第第5 5章章 热力学第一定律热力学第一定律如果没有外界影响，处于平衡态的如果没有外界影响，处于平衡态的 热力学系统热力学系统的状态参量将保持不变的状态参量将保持不变 。如果热力学系统与外界有。如果热力学系统与外界有相互作用，比如：做功、传热等。系统的平衡性质相互作用，比如：做功、传热等。系统的平衡性质将遭到破坏，状态将会发生变化。当热力学系统的将遭到破坏，状态将会发生变化。当热力学系统的状态随时间发生了变化，从一个状态转变到另一个状态随时间发生了变化，从一个状态转变到另一个状态时，就说系统经历了一个过程，这个过程就叫状态时，就说系统经历了一个过程，这个过程就叫热力学过程热力学过程，是由一系列的中间状态组成的。是由一系列的中间状态组成的。本章将介绍热力学的主要内容。运用宏观观点和本章将介绍热力学的主要内容。运用宏观观点和方法来研究在热力学过程中热现象的基本规律。方法来研究在热力学过程中热现象的基本规律。1第第5 5章章 热力学第一定律热力学第一定律5.1 准静态过程及其中所做的功准静态过程及其中所做的功5.2 内能函数内能函数 热量热量5.3 热力学第一定律的表述热力学第一定律的表述5.4 态函数焓和定压热容态函数焓和定压热容5.5 热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用5.6 焦耳焦耳-汤姆孙效应汤姆孙效应*5.7 单相均匀系的态函数熵单相均匀系的态函数熵25.1 准静态过程及其中所做的功准静态过程及其中所做的功 过程的发生必然伴随着状态的变化及平衡态的过程的发生必然伴随着状态的变化及平衡态的破坏，如果过程进行的很快，系统将经历一系列的破坏，如果过程进行的很快，系统将经历一系列的非平衡状态，称为非平衡状态，称为非静态过程非静态过程。这种实际过程的非。这种实际过程的非平衡状态，给研究工作带来了平衡状态，给研究工作带来了困难：对非平衡态来困难：对非平衡态来说，由于热力学参量没有确定的值，就无法再用热说，由于热力学参量没有确定的值，就无法再用热力学参量来表示其状态，不便于进行准确的定量研力学参量来表示其状态，不便于进行准确的定量研究。究。为了适应热力学研究的需要，根据物理学理想为了适应热力学研究的需要，根据物理学理想模型的研究方法，引入模型的研究方法，引入“准静态过程准静态过程”的概念，这的概念，这在热力学中具有重要的意义。在热力学中具有重要的意义。3一、准静态过程一、准静态过程热力学过程中，状态变化进行得非常缓慢，以热力学过程中，状态变化进行得非常缓慢，以至于过程中每一中间状态都近似于平衡态。至于过程中每一中间状态都近似于平衡态。注意：注意：注意：注意：不同的物理量趋于平衡所需要的时间也不不同的物理量趋于平衡所需要的时间也不一样，如压强比温度的平衡速度快。一样，如压强比温度的平衡速度快。当系统受到外界作用，平衡态被破坏后，经过当系统受到外界作用，平衡态被破坏后，经过一段时间，系统仍然可以建立平衡态，从平衡态被一段时间，系统仍然可以建立平衡态，从平衡态被破坏到建立下一个平衡态的过程，称为破坏到建立下一个平衡态的过程，称为驰豫过程驰豫过程，需要的时间称为需要的时间称为驰豫时间驰豫时间，通常用，通常用t t 来表示。来表示。准静态过程准静态过程理想过程理想过程如何界定过程进行的如何界定过程进行的“快快”、“慢慢”？4如果外界作用引起系统状态改变所需要的时间如果外界作用引起系统状态改变所需要的时间为为 t，凡是满足，凡是满足 t t t 这样条件的过程就可以认为这样条件的过程就可以认为是准静态过程。是准静态过程。因为当恢复平衡的时间比破坏平衡的时间短得因为当恢复平衡的时间比破坏平衡的时间短得多时，系统在每次遭受破坏以后能很快地恢复到平多时，系统在每次遭受破坏以后能很快地恢复到平衡态，所以在系统状态的变化过程中，每一时刻去衡态，所以在系统状态的变化过程中，每一时刻去看系统时，它都处于平衡态。