大学物理第17章热力学第一定律.ppt

2020 2 22 DUT余虹 1 大学物理助学 大连理工大学物理系 PHYH 余虹 2020 2 22 DUT余虹 2 第四篇热学 2020 2 22 DUT余虹 3 17 1准静态过程 一 热平衡态与状态参量 T1 T2 系统自动演化到唯一的终态 均匀态 平衡态 不同温度的物体相互接触 达到同一温度 T 墨水滴到水里 颜色均匀 热平衡态 不受外界影响 一个系统的宏观热力学性质不随时间改变的状态 描述平衡态系统可以用宏观状态参量 P V T 注意 这里的平衡是动态平衡 微观上并非静止 宏观状态参量也有涨落 只是平均值不随时间变化 2020 2 22 DUT余虹 4 PVT P V T 一个过程能在P V图上用一条线描述 准静态过程 二 准静态过程 2020 2 22 DUT余虹 5 17 2热力学第一定律 一 系统的内能 焦耳实验 A外 A非保内 EM E 实验结果 T 系统的内能与温度有关 绝热壁 U是系统热力学状态的单值函数 其变化可以用系统绝热时 外界对系统所作的功来量度 理想气体的内能是温度的单值函数 2020 2 22 DUT余虹 6 P1V1 P2V2 系统作功 活塞位移 dV 0 A 0 系统作正功 dV 0 A 0 系统作负功 二 功 2020 2 22 DUT余虹 7 绝热壁 恒温热源 T A外 0 A非保内 0 T E Q 外界对系统输入能量 热量 改变系统的热力学状态的途径 1 A外 E 宏观有规则的能量转变成微观无规则的能量 2 Q E 一个系统的微观无规则的能量 转变成另一个系统的微观无规则的能量 三 热量 2020 2 22 DUT余虹 8 U2 U1 通过正负号判断哪些过程可能实现 哪些过程不可能实现 准静态过程 Q dE A dE PdV 四 热力学第一定律 2020 2 22 DUT余虹 9 定义 等容摩尔热容量 等压摩尔热容量 1摩尔气体经过某一热力学过程 温度升高 降低 1K所需要吸收 释放 的热量 迈耶公式 五 摩尔热容量cx 2020 2 22 DUT余虹 10 17 3理想气体的典型过程 状态1 状态2 系统的Q A E E 理想气体 喷汽前 等体积过程 喷汽时 等压过程 2020 2 22 DUT余虹 11 一 等体积过程 V 常量 dV 0 Q A E2 E1 CV T2 T1 cV T2 T1 系统吸热Q 0内能增加E2 E1 系统放热Q 0内能减少E2 E1 T2 T1 T2 T1 A 0 2020 2 22 DUT余虹 12 二 等压过程 P 常量 Q cp T2 T1 E2 E1 cV T2 T1 系统吸热Q 0 V2 V1 系统对外作功A 0 T2 T1 内能增加E2 E1 0 V2 V1 外界对系统作功A 0 T2 T1 内能减少E2 E1 0 系统放热Q 0 2020 2 22 DUT余虹 13 三 等温过程 T 常量 E2 E1 0 V2 V1 系统对外作功A 0 系统吸热Q 0 V2 V1 外界对系统作功A 0 系统放热Q 0 2020 2 22 DUT余虹 14 四 绝热过程 Q 0 A dE E2 E1 cV T2 T1 A cV T2 T1 Q 0 PdV CVdT PV RT 过程方程 2020 2 22 DUT余虹 15 3 2 Q 0 过程方程 四 绝热过程 考虑 1 T 常量 绝热过程P 快 原因P nkT 等温过程 T不变 n P 绝热过程 T n P 实际过程可能既不 等 又不 绝 一般写成 PVn 常量 多方过程 n Q 0 n 1 T n 0 P n V V1V2 2020 2 22 DUT余虹 16 例题 3mol双原子理想气体从初状态T1 300K P1 105Pa到末状态V2 V1 2 分别计算等压过程 等温过程 绝热过程系统所作的功A及末状态的温度T2 解 3 Q 0 1 P V2V1 T 2020 2 22 DUT余虹 17 2 T2 T1 300K 3 T2V2 1 T1V1 1 双原子 7 5 cV 5 2R 2020 2 22 DUT余虹 18 17 4循环过程 水 高温蒸汽 低温蒸汽 蒸汽机 经一循环内能不变 作功只与吸热有关 工质是理想气体 准静态过程 P V图上一闭合曲线描述一次循环过程 热机A 0Q吸 Q放 正循环 致冷机A 0Q吸 Q放 逆循环 一 一般循环过程 2020 2 22 DUT余虹 19 讨论 正循环 1 2 3 1 讨论热机的效率 3 2 Q 0 Q1 Q2 A1 A2 A 净功 热机效率 希望系统多作功 少吸热 越大越好 2020 2 22 DUT余虹 20 讨论 逆循环 1 2 3 1 讨论致冷系数 T 2 3 V Q 0 Q2 Q1 A2 A1 A 0 外界作功 致冷系数 希望外界少作功 多从低温热源吸热 越大越好 2020 2 22 DUT余虹 21 例题 1mol单原子理想气体作循环 如图 已知 P 2P V 2V 求 1 作正循环时 2 作逆循环时 解 1 Q吸 Q12 Q23 A 循环线所围面积 P P V V 2P1V1 2RT1 2020 2 22 DUT余虹 22 解 2 Q吸 Q14 Q43 5 5 2020 2 22 DUT余虹 23 卡诺 N carnot 法国物理学家 认为由实验改进蒸汽机的效率是碰运气 必须从理论上找出依据 问题 1 热机效率是否存在极限 2 热机效率与工作物质有无关系 T1T2 理想化热机卡诺热机 A Q1 Q2 Q2 2个等温过程 2个绝热过程 二 卡诺循环 2020 2 22 DUT余虹 24 1 2 3 Q1 Q2 4 T1 T2 V1V4V2V3 2 3 4 1 A 卡诺热机 2020 2 22 DUT余虹 25 1 任何热机的最大效率与工作物质无关 提高效率 的办法 T1 T2 一般 0 2 产生最大效率的必要条件是 过程中不存在任何不是由于体积膨胀而引起的温度变化 即没有热辐射 摩擦 漏气 满足这点 称为可逆机 3 单独供热不能给出动力 没有冷 热将无用 当热从高温传向低温过程中才可能产生推力 P V图上一条等温线与一条绝热线不可能有多于1个的交点 P V图上一条等温线与一条绝热线不可能形成闭合回路 2020 2 22 DUT余虹 26 T1T2 Q1 A外 Q2 卡诺致冷机 1 2 3 Q1 Q2 4 T1 T2 A外 Q1 Q2 A外 卡诺致冷机的致冷系数 T1相同 T2越小 吸出等量热量 需要A外越大 T2相同 T1越大 吸出等量热量 需要A外越大 2020 2 22 DUT余虹 27 奥托循环 1 2 3 Q1 Q2 4 V2V1 Q1 cV T3 T2 Q2 cV T4 T1 1 2 4 1 V1 V2压缩比 2020 2 22 DUT余虹 28 作者余虹