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1,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。,例如,在推进活塞压缩汽缸内的气体时,气体的体积,密度,温度或压强都将变化,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。此过程叫非静态过程,热力学系统:大量分子组成的宏观物质系统。,热力学系统,第2 章 热力学第一定律,2.1 热力学系统的过程,系统经历一个过程,状态发生变化,系统一定经历非平衡态,平衡态,每一时刻系统都无限接近于平衡态的过程。,由一系列依次接替的平衡态组成。,对 “无限缓慢” 的实际过程的近似描述。,为利用平衡态性质,引入准静态过程或平衡过程:,准静态过程,微小变化时间 驰豫时间,因内燃机气缸一次压缩时间: 102 -101秒,则内燃机气缸压缩近似为准静态过程,无限缓慢:,弛豫时间:系统由非平衡态趋于平衡态所需时间,例. 气缸气体的弛豫时间103s,10-2s,10-2s,4,无摩擦准静态过程,设活塞与汽缸没有摩擦力,外界在准静态过程中对系统的作用力,可以用系统本身的状态参量来表示。当气体作准静态压缩或膨胀时,若活塞与汽缸无摩擦,外界的压强Pe必等于此时气体的压强P,否则系统在有限压差作用下,将失去平衡,变为非静态过程。,准静态过程是一种理想的热力学过程。,准静态过程可用状态曲线表示,6,气体无摩擦准静态膨胀的功:,气体对外界做的功:,2-2 功,7,例 2-1 理想气体准静态等温膨胀做的功,【思考】如何实现这一准静态过程?,8,等温膨胀 ,做正功;,等温压缩 ,做负功。,功不仅与系统的始、末状态有关,而且与所经历的过程有关。功是一个过程量。,10,绝热系统作功可改变系统的状态,绝热功的基本特征:,与所经历的过程无关,只与系统的始、末状态有关,2-3 系统的内能 热量,一. 内能,11,“内能”的一个可操作的定义,即以绝热方式做功,外界所做的“绝热功”等于系统内能的增量,U2 - U1 = - A绝(绝热过程),内能是状态函数,与系统的始、末状态有关,某一过程,系统与外界绝热(无热量交换)对外界做功 A绝,由绝热功的特征可定义:,U1 ,U2 是系统始,末态的内能,12,过程中保持不变的能量不必计入内能,温度不太高时,不考虑分子内部原子结合能,核能。,核能 106 eV,,分子原子结合能 1eV,1eV 热能相当温度 104 K,分子热运动的动能,分子间势能,分子内部原子结合能,核能,系统的内能微观解释,理想气体内能只与温度有关,13,传热条件:系统和外界温度不同,且不绝热。,微观本质:分子无规则运动能量从高温物体向低温物体传递。,即系统吸热或放热会使系统的内能发生变化。,除功外,传热也可改变系统的状态,二、热量,14,即在不对系统作功的传热过程中,系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量,“热量”的一个可操作的定义,Q = U2 - U1(无功过程),某一过程,外界对系统不做功,系统内能从初始态 U1 变为 U2 ,定义系统从外界吸热量 Q为:,传热与过程有关,热量也是一个过程量。,2-4 热力学第一定律,对于任何宏观系统的任何过程,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,规定:,系统对外界做功A0,外界对系统做功A0,放热Q0,温度降低U2-U10,16,第一类永动机:系统不断地经历一系列状态变化而仍回到初始状态(U2-U1=0),同时在这过程中,无需外界任何能量的供给,却能不断地对外作功。,能量守恒定律另一表述:第一类永动机是不可能的.,热力学第一定律是涉及热现象的能量守恒定律的表述,二 能量转化与守恒定律,17,例 : 一定质量的理想气体,由状态a经b到达c,(如图,abc为一直线)求此过程中。 (1)气体对外做的功; (2)气体内能的增加; (3)气体吸收的热量; (1atm=1.013105Pa).,18,实验结果:,水温不变,焦耳实验(1845),打开活门C,让气体向真空中自由膨胀。测量膨胀前后水温的变化。,验证了理想气体的内能与体积无关,只与温度有关。,但水的热容比气体的大得多,焦耳实验中气体温度变化不易测出。,绝热壁,2-5 理想气体内能 热容,一. 理想气体内能 焦耳实验,单位:J/K,二 理想气体的热容,1. 热容 摩尔热容,21,摩尔热容:,单位:J/(molK),1mol物质的热容,理想气体的定体摩尔热容,理想气体的定压摩尔热容,理想气体内能与体积无关!,2、理想气体的定体.定压摩尔热容的关系,1)理想气体的定体摩尔热容,理想气体内能公式,若过程中 CV,m = 常数,有,因定体摩尔热容为,则对任意过程,理想气体内能为,2) 理想气体定压摩尔热容,迈耶公式,25,气体体积保持不变 ,等体过程中的功 A=0,在P-V图上,每一个等体过程对应一条垂直于V轴的直线。,1、等体过程,由热力学第一定律得,理想气体内能变化为,2-6 热力学第一定律对理想气体的应用,一、V,P,T分别保持不变的过程,整个过程无限缓慢 系统经历的是一个准静态传热过程。