于是呈现一种准静态看系统时，它都处于平衡态。于是呈现一种准静态过程。过程。 t 越大，每一状态就越接近平衡态。越大，每一状态就越接近平衡态。5准静态过程就是过程无限缓慢地进行的极限，准静态过程就是过程无限缓慢地进行的极限，是一种理想过程。而实际上只要过程进行的速度比是一种理想过程。而实际上只要过程进行的速度比驰豫速度小就可以看成是准静态过程，驰豫速度小就可以看成是准静态过程，要求过程进要求过程进行的足够慢，是相对于驰豫过程而言的。行的足够慢，是相对于驰豫过程而言的。 例如：气体的压缩与膨胀（内燃机汽缸内的气体）例如：气体的压缩与膨胀（内燃机汽缸内的气体）等。压强平衡速度一般为声速，即每秒几百米，而等。压强平衡速度一般为声速，即每秒几百米，而汽缸内活塞的运动速度一般为汽缸内活塞的运动速度一般为10m/s，可以认为活塞，可以认为活塞运动足够慢。运动足够慢。 6由于在准静态过程中，系统所经历的每一个状态由于在准静态过程中，系统所经历的每一个状态都是平衡态，于是，热力学参量都具有完全确定的值，都是平衡态，于是，热力学参量都具有完全确定的值，可以用一组确定的状态参量来描写。可以用一组确定的状态参量来描写。 (pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO准静态过程是热力学理论中的重要过程。准静态过程是热力学理论中的重要过程。 为热力为热力学过程的研究工作提供了一个直观而方便的手段。学过程的研究工作提供了一个直观而方便的手段。准静态过程曲线可用准静态过程曲线可用pV图图描述，图上每一点表示系统的一描述，图上每一点表示系统的一个平衡态，个平衡态，整个过程就可以用一整个过程就可以用一条平滑的过程曲线来表征条平滑的过程曲线来表征 。7在整个过程中，系统一直处于非平衡态，直至过在整个过程中，系统一直处于非平衡态，直至过程结束才达到平衡态，这样的过程称为程结束才达到平衡态，这样的过程称为非静态过程非静态过程.非平衡态则不能用一组确定的状态参量来表示，非平衡态则不能用一组确定的状态参量来表示，所以也无法在状态图上表示出来所以也无法在状态图上表示出来例如：流体在管道中流动，流过阀门、多孔塞例如：流体在管道中流动，流过阀门、多孔塞等装置时遇到阻挡，在通过后，压强降低，这种过等装置时遇到阻挡，在通过后，压强降低，这种过程叫做程叫做节流过程节流过程。产生节流过程的阀门叫。产生节流过程的阀门叫节流阀节流阀。节流阀附近，管道截面迅速减小，流体经过时受到节流阀附近，管道截面迅速减小，流体经过时受到强烈扰动，不能用确定的状态参量加以描述。这就强烈扰动，不能用确定的状态参量加以描述。这就是非静态过程。是非静态过程。8二、二、准静态过程中所做的功准静态过程中所做的功热力学系统作功的装置热力学系统作功的装置活塞活塞dx结论：结论：系统所做的功在数值上等于系统所做的功在数值上等于pV 图上过程曲线以下的面积。图上过程曲线以下的面积。元功表达式元功表达式pV 图也称为图也称为示功图示功图(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVOV1V2dV系统经历微小准静态过程系统经历微小准静态过程元过程元过程准静态过程准静态过程功的图示法：功的图示法：9说明：说明：2 2、功的表达式只适用于准静态过程、功的表达式只适用于准静态过程、功的表达式只适用于准静态过程、功的表达式只适用于准静态过程对于准静态过程，每一状态都是平衡态，系统与外界的对于准静态过程，每一状态都是平衡态，系统与外界的压强是相等的；而对非静态过程，系统经历的都是非平衡态，压强是相等的；而对非静态过程，系统经历的都是非平衡态，压强没有确定值，更谈不上与外界压强相等。压强没有确定值，更谈不上与外界压强相等。