(U+V)=(U+V)定义函数：定义函数：H=U+V H=U+V 称为焓称为焓 上式表明：上式表明：等压过程中吸收的热量等于焓的增量。等压过程中吸收的热量等于焓的增量。定压比热容：定压比热容：定压摩尔热容定压摩尔热容:4.4.2定压热容与焓对定压过程:(Q)p=4.5 第一定律对气体的应用BAC焦耳实验焦耳实验4.5.1 4.5.1 理想气体的内能理想气体的内能理想气体的内能理想气体的内能U1(T1,V1)=U2(T2,V2)=常量常量1 1、自由膨胀过程、自由膨胀过程、自由膨胀过程、自由膨胀过程证明：证明：理想气体内能仅是温度理想气体内能仅是温度的函数的函数，与体积无关，称为，与体积无关，称为焦焦焦焦耳定律耳定律耳定律耳定律。实际气体的内能实际气体的内能是分子无规热运动动能与分子间相互是分子无规热运动动能与分子间相互作用势能之和，因此有：作用势能之和，因此有：U=U(T,V)4.5第一定律对气体的应用BAC焦耳实验4.5.1理 理想气体宏观特性理想气体宏观特性：(1)(1)满足满足 pV=vRT 关系；关系；(2)(2)满足道尔顿分压定律；满足道尔顿分压定律；(4)(4)满足焦耳定律满足焦耳定律U=U(T)(3)(3)满足阿伏加德罗定律；满足阿伏加德罗定律；2 2 2 2、理想气体定体热容及内能、理想气体定体热容及内能、理想气体定体热容及内能、理想气体定体热容及内能 上述内能公式适用于上述内能公式适用于理想气体理想气体的的任何过程任何过程。理想气体宏观特性：(1)满足pV=vRT关系；(2)3、理想气体定压热容及焓、理想气体定压热容及焓4、迈耶、迈耶(Mayer)Mayer)公式公式3、理想气体定压热容及焓4、迈耶(Mayer)公式一、等体过程一、等体过程4.5.2 4.5.2 理想气体的等体、等压、等温过程理想气体的等体、等压、等温过程理想气体的等体、等压、等温过程理想气体的等体、等压、等温过程+一、等体过程4.5.2理想气体的等体、等压、等温过程+二、等压过程二、等压过程等压过程中有：等压过程中有：其内能改变仍为：其内能改变仍为：三、等温过程三、等温过程等温过程，内能不变，故：等温过程，内能不变，故：则准静态等温膨胀中：则准静态等温膨胀中：二、等压过程等压过程中有：其内能改变仍为：三、等温过程等温过例例 1mol 氧气由状态氧气由状态1变化到状态变化到状态2所经历的过程如图所示，所经历的过程如图所示，（1）沿沿1a2 路径；路径；（2）沿沿12路径，试分别求出两个过路径，试分别求出两个过程中的程中的W与与Q以及氧气内能的变化以及氧气内能的变化U2U1。氧气分子视为刚性氧气分子视为刚性理想气体分子理想气体分子。V/LP/atmo515102010 20 30 40 5012a例1mol氧气由状态1变化到状态2所经历的过程如图所示，4.5.3 4.5.3 绝热过程绝热过程绝热过程绝热过程 绝热过程：绝热过程：绝热过程：绝热过程：系统和外界没有热量交换的过程。系统和外界没有热量交换的过程。特点：特点：特点：特点：由由下列条件下的过程可视为绝热过程：下列条件下的过程可视为绝热过程：1.1.良好隔热材料包围的系统发生的过程良好隔热材料包围的系统发生的过程；2.2.进行得较快而来不及和外界发生热交换的过程。进行得较快而来不及和外界发生热交换的过程。即即内能增量等于外界做功内能增量等于外界做功：4.5.3绝热过程绝热过程：系统和外界没有热量交换的 理想气体准静态绝热过程方程理想气体准静态绝热过程方程理想气体准静态绝热过程方程理想气体准静态绝热过程方程理想气体准静态过程有：理想气体准静态过程有：理想气体准静态过程有：理想气体准静态过程有：若该过程绝热，则：若该过程绝热，则：若该过程绝热，则：若该过程绝热，则：理想气体理想气体理想气体理想气体代入上式，消去代入上式，消去代入上式，消去代入上式，消去dTdT，得：，得：，得：，得：理想气体准静态绝热过程方程理想气体准静态过程有：若该过程定义摩尔热容比（又称定义摩尔热容比（又称比热容比比热容比）：）：则则两边取积分可得：两边取积分可得：即：即：（珀松公式）（珀松公式）将该式与理想气体的物态方程联立可以求得将该式与理想气体的物态方程联立可以求得:（绝热过程方程）（绝热过程方程）定义摩尔热容比（又称比热容比）：则两边取积分可得：即：（珀松 