第八章热力学基础宏观热力学宏观热力学热力学第0定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第三定律研究自然界与热现象相关的物 理过程所遵循的基本原则。研究对象：研究宏观热力学系统的物理特征F状态参量：p, V, TF物理模型：理想气体从能量角度出发微观粒子观察和实验出 发 点热力学验证微观动理论，微观动理论揭示热 力学本质二者关系无法自我验证不深刻缺 点揭露本质普遍，可靠优 点统计平均方法 力学规律总结归纳 逻辑推理方 法微观量宏观量物 理 量热现象热现象研究对象微观理论 （气体动理论）宏观理论 （热力学）一一、热力学第零定律热力学第零定律6-1 6-1 热力学第零定律和第一定律热力学第零定律和第一定律FF平衡态：平衡态：不受外界影响时，系统的宏不受外界影响时，系统的宏 观性质不随时间改变的状态观性质不随时间改变的状态绝热绝热 器壁器壁两两系统分别达平衡态系统分别达平衡态透热壁透热壁两两系统热平衡系统热平衡两系统相互作用两系统相互作用FF两个相互处于热平衡的系统温度相同两个相互处于热平衡的系统温度相同FF当两系统都与第三系统处于热平衡，当两系统都与第三系统处于热平衡， 则两系统也热平衡则两系统也热平衡 -热力学第零定律热力学第零定律实验表明：二、热力学过程二、热力学过程平衡态：p、V、T 确定p-V图上一确定的点 系统变化：p、V、T 改变热力学过程： 热学系统从一个平衡态变化到 另一个平衡态所经历的过程。准静态过程在 p-V 图上用一 条曲线表示。PV等 温线压容等等线 线0准静态过程：如果过程进展得十分缓 慢，使所经历的一系列中间状态，都无 限接近平衡状态，这个过程称作准静态 过程（平衡过程）。三、功、热量、内能三、功、热量、内能系统传递热量作功热力学系统 状态改变改变“热量”和“功”的宏 观等效性。1、功与热量改变系统能量的两种不同方法： 钻木取火 通过做 功的方式将机械能转换 为物体的内能。烤火 通过热量 传递提高物体内能。焦耳实验功、热的等效性T2搅拌器通过传递热量通过传递热量 升温升温1T温度上升通过外界做功通过外界做功 升温升温1卡=4.186焦耳传递热量和作功等效作功和传热本质上的区别：作功是通过物体宏观位移来完成， 是物体的有规则运动与系统内分子的 无规则运动之间的转换。传热是通过分子之间的相互作用 来完成。是系统外分子的无规则运动 与系统内分子的无规则运动之间的转换 。2 2、内能、内能 实验表明： 只要热力学系统初、末状态给定 ，则系统不论经历的过程有何不 同，外界对系统所作的功和向系外界对系统所作的功和向系 统传递的热量之和不变统传递的热量之和不变A+Q =常数热力学系统在一定状态 下具有一定的能量内能内能F内能是系统状态的单值函数。F与系统经历的过程无关对理想气体：一般气体：E(P、V、T)系统从外界吸收的热量=其内能的增量+对外所作的功Q：系统吸热为 + ，放热为 -A：系统对外作功为+，外界对系统作功为-。四、热力学第一定律四、热力学第一定律1 1、数学表述：、数学表述：系统的内能增量。对于一微小的过程 ，第一定律可表示为：第一定律的实质是包含括热量在 内的能量守恒和转换定律。2、准静态过程功的表达式准静态过程功的表达式PdlS功的几何意义功的几何意义: : 功在 数值上等于p -V 图上 过程曲线下的面积。p1212pdoVVVVM 和 N 过程所作的功不同，吸收的热量 也不同。所以功、热量和所经历的过程有关， 而内能改变只决定于初末态和过程无关。