1 1、热力学系统作功的本质：、热力学系统作功的本质：、热力学系统作功的本质：、热力学系统作功的本质： 无规则的分子热运动与有规则的机械运动之间的能量转化无规则的分子热运动与有规则的机械运动之间的能量转化无规则的分子热运动与有规则的机械运动之间的能量转化无规则的分子热运动与有规则的机械运动之间的能量转化(1)要进行积分求总功要进行积分求总功W，必须知道压强，必须知道压强p与体积与体积V的关系，只的关系，只有平衡态，有平衡态，P、V、T才具有确定的关系才具有确定的关系 ，而对非平衡态，而对非平衡态，P、V、T的函数关系不确定，无法完成积分。的函数关系不确定，无法完成积分。(2)系统对外界做功应该是反抗外力做功，因而功的表达式中系统对外界做功应该是反抗外力做功，因而功的表达式中的压强本来应该是外界的压强，即：的压强本来应该是外界的压强，即： 104 4、功是过程量、功是过程量、功是过程量、功是过程量系统膨胀，对外作功：系统膨胀，对外作功：W0系统压缩，外界对系统作功：系统压缩，外界对系统作功：W0内能减少：内能减少： U0系统放出热量：系统放出热量：Q 0，系统吸热；，系统吸热； Q 0，系统对外做功；，系统对外做功；W 0，系统内能增加；，系统内能增加； UQ2C. W1=W2 355.4 态函数焓和定压热容态函数焓和定压热容 等体和等压过程是热力学过程中的两个重要过程。等体和等压过程是热力学过程中的两个重要过程。如图所示等压过程：如图所示等压过程：吸热前：内能吸热前：内能U1，体积，体积V1一、态函数焓一、态函数焓吸热后：内能吸热后：内能U2，体积，体积V2吸热吸热Qp由热力学第一定律：由热力学第一定律：其中其中代入代入热源热源PQ Q36称为称为焓焓。因为是态函数内能。因为是态函数内能U与状态参量与状态参量p，V乘积之乘积之和，所以也为态函数，称为和，所以也为态函数，称为态函数焓态函数焓。在等压过程中，系统吸收的热量等于系统焓的增量。在等压过程中，系统吸收的热量等于系统焓的增量。在等体过程中，由于系统不对外做功，在等体过程中，由于系统不对外做功，由热力学第由热力学第一定律：一定律：函数函数在等体过程中，系统吸收的热量等于系统内能的增量。在等体过程中，系统吸收的热量等于系统内能的增量。371) 热容：若某一过程中物质的温度变化热容：若某一过程中物质的温度变化 T( T0)所吸所吸收的热量为收的热量为 Q，则定义该物质在该过程中的热容为：，则定义该物质在该过程中的热容为：2) 比热容：单位质量的热容称为比热容，简称比热：比热容：单位质量的热容称为比热容，简称比热：3) 摩尔热容：一摩尔物质的热容称为摩尔热容：摩尔热容：一摩尔物质的热容称为摩尔热容：二、定压热容和比热二、定压热容和比热384) 定体热容：若系统经历一个等体过程，由于不对定体热容：若系统经历一个等体过程，由于不对外做功，吸收的热量等于内能的增量，有：外做功，吸收的热量等于内能的增量，有：5) 定压热容：定压热容：若系统经历一个等压过程，吸收的热若系统经历一个等压过程，吸收的热量等于焓的增量，有：量等于焓的增量，有：39在温度区间在温度区间 T中，中，Cp、CV变化不大，有：变化不大，有：6) 定压比热与定体比热：定压比热与定体比热：在固体与液体中，在固体与液体中， 定压比热与定体比热的数值相差较定压比热与定体比热的数值相差较小，气体中相差较大。通常液体、固体的比热指的是小，气体中相差较大。通常液体、固体的比热指的是定压比热。定压比热。40定义：定义：称为称为绝热指数绝热指数或或泊松比泊松比。是物质重要热物理性质之一。是物质重要热物理性质之一。数值可以通过实验测定。数值可以通过实验测定。将在后面介绍绝热过程时指明其物理意义。将在后面介绍绝热过程时指明其物理意义。41理想气体的内能只是温度的单值函数。理想气体的内能只是温度的单值函数。