绝热线与等温线的区别：绝热线与等温线的区别：绝热线比等温线陡绝热线比等温线陡等温：等温：绝热：绝热：2等温等温12绝热绝热OV p绝热线与等温线的区别：绝热线比等温线陡等温：绝热 绝热过程的功绝热过程的功（1）任意绝热过程：）任意绝热过程：（2）可逆绝热过程）可逆绝热过程：绝热过程的功（1）任意绝热过程：（2）可逆绝热过程：例例 气体在气缸中运动速度很快，而热量传递很慢，可气体在气缸中运动速度很快，而热量传递很慢，可近似认为是一绝热过程，试问要把近似认为是一绝热过程，试问要把300K、0.1 Mpa下下的空气分别压缩到的空气分别压缩到1 Mpa和和10 Mpa,则末态温度分别则末态温度分别有多高？有多高？（绝热过程方程）（绝热过程方程）例气体在气缸中运动速度很快，而热量传递很慢，可近似认为是一4.5.6 4.5.6 多方过程多方过程多方过程多方过程 概念：概念：所有满足所有满足PV n=常数常数的过程都称为理想气体的过程都称为理想气体的多方过程，其中的多方过程，其中 n 可取任意常数。可取任意常数。等压过程等压过程 n=0；等温过程等温过程 n=1；等体过程等体过程 n=；绝热过程绝热过程 n=（多方过程方程）（多方过程方程）4.5.6多方过程概念：所有满足PVn=常数 多方过程的功多方过程的功nn后与绝热过程功的表达式一致：后与绝热过程功的表达式一致：多方过程的摩尔热容多方过程的摩尔热容设多方过程的摩尔热容为设多方过程的摩尔热容为 Cn,m 则则：多方过程的功n后与绝热过程功的表达式一致：多方过，两边求导，可得：，两边求导，可得：当当n 时：时：Cn,m0，若若T0,则则Q0吸热吸热当当1n，Cn,m0,则则Q时：Cn,m0，ABpVV1V2p1p2例例 已知已知1mol氧气经历如图所示从氧气经历如图所示从A变为变为B（AB延长线延长线经过原点经过原点O）的过程，已知）的过程，已知A、B点的温度分别为点的温度分别为 T1 和和T2，求在该过程所吸收的热量。，求在该过程所吸收的热量。解：解：从图中可以看出从图中可以看出故该过程为故该过程为n=-1的多方过程的多方过程ABpVV1V2p1p2例已知1mol氧气经历如图所示从A例例 理想气体经历理想气体经历 的热力学过程，其的热力学过程，其中中 p0 和和K 是常数是常数,试问试问:（1）当系统按此过程体积扩大）当系统按此过程体积扩大一倍时一倍时,系统对外做了多少功？系统对外做了多少功？（2）在这一过程中的）在这一过程中的热容是多少？热容是多少？（1）（2）例理想气体经历4.6 热 机4.6.1 4.6.1 热机热机热机热机 热机就是把热转化为功的机械。热机就是把热转化为功的机械。热机的三个部分热机的三个部分（1）循环工作物质；）循环工作物质；（2）两个以上温度不同）两个以上温度不同 的热源；的热源；（3）对外作功的装置。）对外作功的装置。4.6热机4.6.1热机热机就是把热转化为功热学第四章课件 循环过程：循环过程：系统系统（如热机中如热机中的工质）经一系列变化后又回到的工质）经一系列变化后又回到初态的整个过程叫循环过程。初态的整个过程叫循环过程。如果循环的各阶段均为准静如果循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用状态图态过程，则循环过程可用状态图上的闭合曲线表示。上的闭合曲线表示。