P.2/69热力学基础 *基本要求：（1）掌握气体系统的状态参量，理解平衡态、准静态过程的概念（2）熟练掌握理想气体状态方程。P.3/69热力学基础 *（3）掌握内能、功、热量和摩尔热容的概念（4）掌握热力学第一定律及其在等值过程中的 应用（5）掌握循环过程及卡诺循环、循环效率的计 算P.4/69热力学基础 *前言：热力学研究对象：物质的热运动 （另一种运动形式）热运动：（固体、液体、气体）大量微粒 （原子，分子等）不停地无规则运动研究对象（系统）的复杂性：大量微粒1023；速度102103ms-1；线 度10-10m；质量10-26kg；每秒碰撞次 数109P.5/69热力学基础 *研究方法（气体）：1、能量观点出发，以实验方 法研究热现象的宏观规律（ 热力学）2、应用统计方法（大量无规律运动微粒的 集体行为）研究其微观本质（气体动理论 ）P.6/69热力学基础 *热力学中的几个基本概念和重 要物理量1、热力学系统：研究的对象 孤立系统：不受外界任何影响的系统 开放系统：与外界有能量等交换的系统2、热力学过程：系统从一个平衡态到另 一个平衡态的变化过程平衡（准静态）过程：过程的中间 状态都可以看作平衡状态P.7/69热力学基础 *图上可用一条曲线表 示过程曲线 准静态过程是理想过程 3、热力学的几个重要物理量（1）功（体积变化所作的功）图上过程曲线 下所包围的面积 功是过程量不是状态量P.8/69热力学基础 *（2）热量：系统与外界由于 温差而传递的能量热量传递与过程有关，也是过程量 （3）内能：系统内部的能量 是描述系统状态的一个物理量（系统内所 有分子热运动的能量）复习：热量 热容内能是状态量，内能的变化（增量） 与经历过程无关P.9/69热力学基础 *第9章 热力学基础大量实验规律的总结理论基础是热力学第一定律、热力学第二定律热力学热学热学分子动理论从现象中找规律透过现象追本质宏观规律微观机制观察 记录 分析 总结建模 统计 理论 验证P.10/69热力学基础 *9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程一、气体的状态参量一、气体的状态参量状态参量 (status parameter)：描述气体宏观状态的物 理量1. 体积(volume) V ：气体分子自由活动的空间气体分子自由活动的空间国际单位：国际单位： m3(米3 )当气体分子大小不当气体分子大小不 计时，气体体积等于计时，气体体积等于 容器的容积。容器的容积。P.11/69热力学基础 *2. 压强(pressure) p ：垂直作用在容器壁单位面积上的 气体压力。国际单位：国际单位：Pa (帕斯卡) Pa = Nm-21标准大气压 = 1.01325105Pa1工程大气压 = 9.80665104Pa3. 温度(temperature) T ：表征热平衡状态下系统的宏表征热平衡状态下系统的宏 观性质观性质摄氏温标：摄氏温标：t 冰点为 0 热力学热力学( (开氏开氏) )温标：温标： T K 冰点为 273.15K 绝对零度：T = 0 K温标 温度的数值表示法。水三相点(气态、液态、固态的共存状态)273.16 KP.12/69热力学基础 *热平衡热平衡 (thermal equilibrium)：两个物体互相热接触 ，经过一段时间后它们的宏观性质不再变化，即达到了 热平衡状态。热力学第零定律热力学第零定律 (Zeroth law of thermodynamics)：在 不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体C 分别与物体A、B达到热平衡，则物体A和B也必相互热 平衡。4. 热力学第零定律测温原理A AB BC CA AB BC CP.13/69热力学基础 *二、平衡态二、平衡态平衡态(equilibrium status)：在不受外界影响（即系 统与外界没有物质和能量的交换）的条件下，无论初 始状态如何，系统的宏观性质在经充分长时间后不再 发生变化的状态。热动平衡P.14/69热力学基础 *三、准静态过程三、准静态过程1. 热力学过程 (thermodynamic process)：热力学系 统的状态随时间发生变化的过程。p p2. 准静态过程(approximate static process)：状态变化过程 进行得非常缓慢，以至于过程 中的每一个中间状态都近似于 平衡态。慢 ?!理想过程！(pB,VB,TB )(pA,VA,TA)pVO准静态过程的过程曲线可以 用p-V图来描述，图上的每一点 分别表示系统的一个平衡态。P.15/69热力学基础 *9-2 9-2 理想气体的状态方程状态参量之间的关系状态参量之间的关系(质量不变)理想气体：理想气体：在任何情况下都严格遵守在任何情况下都严格遵守“ “玻玻- -马定律马定律” ”、 “ “ 盖盖- -吕定律吕定律” ”以及以及“ “查理定律查理定律” ”的气体。的气体。m气体的总质量 M气体的摩尔质量P.16/69热力学基础 *理想气体状态方程理想气体状态方程(status equation of idea gas)：令：令：R R 称为称为“ “摩尔气体常量摩尔气体常量 ” ”代入：P.17/69热力学基础 *9-3 9-3 热力学第一定律 内能 功 热量一、内能一、内能 (internal energy)内能：热力学系统的能量，它包括了分子热运动的平 动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能. 和分子 间相互作用的势能。(不包括系统整体运动的机械能)P.18/69热力学基础 *理想气体的内能：理想气体的内能是温度的单值函 数，它是一个状态量，只和始、末两位置有关，与过 程无关。内能变化 E E只与初末状态有关，与所经过的过程无 关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。