理想气体状态方程：理想气体状态方程：理想气体的焓：理想气体的焓：三、理想气体的热容公式三、理想气体的热容公式对温度求导，由定压热容对温度求导，由定压热容Cp和定体热容和定体热容CV定义：定义：对于对于1mol的理想气体：的理想气体：上式称为上式称为理想气体的热容公式理想气体的热容公式，也叫，也叫迈耶公式迈耶公式。42理想气体的绝热指数：理想气体的绝热指数：单原子分子单原子分子单原子分子单原子分子刚性多原子分子刚性多原子分子刚性多原子分子刚性多原子分子刚性双原子分子刚性双原子分子刚性双原子分子刚性双原子分子非刚性双原子分子非刚性双原子分子非刚性双原子分子非刚性双原子分子表列出了表列出了1atm下下15时的一些气体的实验与理论值。时的一些气体的实验与理论值。435.5 热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用 热力学第一定律对微小准静态过程：热力学第一定律对微小准静态过程：理想气体的内能理想气体的内能U与温度与温度T成正比：成正比：由于内能是态函数，所以上式适用于任何微小过程。由于内能是态函数，所以上式适用于任何微小过程。对一般情况下的任意准静态过程：对一般情况下的任意准静态过程：其中，其中，C是此过程的热容，在等压过程中是此过程的热容，在等压过程中C=Cp，等体，等体过程中过程中C=CV。44一、等值过程一、等值过程V热源热源Q特征：特征：P P V V图：过程曲线图：过程曲线图：过程曲线图：过程曲线pVV0O根据热力学第一定律根据热力学第一定律等体过程中，系统吸收的热量完等体过程中，系统吸收的热量完全用来增加自身的内能：全用来增加自身的内能：理想气体的内能增量：理想气体的内能增量：过程方程：过程方程：1、等体过程、等体过程等温线等温线适用于任何过程适用于任何过程查理定律查理定律452 2、等压过程、等压过程、等压过程、等压过程特征：特征：在状态变化过程中压强保持不变。在状态变化过程中压强保持不变。过程方程过程方程热源热源PQ QP P V V图：图：图：图：等压线等压线等压线等压线pVV1V2pO根据热力学第一定律根据热力学第一定律比较得：比较得：迈耶公式迈耶公式普适公式普适公式盖盖吕萨克定律吕萨克定律 463 3、等温过程、等温过程、等温过程、等温过程特征：特征：在状态变化过程中温度保持不变在状态变化过程中温度保持不变.T = C，dU =0系统吸热全部用作对外做功：系统吸热全部用作对外做功：P P V V图：等温线图：等温线图：等温线图：等温线pV1V2VO过程曲线（双曲线）过程曲线（双曲线）根据热力学第一定律根据热力学第一定律过程方程过程方程玻意耳马略特定律玻意耳马略特定律热源热源TQ QT T47例例 : 将将500J的热量传给标准状态下的的热量传给标准状态下的2mol氢。氢。 (1) V不变，热量变为什么？氢的温度为多少？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？氢的不变，热量变为什么？氢的p、V各为多少？各为多少？ (3) p不变，热量变为什么？氢的不变，热量变为什么？氢的T、V各为多少？各为多少？解：解： (1) V不变，不变， Q = U 热量转变为内能热量转变为内能48(3) p不变，不变， Q = W+ U 热量转变为功热量转变为功和内能和内能(2) T不变不变， Q = W 热量转变为功热量转变为功49例例: 质量为质量为2.8 10-3kg、压强为、压强为1.013105Pa、温度为、温度为27的氮的氮气气, 先在体积不变的情况下使其压强增至先在体积不变的情况下使其压强增至3.039105Pa, 再经等温再经等温膨胀使压强降至膨胀使压强降至1.013105Pa , 然后又在等压过程中将体积压缩然后又在等压过程中将体积压缩一半一半.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，并画出热量，并画出p-V图图.