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第十二章 热 力 学 基 础 * 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程 . 由热力学第一定律 特征 一 循环过程 A B 净功 第四节 循环过程与卡诺循环 * 热机 : 持续地将热量转变为功的机器 . 1765年瓦特蒸汽机 * 循环过程的净功就是P-V图上循环曲线所围的面积。在p-V图上顺时针变化的循环，系统对外做功，这就是热机。逆时针变化的循环，外对系统做功，这就是制冷机。 热机做功特点：工作物质从高温热源吸热所增加的内能不能全部转化为对外所做的有用功，因为它还要向低温热源放出一部分热量（是由循环过程的特点决定的）。 系统对外做功 （吸热） 外界压缩系统 （放热） 任何热机不可能仅吸热而不放热，也不可能只与一个热源相接触。 * 因此热机必须经过循环才能源源不断地对外提供机械功 热机的循环过程可在P-V 图上用一闭合曲线来描述，不同的循环过程，其闭合曲线形状不同。 V p p V 1 2 V p 1 2 3 4 2 1 4 3 * 热机 热机效率 高温热源 低温热源 A B 二、热机效率 * 致冷机致冷系数 致冷机 高温热源 A B 低温热源 * 三 卡诺循环 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环 ——卡诺循环. 给出了热机效率的理论极限值； 他还提出了著名的卡诺定理. 卡諾Sadi Carnot， 1796-1832 * 卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成 . 卡诺热机 W A B C D 低温热源T2 高温热源T1 2 1 T T * 理想气体卡诺循环热机效率的计算 A — B 等温膨胀 B — C 绝热膨胀 C — D 等温压缩 D — A 绝热压缩 卡诺循环 W A B C D * A — B 等温膨胀吸热 C — D 等温压缩放热 W A B C D * D — A 绝热过程 B — C 绝热过程 所以 W A B C D * 利用p1V1= p2V2 的关系 （4.4） （4.5） 外界对系统做的等温功为 当V2V1时，体积膨胀,W0,外对内做负功,内对外做正功。 * 例2.等压过程(isobaticprocess) 等压功为 （4.6） * 能量改变的一种方式——做功 能量改变的另一种方式——热传递 或 作功与过程有关 . * 热 量（过程量） 通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递 . * （1）都是过程量：与过程有关； （2）等效性：改变系统热运动状态作用相同； 宏观运动 分子热运动 功 分子热运动 分子热运动 热量 （3）功与热量的物理本质不同 . 1 cal = 4.18 J ， 1 J = 0.24 cal 功与热量的异同 ① 分子的无规热运动动能 ； ② 分子间互作用势能； ③ 分子(或原子)内电子的能量； ④ 原子核内部能量。 注：分子动理论主要研究其中的①、②两项。 (1)从微观结构上看，系统的内能应是如下能量之和： 说明 内能 （状态量） ? 内能U是系统内部所有微观粒子(例如分子、原子等)无序运动动能及总的相互作用势能之和。 内能是状态函数(function of state), 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的关系。 * 内能定理 (theorem of internal energy) ☆ 从能量守恒原理知：系统吸热，内能应增加；外界对系统作功，内能增加。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。 U2 - U1 = W（绝热功 ） 内能定理 （4.12） 如果系统经历了一个绝热过程，系统对外界既不吸热也不放热，完全依靠外界做功来改变系统状态。 热力学第一定律数学表示 * 能量守恒与转换定律 (law of conservation and transition of energy ) 1850 四、 热力学第一定律 * 能量守恒与转换定律的内容是： 这一定律也被表示为：第一类永动机是不能造成的！ 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，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变。 许多人设想不提供能量而源源不断对外做功的机器——永动机，都以失败而告终！ * 1.热力学第一定律可表示为 对于无限小的过程，上式可改写为 准静态过程 功和热量与所经历的过程有关，不是态函数，但两者