广泛的能量守恒定律课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章,热力学第一定律，内能,第二章热力学第一定律，内能,系统状态随时间的变化，热力学过程,1.1,平衡态在参量空间的表示,例：一个简单系统平衡态的状态方程,两个独立变量,。若外界对系统发生影响，则从一个平衡态过渡到另一个平衡态，初、末态分别用一个点表示。中间过程中体系不处于平衡态，一般无法在图上画出来。,1.2,热力学过程,系统从一个平衡态到另一个平衡态过渡的过程。,实际过程不可逆,如热咖啡变冷，钟摆因摩擦而变慢,系统状态随时间的变化，热力学过程,1.3,做功和热传递是外界对系统作用的两种形式,1.3.1,外界对系统做功,定义,:,功是系统与外界发生,能量交换,的一种形式，是在机械或电磁作用等的,广义力的推动下,，通过,有序运动,方式传递能量。,我们规定：,外界对系统做功为,正,，记为,W,系统对外界做功为,负,，记为,-W,1.3 做功和热传递是外界对系统作用的两种形式,1.3.2,热传递,定义：,由于,温度差,引起的能量交换。,例如：,传导传热。,存在温度差，但不存在物质的宏观运动，,可发生在 固体、液体、和气体中。,对流传热。,在液体和气体中发生。,辐射传热。,我们规定：,外界传递给系统热量为正，记为,Q,系统传递给外界热量为负，记为,Q,热力学把热量作为一种能量包括在内。,从微观上讲，热量指的是与微观热运动相关的能量。,1.3.2 热传递,功和热,1,、微观解释,热是统计分布于所有粒子的能量,左图，沿同一方向运动的（有序的）粒子，可通过力减速使动能转化为其他形式的能量。,右图，统计的完全无规的运动，简单的方法不能提取动能；例如用一个力作用，只能使有些粒子减速，而有些粒子加速。,把功变成热要比从热变成有用功简单得多；前者自然发生，后者需要热机。,注意，,大量,粒子是重要的。对于像右图一样只有几个粒子，产生恰当的力使所有粒子都减速是可能的，动能转化到力场的产生机制上去。然而对于,1mol,个粒子这是不可想象的。,2,、功和热不是状态参量,和过程有关，不能描述平衡态,功和热1、微观解释,热力学第一定律，内能,2.1,绝热过程,(adiabatic process),定义：一个绝热体系的变化过程（本质上就是无热量传递的过程）。,2.2,焦耳实验,I,焦耳发现：用各种不同的绝热过程，使物体升高一定温度做的功相等。,热力学第一定律，内能,2.3,内能,U,焦耳及各种实验表明,:,一个系统经过绝热过程从初态变到终态，在过程中外界对系统所作的功仅仅取决于系统的初态和末态而,与过程无关,。,可以用绝热过程中外界对系统所做的功,定义一个态函数在末态,B,和初态,A,之差,上式只定义内能态函数,U,之差。不仅是内能，许多能量零点的选择都是相对的。,内能指与微观热运动以及微观粒子内部相互作用有关的能量，不包括系统,整体的机械能,。主要包括热能（分子不规则运动相关的能量,平,动能,，,旋转动能,，,振动能,），,化学能,，原子核的,势能,，以及,偶极子,的电磁转换。,内能是一个广延量。,2.3 内能 U,2.4,热力学第一定律 能量守恒定律,表述一：,系统的内能的增加 等于外界对系统所做的功,W,和系统从外界吸收的热量,Q,之和,对无穷小过程，我们有：,表述二：广泛的能量守恒定律,自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体转移到另一个物体，在传递和转化中能量的总值不变。,可以是 机械能，电磁能，原子能，内能，化学能等等。,质能关系进一步表明 质量本身就是一种能量存在。,2.4 热力学第一定律 能量守恒定律,表述三：第一类永动机不可能,第一类永动机：不需要消耗任何能量而不断自动做功的机器。,第一定律是自然界的一个普遍规律，适用于一切形,式的能量，是十九世纪自然科学的三大发现之一。,表述三：第一类永动机不可能,3,准静态过程,功,3.1,准静态过程,定义,:,系统的热力学过程进行的,无限缓慢,，以致于每一个中间态都可以看成是平衡态。,例子,:,封闭气体在活塞推动下的准静态和非准静态过程,3准静态过程 功,摩擦力的影响：,1,、外界的压强不等于系统的压强，,2,、外界对系统做的功一部分要转化为器壁和其它外界的内能。,除非特别声明，今后讲的准静态过程均指,无摩擦力的准静态过程,摩擦力的影响：,准静态过程是一个极限的,理想过程,。