热机必须工作于两个热源之间；工作物质从高温热热机必须工作于两个热源之间；工作物质从高温热源吸热在低温热源放热，这样才能获得机械功；源吸热在低温热源放热，这样才能获得机械功；pQ1A|Q2|V0 热循环（正循环）热循环（正循环）工质工质顺顺时针循环时针循环热机；热机；逆逆时针循环时针循环制冷机制冷机循环过程：系统（如热机中的工质）经一系列变化后又回到初 热机效率的定义热机效率的定义图中循环所围成的面积就是正循环所做的图中循环所围成的面积就是正循环所做的净功净功W。热机的效率：热机的效率：pQ1A|Q2|V0 热循环（正循环）热循环（正循环）工质工质由热力学第一定律：由热力学第一定律：热机效率的定义图中循环所围成的面积就是正循环所做的净功W4.6.2 4.6.2 4.6.2 4.6.2 卡诺热机卡诺热机卡诺热机卡诺热机背景：背景：18世纪，瓦特发明了蒸汽机世纪，瓦特发明了蒸汽机,人类找到了把热能转变人类找到了把热能转变为机械能的具体方法。蒸汽机的问世使人类进入了工业社为机械能的具体方法。蒸汽机的问世使人类进入了工业社会，生产力得到快速发展。会，生产力得到快速发展。问题：问题：蒸汽机的效率非常低，一般只能达到蒸汽机的效率非常低，一般只能达到5%左右左右;卡诺认为：卡诺认为：要想改进要想改进 热机，只有从理热机，只有从理论上找出依据。论上找出依据。他从热力学理论的高他从热力学理论的高度着手研究热机度着手研究热机 效率，效率，设计了两条等设计了两条等温线，两条绝热线构成了卡诺循环温线，两条绝热线构成了卡诺循环。4.6.2卡诺热机背景：18世纪，瓦特发明了蒸汽机,人类 卡诺循环是最简单又最重要的循环过程，卡诺循环是最简单又最重要的循环过程，即即工质只和工质只和两个恒温热库交换热量的准静态、无摩擦循环。两个恒温热库交换热量的准静态、无摩擦循环。气体在等温过程中与一个热源保气体在等温过程中与一个热源保持热接触。持热接触。在绝热过程中气体与外界没有热量交换。在绝热过程中气体与外界没有热量交换。低温热库低温热库T2|Q2|A工质工质 Q1高温热库高温热库T1卡诺循环是最简单又最重要的循环过程，即工质只和两个恒温(一一)等温膨胀过程等温膨胀过程吸热吸热(三三)等温压缩过程等温压缩过程放热放热 由热力学第一定律：由热力学第一定律：在整个循环中气体对外所作的净功在整个循环中气体对外所作的净功W 应等于气体在循环中吸收的净热量应等于气体在循环中吸收的净热量Q Q1 1-Q-Q2 2。(二二)绝热膨胀过程绝热膨胀过程(四四)绝热压缩过程绝热压缩过程p pV VT T1 1T T2 21234V V1 1V V2 2V V3 3V V4 4正循环正循环1-2-3-4-1(一)等温膨胀过程吸热(三)等温压缩过程放热由热力学第 在整个循环中，气体从高温热源吸收了热量在整个循环中，气体从高温热源吸收了热量Q Q1 1，对外作，对外作功功A A，热功转化的效率为：，热功转化的效率为：热机效率只取决于两个热源的温度。热机效率只取决于两个热源的温度。2在整个循环中，气体从高温热源吸收了热量Q1，对外作功A卡诺热机循环的效率卡诺热机循环的效率现代热电厂：现代热电厂：（900K）（300K）理论上：理论上：c 65%，实际：实际：40%，原因：原因：非卡诺，非卡诺，非准静态，非准静态，有摩擦。有摩擦。说明：说明：只与只与T1、T2有关有关。c与理气种类、与理气种类、M、p、V的变化无关，的变化无关，T1，T2 c ，实用上是实用上是 T1。卡诺热机循环的效率现代热电厂：（900K）4.7 焦汤效应与制冷机4.7.1 4.7.1 制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数 制冷循环制冷循环循环方向为逆时针闭和循环，从低温循环方向为逆时针闭和循环，从低温热源吸热向高温热源放热。热源吸热向高温热源放热。pQ1W|Q2|V0 制冷循环（逆循环）制冷循环（逆循环）工质工质 若制冷机从低温热源吸走若制冷机从低温热源吸走的总热量的总热量Q Q2 2，而外界对制，而外界对制冷机做功冷机做功W W，则定义，则定义制冷系数：制冷系数：4.7焦汤效应与制冷机4.7.1制冷循环与制冷系数 工质的卡诺循环沿工质的卡诺循环沿adcbaadcba逆时逆时针方向进行针方向进行,就是就是卡诺制冷循环卡诺制冷循环。