第17章 热力学第一定律.ppt

第17章 热力学第一定律 17.1 功 热量 热力学第一定律 17.2 准静态过程 17.3 热容 17.4 绝热过程 17.5 循环过程 17.6 卡诺循环 17.7 致冷循环 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。 u 例：推进活塞压缩汽缸内的气体时， 气体的体积、密度、温度、压强都 将变化，在过程中的任意时刻，气 体各部分的密度、压强、温度都不 完全相同。因而，原则上讲，任意时刻，系统作为一个整体，无法用统一的状态参量来描述其状态. 一个过程，如果任意时刻的中间态都无限接近于一个 平衡态，则此过程为准静态过程。显然，这种过程只 有在进行的 “ 无限缓慢 ” 的条件下才可能实现。 一个热力学系统处于平衡态(即静态)，可用状态参 量P、T、V来定量地加以描述。 17.2 准静态过程 对于实际过程则要求系统状态发生变化的时间△t 远远大于弛豫时间τ才可近似看作准静态过程。 举例1：外界对系统做功 u 非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，约 10 -3 秒 ，如 果实际压缩一次所用时间为 1 秒，就可以说 是准静态过程。 外界压强总比系统压强大一小量 △P ， 就可以 缓慢压缩。 因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如P-V图（或P-T图，V-T图）中的一条曲线表示，反之亦如此。 V P o 等温过程 等容过程 等压过程 循环过程 准静态过程中的任意一个中间状态都可视为一个平衡态， 故，每一个平衡态都可用状态参量P、T、V来定量地加 以描述。 理想气体的准静态过程 注：能用状态图或P、T、V的方程 描述的过程肯定是准静态过程。 系统的内能是状态量，可用状态 参量P、V、T等表示 例如理想气体的内能： 只与初、末态有关，与过程无关。 一. 内能 物质的分子的热运动能量及原子核内部能量的总和在宏观上 即是物体的内能。 一个热力学系统的内能 等于其所有分子的热运动动能 ＋ 分子间的相互作用势能 因为 内能的增量 注意这种写法，并不 是说内能为一过程量 17.1 功 热量 热力学第一定律 摩擦功： 电功： 无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外界在准静态过程中对系统做的功，可以用系统本身的状态参量来表示。 二. 功（无摩擦准静态过程的功） 做功可以改变一个热力学系统的状态 摩擦升温（机械功）、电加热（电功） 外界在准静态过程中对系统做的功等于系统对外界做的功的负值 V是系统体积 系统体积由V1变为V2，系统对外界作总功为： 设气缸内的气体进行膨胀过程，当活塞移动微小位移dl 时，气体对外界所作的元功为（系统对外作功为正） b 功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。 功是过程量 pe p 形状不规则的容器（例如充气袋）中的气体作功呢？ 体积功 p V 0 a 1 2 面积 求准静态过程的功，即 为求虚线部分的面积 V1 V2 A等压 = p(V2-V1) A等容 = 0 等容过程： 等压过程： V p 2 3 1 0 理想气体等温过程： 举例：几种特殊热力学过程的功的计算 系统和外界温度不同，就会传热，或称能量交换， 热量传递也可以改变系统的状态。 微小热量 ： 0 表示系统从外界吸热； 0 表示系统向外界放热。 总热量： 积分与过程有关 。 三. 热量 传热过程中所传递的能量的多少叫热量，以Q(或 )表示， 热量传递的方向用Q的符号表示。 对无限小过程： 四. 热力学第一定律 某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功 A， 系统内能从初始态 E1变为 E2，则由能量守恒： 热力学第一定律: 某一过程中，系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和。 积分形式 微分形式 1. 系统对外界作功则 A 0; 系统从外界吸热则 Q 0 说明： 2. dE为全微分（E为内能, 状态量）; dQ与dA仅表示元过程中的无限小改变量,不是全微分 （功，热均为在过程中传递的能量，即过程量） 3. 适用范围：与过程是否准静态无关。即准静态过程和非静态过程均适用。但为便于实际计算，要求初、终态为平衡态。 关于热功当量 焦耳时代，热功当量现象对发现能量守恒与转换定律具有 重要意义。而随着人类对能量守恒与转换定律的确认以及 能量单位制的统一，热功当量则仅仅具有不同单位制之间 换算的意义。 4.18卡的热量相当于一焦耳的功 例理想气体做准静态的等温变化，体积 由V1变到V2时，它吸收的热量是多少？ 例一系统如图所示，由a状态沿acb到达b状态，有335 焦耳热量传入系统而系统作功126焦耳。 （1