12.VV12 .PVOMN热力学第一定律热力学第一定律3、摩尔热容1mol 物质，当温度升高 1K 时所 吸收或放出的热量&与过程有关不同过程有不同 的热容量。6-2 热力学第一定律对于理想气 体准静态等值过程的应用理想气体：一、等体过程一、等体过程V热源Q特征：TT12PV012过程方程：第一定律：摩尔定体热容：定体过程吸收的热量：222单原子 双原子 多原子 356R=RR12.520.824.9刚性分子VJ.K .mol )1的数值C单位：(内能：二、等压过程二、等压过程 特征：过程方程：第一定律：热源PQ2112POVVV摩尔定压热容：等压过程吸收的热量：理想气体摩尔热容的两 个重要关系：三、等温过程三、等温过程过程方程：特征：第一定律：恒温大热源TTQpV1122ppI II.OVVpV1122ppI II.OVVPV(l )(atm)2V11abcd03V4V3已知例质量为 的氢气经图示过程自状态a变 化到状态d，求整个过程中内能的变化、作功和传 递的热量。等温解 摩尔数：各状态的状态参量：abcd1)整个过程中内能的变化：（内能增加）2)整个过程中作功：（系统对外作功)（外界对系统作功)（系统对外作功)(吸热)3)整个过程中传热：热力学第一定律热力学第一定律四、绝热过程四、绝热过程绝热套1 1、过程特征、过程特征dQ = 0绝热套当气体绝热膨胀对外作功时，温 度降低，内能减少！IIIPV. O2 2、过程方程、过程方程两边除以 pVCv联立两式消dTIIIPV. O绝热过程的过 程方程：两边积分：3 3、等温线与绝热线比较、等温线与绝热线比较 等温过程：绝热过程：膨胀相同的体积绝热 过程比等温过程压强 下降得快。绝热线绝热线 物理解释：VnPVnP等温过程：绝热过程：等温线等温线绝热线绝热线T.PV0V1等温绝热V2例 质量8克的氧气从V1=0.41升，T1=300k 分别经等温膨胀和绝热膨胀体积增大10倍。 求氧气在这两个过程中分别作了多少功？等温膨胀：解绝热膨胀：.PV0V1等温绝热V2绝热膨胀：T1=300k练习. 一定量的理想气体，由物态a经b到达c （图中abc为一直线）。求此过程中： （1）气体对外做的功； （2）气体内能的增量； （3）气体吸收的热量。p/atmV/L0321321cba解:系统从某一状态出发，经历一系 列状态变化过程后又回到初始状态， 为循环过程。一、循环过程热机-通过循环过程，持续不断 地将热转换为功的装置。系统经过一个循环后状态不变。6-3 循环过程工作物质-参与循环的物质550C0过 热 器锅 炉给水泵冷凝器冷 却 水气 轮 机发电机发电厂蒸汽动力循环示意图20C0550C0过 热 器锅 炉给水泵冷凝器冷 却 水气 轮 机发电机QQ12A发电厂蒸汽动力循环示意图20C0热机-持续 不断地将热 转换为功的 装置。550C0过 热 器锅 炉给水泵冷凝器冷 却 水气 轮 机发电机QQ12A发电厂蒸汽动力循环示意图AQQ12高温热源低温热源热机工作示意图20C0循环过程循环过程2Q1QpV0aAb特点： （1）内能无改变 E=0（2）p-V 图 上 为一闭合曲线2Q1QpV0aAb净功： A = 循环过程曲线所包围的面积 = Q1循环效率：计算热机效率 的普适公式1824年，法国青年科 学家卡诺（1796 1832 ）提出一种理想热机，工 作物质只与两个恒定热源 （一个高温热源，一个低 温热源）交换热量。整个 循环过程是由两个绝热过 程和两个等温过程构成， 这样的循环过程称为卡诺 循环。二、卡诺循环二、卡诺循环VPTabcdVVTVV2021314QQ21（1）循环组成 ：2个等温过程 + 2个绝热过程 。