内能变化方式做功热传递P.19/69热力学基础 *二、功与二、功与热热热热1. 功 (work) W(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVOdlV1V2dl结论：系统所做的功在数值上等于p-V 图上过程曲线 以下的面积。P.20/69热力学基础 *2. 热量(heat) Q: 系统之间由于热相互作用而传递的能 量。焦耳用于测定热功当量的 实验装置注意：注意：功和热量都是过程 量，而内能是状态量，通 过做功或传递热量的过程 使系统的状态（内能）发 生变化。 P.21/69热力学基础 *改变热力学系统内能的途径之一是作功W 改变热力学系统内能的途径之二是传递热量Q功与热的等效性P.22/69热力学基础 *小结(1) 在改变系统的内能上,作功与传递热量 的具有等效性;热功当量：1卡 = 4.186 焦耳(2)区别: 作功是通过物体作宏观位移来完成;而传递热量是通过分子间的相互作用来完成.P.23/69热力学基础 *三、热力学第一定律三、热力学第一定律(First law of thermodynamics)本质：包括热现象在内的能量守恒和转换定律。Q 表示系统吸收的热量，W 表示系统所作的功， E 表示系统内能的增量。热力学第一定律微分式：？ 微小过程一个系统从外界吸收的热量等于系统自身内能 的增加加上系统对外所做的功之和P.24/69热力学基础 *系统吸热系统放热系统对外作功外界对系统作功系统内能增加系统内能减少P.25/69热力学基础 *四、热量和热容量四、热量和热容量热容量(thermal capacity)：物体温度升高一度所需要 吸收的热量。比热(specific heat)：单位质量物质热容量。单位：单位：摩尔热容(Molar specific heat)：1摩尔物质的热容量。i 表示不同的过程P.26/69热力学基础 *定体摩尔热容： 1mol理想气体在体积不变的状 态下，温度升高一度所需要吸收的热量。等体过程:定体摩尔热容1mol气体等体过程中内能变化公式mol气体等体过程中内能变化公式P.27/69热力学基础 *定压摩尔热容： 1mol理想气体在压强不变的状态下， 温度升高一度所需要吸收的热量。吸收热量内能增量系统对外做功P.28/69热力学基础 *迈耶公式：摩尔热容比：与定压过程多 吸收的热有关CV,mCp,m单原子He, Ar5/3=1.673R/25R/2双原子H2,O27/5=1.45R/27R/2多原子H2O,CO24/3=1.333R4R实验证明：P.29/69热力学基础 *总结 (1) 内能是系统内部的总能量，系统内部的分子在不 停地运动，分子热运动包括分子的平动、转动和振动 等，分于热运动动能就是这些运动动能的总和。它不 包括系统作为整体时的机械能(动能和势能)，但如果 系统内部还有电磁的、化学的、原子能等其他形式的 能量及其变化，那么系统购内能应包括它们。 P.30/69热力学基础 *(2) 对于理想气体来说，由于不考虑分子力，所以它的内能就等于分子无规则运动动能的总和。 （3）每个系统在一定的状态下，它的内能只有 一个置值，例如一定质量的气体在任一给定状态 时(状态参量入P、V、T为一确定量值)，相应的 内能有一确定量范。所以说内能是状态的单值函 数。P.31/69热力学基础 *Q结论：在等体过程中，系统吸收的热量完全用来增 加自身的内能。9-3 热力学第一定律的应用一、等体一、等体过过过过程程 (process at constant volume)等体过程: 气体在状态变化过程中体积保持不变。pVV0OP.32/69热力学基础 *V= 恒量 ， dV= 0，等体过程的热力学第一定律:吸收热量：系统内能增量：P.33/69热力学基础 *等压过程:气体在状态变化过程中压强保持不变。p= 恒量 ， dp= 0p pQ二、等二、等压过压过压过压过 程程 (process at constant pressure)pVV1V2pOP.34/69热力学基础 *等压过程系统的吸热：等压过程系统内能的增量：等压过程系统作功：P.35/69热力学基础 *等温过程:气体在状态变化过程中温度保持不变。T = 恒量，dE =0等压过程的热力学第一定律:Q = A三、等温三、等温过过过过程程 (process at constant temperature)p pQpV1V2VOP.36/69热力学基础 *等温过程系统内能的增量：等温过程系统作功和吸热：P.37/69热力学基础 *例例9-9-1 1 将500J的热量传给标准状态下的2mol氢。 (1) V不变，热量变为什么？氢的温度为多少？(2) T不变，热量变为什么？氢的p、V各为多少？ (3) p不变，热量变为什么？氢的T、V各为多少？解：(1) V不变， Q = E，热量转变为内能P.38/69热力学基础 *(2) T不变， Q = W，热量转变为功P.39/69热力学基础 *(3) p不变， Q = W+ E，热量转变为功和内能P.40/69热力学基础 *例例9-2: 9-2: 质量为2.810-3kg、压强为1.013105Pa、温度 为27的氮气, 先在体积不变的情况下使其压强增至 3.039105Pa, 再经等温膨胀使压强降至1.013105Pa , 然 后又在等压过程中将体积压缩一半。试求氮气在全部过 程中的内能变化，所作的功以及吸收的热量，并画出p- V图。解：OV3p/(1.013105Pa)3V1V412V/m34P.41/69热力学基础 *p/(1.013105Pa)3V1V412V/m34P.42/69热力学基础 *等体过程：等温过程：p/(1.013105Pa)3V1V412V/m34P.43/69热力学基础 *等压过程：p/(1.013105Pa)3V1V412V/m34P.44/69热力学基础 *总结 (1) 热力学过程中（等体、等压、等温） 过程中的内能变化计算公式如下