WABCD 与卡诺热机类似与卡诺热机类似,卡诺制冷机卡诺制冷机的制冷系数为的制冷系数为4.7.2 4.7.2 焦耳汤姆孙效应焦耳汤姆孙效应焦耳汤姆孙效应焦耳汤姆孙效应 使物体温度降低的常用方法有下列五种：使物体温度降低的常用方法有下列五种：通过温度更低的物体来冷却；通过温度更低的物体来冷却；通过吸收潜热通过吸收潜热(如汽化热、溶解热等如汽化热、溶解热等)来降温；来降温；工质的卡诺循环沿adcba逆时针方向进行,就是卡诺制冷 通过绝热膨胀降温；通过绝热膨胀降温；节流膨胀致冷；节流膨胀致冷；温差电致冷；温差电致冷；多孔塞实验：多孔塞实验：气体从高压气体从高压P1 一一端经端经H流到低压流到低压P2 一一端，端，P1总大于总大于P2 使气使气体形成稳定的流动。体形成稳定的流动。实验结果实验结果：绝热：绝热管中多孔塞两边的气管中多孔塞两边的气体出现温度差，即体出现温度差，即焦焦耳耳汤姆逊效应。汤姆逊效应。焦耳焦耳汤姆逊实验汤姆逊实验通过绝热膨胀降温；节流膨胀致冷；温差电致冷；气体穿过多孔塞时气体穿过多孔塞时,左左边活塞作功边活塞作功:以活塞左边气体为研究以活塞左边气体为研究对象，气体全部穿过多孔塞对象，气体全部穿过多孔塞以后，它的状态参量从以后，它的状态参量从V V1 1 p p1 1 T T1 1变为变为V V2 2 p p2 2 T T2 2 。下面讨论节流的热力学过程下面讨论节流的热力学过程。两端开口绝热气缸中。两端开口绝热气缸中心有多孔塞，两侧维持不同压强心有多孔塞，两侧维持不同压强 p p1 1 p p2 2；左边活塞作功左边活塞作功:气体穿过多孔塞时,左边活塞作功:以活塞左边 设气体在左右两边时的内能分别为设气体在左右两边时的内能分别为U U1 1,U U2 2 ,注意到绝注意到绝热过程热过程 Q=0Q=0，则由第一定律：，则由第一定律：外界对定量气体所作的净功为：外界对定量气体所作的净功为：绝热节流过程前后的绝热节流过程前后的焓焓焓焓不变不变理想气体理想气体在节流过程前后的温度都不变在节流过程前后的温度都不变一般气体一般气体常温节流后温度降低，称常温节流后温度降低，称节流制冷效应节流制冷效应节流制冷效应节流制冷效应氢气氦气氢气氦气常温节流后温度升高，称为常温节流后温度升高，称为负节流效应负节流效应。设气体在左右两边时的内能分别为U1,U2,注意到绝 节流过程是不可逆过程，在状态图上是不能以一条节流过程是不可逆过程，在状态图上是不能以一条实线来表示的实线来表示的 等焓线：等焓线：等焓线：等焓线：焓值相等的点连接成的焓值相等的点连接成的线就是等焓线。线就是等焓线。由图可知由图可知,若节流在若节流在i i点点和和4 4点状态间进行，温度将升高；若改在点状态间进行，温度将升高；若改在i i点与点与7 7点间进行点间进行节流过程，温度就降低。节流过程，温度就降低。等焓线不是节流过程实际进行的图线。它是一系列等焓线不是节流过程实际进行的图线。它是一系列焓的设置相等的点的集合。焓的设置相等的点的集合。节流过程是不可逆过程，在状态图上是不能以一条实线来表4.7.3 4.7.3 蒸汽压缩式制冷机蒸汽压缩式制冷机蒸汽压缩式制冷机蒸汽压缩式制冷机 气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀能使气体气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀能使气体液化的制冷机称为液化的制冷机称为蒸汽压缩式制冷机蒸汽压缩式制冷机蒸汽压缩式制冷机蒸汽压缩式制冷机。4.7.3蒸汽压缩式制冷机气体被压缩、冷却到室温作 业习题习题 4.4.7 （P253）习题习题 4.5.1 （P254）习题习题 4.6.3 （P256）作业习题4.4.7（P253）习题4.5.