分析过程的吸、放热情况： ab:吸热；b c：绝热； c d:放热；d a:绝热.bc：绝热 da：绝热 VPTabcdVVTVV2021314QQ21VPTabcdVVTVV2021314QQ21ab：吸热 Q1cd：放热 Q2净功：A（2 2）循环效率）循环效率卡诺热机的效率只与两 热源的温度有关。AQQ12高温热源低温热源说明： 、要完成一次卡诺循环 ，必须有一个高温热源、 一个低温热源；、两热源温差越大， 效率越高，但 1 的热机。问题：能否制造成功 =1 的热机？(也就是热将全部变为功的热机)1、热力学第二定律的开尔文 (Kelven)叙述： 不可能制造一种循环动作 的热机，只从单一热源吸热， 使之全部变为有用的功而其它 物体不发生任何变化。一、热力学第二定律的两种叙述一、热力学第二定律的两种叙述讨论讨论: : (1)(1)将热量全部变为功是可能的。如等温将热量全部变为功是可能的。如等温 膨胀时有膨胀时有Q=AQ=A，但这一定要引起其他但这一定要引起其他 的变化，如体积增大的变化，如体积增大 (2)(2)使其回到初始状态的循环过程则要放使其回到初始状态的循环过程则要放 热热 (3)(3)开尔文说法反映了开尔文说法反映了功热转换功热转换的不可逆的不可逆 性性2、 热力学第二定律的克劳修斯(Clausius)叙述：热量不可能自动地从低温 物体传给高温物体。3、两种叙述是等价的。违背了克劳修斯叙述也违背了克劳修斯叙述也 就是违背了开尔文叙述就是违背了开尔文叙述TT12QQ22ETT122QQQQ11222A=QQEB违背了克劳修斯叙述也违背了克劳修斯叙述也 就是违背了开尔文叙述就是违背了开尔文叙述违背了开尔文叙述也就违背了开尔文叙述也就 是违背了克劳修斯叙述是违背了克劳修斯叙述TT112QQ1122QQA=QCD+讨论：讨论： 热力学第一定律说明了任何过程中能热力学第一定律说明了任何过程中能 量守恒量守恒l l热力学第二定律说明了并非任何能量热力学第二定律说明了并非任何能量 守恒过程都能实现，守恒过程都能实现，即变化过程有方即变化过程有方 向性向性设在某一过程 P 中，一物体从状态 A 变化 到状态 B，如果使物体进行逆向变化 ，从状态B变化到状态A，当它返回到状态 A 时，周围一切都恢复原状，称此变化过 程为可逆过程。如果不能恢复原状就称为 不可逆过程。一、可逆与不可逆过程5 可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程1. 1.功热转换是不可逆的功热转换是不可逆的FF功可以功可以全部全部转变为热，热不能转变为热，热不能全部全部转转 变为功变为功 2. 2.热传导是不可逆的热传导是不可逆的FF热量从高温物体传向低温物体热量从高温物体传向低温物体 的过程是不可逆的的过程是不可逆的3. 3.气体自由膨气体自由膨 胀胀是不可逆是不可逆 的的4. 4.无摩擦、无机械能损失的、无限缓慢 的平衡过程才是可逆过程 5. 5.一切实际过程都是不可逆的 6. 6.自然界自发进行的过程都是不可逆的落叶永离，覆水难收落叶永离，覆水难收生米煮成熟饭生米煮成熟饭逝者如斯逝者如斯二、卡诺定理1. 工作于高温热源 T1及低温热源 T2 之间的一切可逆机的效率都相等:2. 对于一切不可逆机（实际热机） 有：卡诺定理的意义：它指出了提高热机效率的方向：1. 使不可逆机尽量接近可逆机； 2. 提高高温热源的温度。（用降低低温热 源的温度的方法来提高效率是不经济的）例：发电厂 T=TTT1122=800K,300K 理想实际11300 800= 62%40%