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第五章 热力学第一定律 (2) 热力学过程 准静态过程: 非静态过程: 功、内能和热量过程量 状态量 热力学第一定律 热容 焓 一般表达式 微变过程 准静态过程 判断说法是否正确: u任何没有体积变化的过程就一定不对 外做功; u只要系统与外界之间既没有做功,也没 有热量及粒子数交换,则在任何过程 中系统的内能和焓都是不变的. u在等压下搅拌绝热容器中的液体,使其 温度上升,此时未从外界吸热,因而是等 焓的. 功是过程的改变量,它与所进行的过程 有关,但为什么绝热过程中做的功却仅与 初、末状态有关,而与中间过程无关? 热量与进行过程有关,但为什么在定 体条件下吸的热又与中间过程无关? ? 将一电池与一浸在水中的电阻器连接后 放电,试问在下列情况下的热量、功及内能 的变化分别是怎样的? (1)以水及电阻丝为系统; (2)以水为系统; (3)以电池为系统; (4)以电池、电阻丝、水为系统。 夏天将室内电冰箱的门打开,接通电源并紧闭门 窗(设墙壁、门窗均不传热),能否使室内温度降低?为 什么?若使用空调,情况又如何? 为什么任何气体向真空自由膨胀的过程 都是等内能的?若一隔板把容器分隔为两部 分,左边压强为p0,右边压强为p0/2,将隔 板抽除后所发生的过程是否是等内能的? 设某种电离化气体由彼此排斥的离 子所组成,当这种气体经历绝热真空自 由膨胀时,气体的温度将如何变化?为 什么? 密闭绝热的系统中具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着 气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹 簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被 压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为EP(弹簧处于自然长度时 的弹性势能为零),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次 往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程 ( ) A EP全部转换为气体的内能 B. EP一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍 为弹簧的弹性势能 C EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 D EP一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换 为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能 理想气 体 D 永动机? 5 气体的内能 焦耳一汤姆孙实验 1、 实验装置 温度一样 实验结果 膨胀前后温度计的读数未变。 一、 焦耳实验 气体绝热自由膨胀过程中 2、 分析 气体的内能仅是其温度的函数,与体积无关 。这一结论称为焦耳定律。 说明 (1) 焦耳实验室是在1845完成的。温度计的 精度为0.01。 水的热容比气体热容大的多,因而水的温度可 能有微小变化,由于温度计精度不够而未能测出。 (2) 焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。 二、焦耳-汤姆逊实验 也称节流效应。 多孔塞两 边的气体的温度 一般并不相等, 温度差异和气体 种类及多孔塞两 边的压强数值有 关。 在绝热条件下,高压气体经过多孔塞小 孔、通径很小的伐门、毛细管等流到低压 一边的稳定流动过程称为节流过程。 目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细 管来实现节流膨胀的。 实验发现: 在多孔塞两边的气体的温度一般并不相 等; 温度差的大小和气体种类及多孔塞两边 的压强的数值有关。 利用下图可讨论节流的热力学过程: A1p1 V1T1 p1 A2P2 V2 T2 p2 当气体全部穿过多孔塞以后,它的状态 参量从V1 变为V2 ,p1变为p2 ,T1变为T2。 外界对定量气体所作的净功为 气体推动右边活塞作功 气体穿过多孔塞过程中,左边活塞对气体作 功, 设气体都在左边时的内能为U1 ,气体 都在右边时的内能为U2 ; 注意到绝热过程 Q = 0,则由第一定律 这就是说,绝热节流过程前后的焓不变。 实验表明: 所有的理想气体温度不变; 对于氢气、氦气,在常温下节流后温度反而 升高,称为负节流效应。只有在足够低温度 下才呈现正节流效应。 节流过程前后的温度变化 低温工程利用节流致冷效应来降低温度。 等焓线 为了研究在不同压强、温度下的不同种 类气体经节流后的温度变化 ,常由实验在 T p 图作出各条等焓线。 实验进行时,高压一边的压强 pi 温度 Ti 先可任意选定,从而确定某一初态,如图 中的i点所示。而节流以后的末态是一系列的 点,1,2,3,4,5,6,7 。这些点的 焓和i点的焓是相等的。这些点连接成的线就 是等焓线。 由此看到,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。 注意: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。 从图可以看见,若节 流在“i”点和“3 ”点的状态间 进行,温度将升高; 若改在“4”点与“7”点 间进行节流过程,温度就降 低。 焦耳汤姆逊系数 正的焦汤效应 负的焦汤效应 转换点 连接一系列等焓线转换点的曲线 I.在曲线内侧,0, T,致冷区, 在曲线外侧, Pmax时,总有T,无法致冷, III.对某一初始压强P1,当初始温度 转换曲线 Tu1 ,P1对应的上转换温度, Td1 , P1对应的下转换温度. IV.转换曲线与温度轴的交点,对应于最大上转换 温度Tumax, 和最小下转换温度Tdmax。 三、理想气体的内能 焓的表达式 严格遵从状态方程pV=vRT和焦耳定律 U=U(T) 的气体。 理想气体的定义 理想气体定容热容及内能 理想气体定压热容及焓 定压过程中 有人认为节流膨胀与 准静态膨胀一样都是可逆过 程,理由是节流膨胀也能在 T-p图上画出等焓线,既然 节流过程的焓是相等的,等焓线是平衡态 的集合,当然节流过程是可逆过程。这种 说法错在哪里? 有人说,准静态绝热膨胀与向真空中 自由膨胀及节流膨胀都是绝热的,同样是 绝热膨胀,怎么会出现三种截然不同的过 程?它们对外做功的情况分别是怎样的? 作业:p143 2, 3两题
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