,弛豫时间,：系统重新恢复平衡所需的时间。,工程应用中的许多热力学过程，可以看成是准静态过程。,准静态过程可以在参量,空间中用一条曲线表示。,准静态过程是一个极限的理想过程。,3.2,功,3.2.1,准静态过程中的体积变化功,无限小过程中功,的表示,用 而不用,，因为,功不是态函数。,总的功,计算时一定要,表明路径,，,即已知,的关系,为 曲线下的面积,与过程有关：,3.2 功,3.2.2,表面张力功,无限小过程中功的表示,为薄膜表面单位长度,的张力。,3.2.2 表面张力功,3.2.3,极化功（电介质）,3.2.3 极化功（电介质）,广泛的能量守恒定律课件,3.2.4,磁化功,3.2.4 磁化功,广泛的能量守恒定律课件,广泛的能量守恒定律课件,3.2.5,广义功和广义力,3.2.5 广义功和广义力,热容量 焓,4.1,热容量,使系统温度升高,1,度所需的热量称为热容量,摩尔热容量,热容量与过程相关,热容量 焓,4.2,定容热容量,通过等容过程使系统升高,1,度所需的热量称为等容热容量,等容过程,4.3,定压热容量,通过等压过程使系统升高,1,度所需的热量称为等压热容量,等压过程,系统等压过程吸收的热量一部分转化为内能，另一部分用于对于外界做功,4.2 定容热容量,4.4,焓,定义,:,为系统的,焓,(enthalpy),，,则,焓,H,与内能,U,一样是,态函数,焓的定义也是,相对的,，它的零点没有规定，选取以方便为原则,重要性：由于许多实际工程应用和化学反应是等压过程，焓具有重要的地位。,譬如：节流过程用焓来处理就方便很多。,4.4 焓,热容量的讨论,1,、稀薄气体（,P,很小）的热容量,热容量与,T,无关（,Cv,也与,P,无关）,热容量随自由度增加而增加,热容量的讨论1、稀薄气体（P很小）的热容量,热容量的讨论,2,、,P,不是很小时,右图物质是氨，饱和曲线,相当于气,液相变线,热容量与压强有关（见下页）,定容热容量,定压热容量,相变点附近，,热容量急剧上升,热容量的讨论2、P不是很小时,热容量的讨论,3,、热容量与,P,的关系,热容量随压强增加而增加,粒子间平均距离越近（高压高密），它们之间作用力越强，增加的热有一部分储存在相互作用能中，使得此时有较高的热容量。,4,、金属的热容量,高温：晶格震动（近独立震动），能量均分,较低温,：,能级分立的量子效应，爱因斯坦模型,低温：能级分立的量子效应,+,格点间相互作用，德拜模型,极低温：电子的贡献变得重要，费米统计,热容量的讨论3、热容量与P的关系,理想气体的内能,5.1,焦耳实验,II,让空气自由向真空膨胀，结果水温不变。,理想气体的内能让空气自由向真空膨胀，结果水温不变。,假设内能,，则,理想气体的内能与体积无关，,U,仅是温度的函数,从焦耳实验，可以很直观第理解理想气体的内能与体积无关这个结,论,:,整个过程，内能不变，而体积变了。但严格的推导还得从循环公式得到。,理想气体的焓,H,也仅是温度的函数,证明,:,假设内能，则,定义,则,虽然一般来说,，,温度范围变化不大时，可以把它们看成常数。,6,理想气体的绝热过程与多方过程,讨论以理想气体为工作物质的一些准静态过程的参量表示和功的计算。,等压过程,表达：,功 ：,等容过程,表达：,功 ：,等温过程,表达：,功 ：,6 理想气体的绝热过程与多方过程,绝热过程,表达：,(,看成是一个常数,),；,更准确地说，应为,功：,证明：,绝热过程,多方过程,表达：,常见的多方过程：,多方过程,循环过程,系统从某一状态出发，经过一系列变化,又回到原来的状态，此过程称,循环过程,热机,在一个循环过程中从高温热源吸热，,向低温热源放热，并对外做功。,在一个循环中，内能变化为零，所以做,的功 ，,热机的效率,制冷机,循环是热机循环过程的逆过程，,制冷机的制冷系数为,循环过程,一个重要的循环过程是,卡诺循环,由,4,个准静态过程组成，,两个等温过程和两个绝热过程,，如图所示。,以理想气体为工作介质的卡诺循环，计算过程中的做功和热传递如下：,1,2,等温膨胀,系统对外做功,从高温热源吸收热量,2,3,绝热膨胀,系统对外做功等于内能的减少,3,4,等温压缩,外界对系统做功,系统放热,4,1,绝热压缩,外界对系统做功等于系统内能增加,一个重要的循环过程是卡诺循环 41 绝热压缩,将上页结果代入，可推得,卡诺循环的效率,由 推出,所以，,将上页结果代入，可推得卡诺循环的效率,卡诺循环的逆循环为制冷循环,制冷系数为,广泛的能量守恒定律课件,