,系统温度从T1T2:,等体等压准静态过程分析,27,2.等压过程,系统压强保持不变 等压过程中的系统对外作的功,吸收的热量为:,由热力学第一定律:,由此可证明:,28,3. 等温过程,理想气体等温传热准静态过程分析,29,理想气体内能不变,吸收的热量等于系统对外作的功:,理想气体做的功:,理想气体准静态等温膨胀,二. 理想气体的绝热过程,系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程,称为绝热过程。,如何实现绝热过程 ?,1)、用理想的绝热壁把系统和外界隔开。,2)、过程进行得很快,以至于系统来不及与外界进行显著的热交换。,例.内燃机气缸内气体的膨胀、压缩;,空气中声音传播引起局部膨胀或压缩。,理想气体准静态绝热过程,热传导时间 过程时间 驰豫时间,1、在准静态绝热过程中,理想气体的状态参量满足下面关系:,状态方程:,由热力学第一定律:,32,由(a)(b)消去dT可得:,用CV,m , V,P 除上式得:,既泊松公式,绝热方程的推导,将 式两边微分得:,33,g 比热比常数; C1、C2、C3 常数。,等温膨胀:内能不变( 吸的热全做功) 绝热膨胀:系统不吸热,对外做功,内能减小温度降低,T1 T2 ,p1p2.,2、理想气体的绝热线比等温线陡,3、准静态绝热过程理想气体对外做的功,36,n=1 等温过程 n= 绝热过程 n=0 等压过程 n= 等容过程,三、多方过程,1.多方过程的过程方程 理想气体的实际过程,常常既不是等温也不是绝热的,而是介于两者之间的多方过程,PV n =常量 (n 称为多方指数),一般情况 1 n ,多方过程可近似代表气体内进行的实际过程。,37,2. 多方过程理想气体对外做的功:,证明:对状态方程和过程方程求微分,3. 多方过程理想气体摩尔热容:,热力学第一定律:,38,理想气体在各种过程中的重要公式,2-7 循环过程,一、循环过程,系统(工质)经一系列变化回到初态的整个过程。,工质复原,内能不变D U = 0,循环过程的特征:,40,如果循环的各阶段均为准静态过程,则循环过程可用闭合曲线表示:,正(热)循环,逆(致冷)循环,系统对外界做净功A,外界对系统做净功A,A = Q吸Q放,Q吸= Q放A,二 正循环的效率,效率:在一次循环中,工质对外做的净功占它吸收的热量的比率,工质经历循环是任意的,包括非准静态过程。,三 致冷循环,将待冷却物体作为低温热源,反向进行热机循环,可实现致冷循环。,Q2追求的效果,A付出的“成本”,致冷系数:对工质做一份功可从低温热源提取多少份热,43,例2-9:一定量的理想气体经历如图所示的循环过程。AD、BC是绝热过程。 AB、CD是等压过程. 试求此循环的效率? 已知,解:分析,AD、BC是绝热过程吸、放热仅在AB、CD,44,AD、BC是绝热过程,45,2-8 技术上的循环实例,一 . 内燃机,吸气过程,压缩过程,作功过程,排气过程,1. 定体加热循环-奥托 (Otto)循环,46,四冲程汽油内燃机,四冲程汽油内燃机采用奥托循环(Otto),47,汽油机效率计算,1-2 , 3-4 是绝热过程,由泊松公式,48,由泊松公式化简,49,Otto 循环效率与压缩比,比热比的关系,50,2. 定压加热循环-狄塞尔(Diesel)循环,51,(1)吸气过程 01,(2)压缩过程 12,(3)作功过程 23,(4)排气过程 41,四冲程柴油内燃机采用狄塞尔循环 (Diesel),52,柴油机效率计算,53,1-2 , 3-4 是绝热过程由泊松公式,54,Diesel 循环效率与压缩比,定压膨胀比的关系,Diesel 循环效率,55,家用电冰箱工作原理图,二 电冰箱和空调机,56,冬季,使被压缩的蒸汽先通过室内换热器经凝结而向室内空气(高温热源)放热,然后变成低压液体通过室外换热器经蒸发而从室外空气(低温热源)吸热,把设备用作热泵,给室内供热.,空调机工作原理,逆向循环也可用于一种称为热泵的供热装置,热泵与致冷机的原理相同,只是用于不同的目的。后者是从低温热源吸热使其致冷,前者则用于给高温热源供热.空调机就是集两种用途于一身的设备.,57,例 2-10 逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示,该循环由四个过程组成,先把工质由初态 c 等温压缩到 d 状态,再等体降温到 a 状态,然后经等温膨胀达到 b 状态,最后经等体升温回到初态 c ,完成一个循环。试求该致冷循环的致冷系数。,bc、da 是等体过程,ab、cd 是等温过程,b、c;a、d 温差相等,所以两过程中的吸、放热的量值相等。只计算ab、cd 过程的吸、放热,然后做差值即为功。,58,在过程中 cd 中,向外界放出的热量为:,整个循环中外界对工质所作的功为:,所以循环的致冷系数为,解:,过程 ab 中,从冷库吸取的热量为:,冷库与外界环境的温差越大,或者环境温度一定时,冷库温度越低, 越小,致冷效果越差。,59,第二章复习题,2-14 2-22,
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