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专题六 热力学基础,一 、内容提要,1、热力学第一定律及其在四种过程中的应用,Q 0时,吸热; Q 0时,放热; A 0时,系统对外界做正功; A 0时,系统对外界做负功(外界对系统做功)。,热力学第一定律在四种过程中的应用,0,0,0,0,2、 循环过程,正循环(热机)效率:,逆循环(致冷机)致冷系数:,卡诺循环:,3、热容量(理想气体),定容摩尔热容量:,定压摩尔热容量:,热容比(迈耶公式):,4、 热力学第二定律,两种表述(开尔文、克劳修斯),微观意义:,热力学几率与热力学过程进行的方向的关系,5、 熵(状态函数),玻尔兹曼熵公式:,克劳修斯熵公式:,熵增加原理:对孤立系统的各种过程:,1、内能和热量这两个概念有何不同?以下说法是否正确? 1)物体的温度越高,则它具有的热量越多; 2)物体的温度越高,则它的内能越多。,二 、课堂讨论与练习,理想气体内能是温度的单值函数,则温度愈高,内能愈大。而非理想气体内能一般是温度和体积的函数,即E(T,V),则温度高不一定内能就大。,解:,内能:物体分子的无规则热运动能量的总和,是状态量。 热量:传热过程 中所传递的能量的多少 ,是过程量。,温度是状态量,描述某平衡态冷热程度,而热量是过程量,因此温度高低与热量多少没有直接联系。,(1)不对。,(2)不一定。,2、系统的温度要升高是否一定要吸热?系统与外界不作任何热交换,而系统的温度发生变化,这种过程可能吗?,(2)有可能。例如绝热膨胀过程,系统与外界无热量交换,系统的温度下降了。,解:,(1)不一定。可以通过做功。例如绝热压缩过程。,温度升高,3、PV图上有五个准静态过程,试问:,(1)哪些过程是升温? 哪些过程是降温? (2)哪些过程是吸热? 哪些过程是放热? (3)哪些过程的摩尔热容量C0、C0、C=0、C?,解:,(1)过程 3 升温,过程 2、4 降温。,高温,低温,(2)哪些过程是吸热? 哪些过程是放热?,解:,(1)过程 3 升温,过程 2、4 降温。,过程4:,过程5:,过程3:,过程2:,过程1:,等温膨胀,吸热,降温膨胀,放热,绝热压缩,降温膨胀,等温压缩,过程2:,降温膨胀,构造循环:BDAB,逆循环:,在过程5上:,过程3,绝热压缩,但是个等温膨胀,放热,过程4:,降温膨胀,构造循环:BDCB,正循环:,过程5,过程3,绝热压缩,等温压缩,吸热,(3)哪些过程的摩尔热容量C0、C0、C=0、C?,解:,摩尔热容量:,过程4:,过程5:,过程3:,过程2:,过程1:,4、功的公式 是否只适用于理想气体?其适用条件是 什么?,解:,此式不仅适用于理想气体,也适用于固体和液体。但固体和液体体积变化不大,一般不需要计算体积功。,适用条件:准静态过程。,5、若系统体积不变,是否对外不做功?若系统体积改变是否一定对外做功?,解:,不一定。因为系统体积不变则没有做体积功。但还可以做机械功,如磨擦时是克服磨擦力作功,系统体积未变。 系统体积改变也不一定对外作功。例如系统向真空自由膨胀过程,体积增大了,但系统未作功。 对于准净态过程:一般地说系统体积膨胀则对外做正功,系统体积缩小时,外界对系统作正功。,6、 如图,一定量的理想气体,完成一循环过程。 (1)将该循环改画成p-V图。 (2)判明它的三个分过程1-2,2-3,3-1中,系统热量Q的正负。,解:,过程12,等温膨胀,过程23,等容升温,过程31,等压压缩降温,(2)判明它的三个分过程1-2,2-3,3-1中,系统吸热Q的正负。,过程12,等温膨胀:,过程23,等容升温:,过程31,等压压缩降温:,8、某人设想一台可逆卡诺热机,循环一次可以从400K的高温热源吸热1800J,向300K的低温热源放热800J,同时对外作功1000J,试分析这一设想是否合理?为什么?,解:,考虑热机的效率:,给定高低温热源后,热机的效率是一定的,而此种想法的效率为:,显然不合理,从熵的角度考虑:,计算一次循环中系统的总熵变,吸热前边的负号是与热库比较而言的,即,以热库为研究对象。,解:,对于卡诺热机,对于卡诺致冷机,条件:必须是卡诺循环,10、一定量的理想气体,经历下表中的三个过程组成循环 ,试问循环的效率是多少 ?,600J,-650J,150J,-550J,11、如图所示,AB、DC是绝热过程,CEA是等温过程。组成一个循环过程 ,若图中EDC所包围的面积为70J,EAB所包围的面积为30J,CEA过程中系统放热100J,问BED过程系统吸热为多少?,解:,PV图上曲线所围面积的意义,循环EDCE:,正循环,DC是绝热过程,,循环EABE:,逆循环,AB是绝热过程,,11、CEA过程中系统放热100J,问BED过程系统吸热为多少?,解:,循环EDCE:,循环EABE:,CEA过程中系统放热100J:,BED过程系统吸热为:,解:,(1),(2),双原子分子:,(3),13、在高温热源为 ,低温热源为 之间工作的卡诺热机,对外作净功8000J。若维持低温热源温度不变,提高高温热源温度,使其对外做净功10000J。若这两次循环该热机都工作在相同的两条绝热线之间,试问: (1)后一个卡诺循环的效率; (2)后一个卡诺循环中高温热源的温度。,解:,两个卡诺循环工作在相同的两条绝热线之间,故它们向低温热源T2放热相等,前一个卡诺循环:,(1),后一个卡诺循环:,低温热源温度不变,14、1mol单原子理想气体经历一个循环过程(如图所示)。已知a点的温度为T1,c点的温度为T3,求: (1) b点的温度T2; (2) 致冷系数w。,解:,(1),满足理想气体状态方程,(2) 致冷系数w,解:,分析:,1mol单原子理想气体,15、一个刚性绝热容器用一个可以无摩擦移动的导热活塞分为A、B两个部分,其中分别充有1mol的氢气和1mol的氦气。开始时氢气的温度为T1=400K,氦气的温度为 T2=600K,氢气与氦气的压强相同,均为p0=1atm,试求整个系统达到平衡时的温度T 和压强 p。,解:,(1)把氢气与氦气一起作为一个系统,容器是刚性绝热的,整个过程中系统与外界没有热交换,对外不作功,系统的总内能不变。,系统达到平衡时:,15、一个刚性绝热容器用一个可以无摩擦移动的导热活塞分为A、B两个部分,其中分别充有1mol的氢气和1mol的氦气。开始时氢气的温度为 ,氦气的温度为 ,氢气与氦气的压强相同,均为 ,试求整个系统达到平衡时的温度T 和压强 p。,解:,(2)容器内是混合理想气体,16、由 mol的氦气和 mol的氮气组成混合理想气体。 (1)求混合气体的等容摩尔热容量和等压摩尔热容量 (2)若气体经历一个准静态的绝热过程,写出过程中温度与体积的函数关系。,解:,(1)设混合气体经历等容过程,再设混合气体经历一等压过程,同理可得:,(2)由准静态绝热方程可得:,
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