解：解：已知已知M = 2.8 103kgp1=1.013105PaT1=273+27=300(K)根据理想气体状态方程得根据理想气体状态方程得V/V/mm3 3p p/( /(1.013101.013105 5PaPa) )O OV V3 3V V4 41 13 32 2V V1 150又又 p2 =3.039105PaV2=V1根据理想气体状态方程得根据理想气体状态方程得:又又则则V/m3p/(1.013105Pa)OV3V4132V1又又则则51等体过程：等体过程：等温过程：等温过程：等压过程：等压过程：从而整个过程中：从而整个过程中：V/m3p/(1.013105Pa)OV3V4132V152二、绝热过程二、绝热过程特点：在状态变化过程中系统和外界没有热量的交换特点：在状态变化过程中系统和外界没有热量的交换绝热过程的热力学第一定律绝热过程的热力学第一定律:绝热过程内能增量：绝热过程内能增量：绝热过程的功：绝热过程的功：绝热过程方程和绝热过程曲线？绝热过程方程和绝热过程曲线？53准静态绝热过程方程的推导准静态绝热过程方程的推导1：根据理想气体状态方程根据理想气体状态方程两边微分：两边微分：两边积分得：两边积分得：准静态绝热过程方程（准静态绝热过程方程（泊松方程泊松方程）绝热指数绝热指数绝热指数绝热指数泊松比泊松比泊松比泊松比54消去消去p：消去消去V：V1V2pVO绝热线绝热线绝热方程：绝热方程：55准静态绝热过程方程的推导准静态绝热过程方程的推导2：热力学第一定律热力学第一定律:理想气体状态方程和热容公式：理想气体状态方程和热容公式：56说明：说明：1 1、与前面的三个过程比较，绝热过程中、与前面的三个过程比较，绝热过程中、与前面的三个过程比较，绝热过程中、与前面的三个过程比较，绝热过程中p p、V V、T T都都都都是变化的，其根本特征和条件是过程中系统与外是变化的，其根本特征和条件是过程中系统与外是变化的，其根本特征和条件是过程中系统与外是变化的，其根本特征和条件是过程中系统与外界之间没有热量交换。界之间没有热量交换。界之间没有热量交换。界之间没有热量交换。2 2、变化过程中的每一个状态仍都满足理想气体状态、变化过程中的每一个状态仍都满足理想气体状态、变化过程中的每一个状态仍都满足理想气体状态、变化过程中的每一个状态仍都满足理想气体状态方程。方程。方程。方程。3 3、过程方程只适用于准静态绝热过程、过程方程只适用于准静态绝热过程、过程方程只适用于准静态绝热过程、过程方程只适用于准静态绝热过程在推导绝热过程方程时已假设了过程是准静态的，否则在推导绝热过程方程时已假设了过程是准静态的，否则在推导绝热过程方程时已假设了过程是准静态的，否则在推导绝热过程方程时已假设了过程是准静态的，否则元功不能写成元功不能写成元功不能写成元功不能写成 p pd dV V，也不能运用理想气体状态方程并对，也不能运用理想气体状态方程并对，也不能运用理想气体状态方程并对，也不能运用理想气体状态方程并对p p、V V求微分。因此，绝热过程方程只适用于准静态的绝热过程，求微分。因此，绝热过程方程只适用于准静态的绝热过程，求微分。因此，绝热过程方程只适用于准静态的绝热过程，求微分。因此，绝热过程方程只适用于准静态的绝热过程，对非静态绝热过程不适用。对非静态绝热过程不适用。对非静态绝热过程不适用。对非静态绝热过程不适用。57例如：绝热自由膨胀过程（非静态绝热过程）例如：绝热自由膨胀过程（非静态绝热过程）绝热自由膨胀绝热自由膨胀p0V0p(2V0)按绝热过程方程按绝热过程方程按理想气体状态方程按理想气体状态方程584、绝热线和等温线的比较：、绝热线和等温线的比较：设等温线和绝热线在设等温线和绝热线在A点相交点相交注意注意: 绝热线上各点温度不同绝热线上各点温度不同比较点等温线与绝热线斜率比较点等温线与绝热线斜率 结果：结果：理想气体绝热线比等温线理想气体绝热线比等温线“更陡更陡”（1）从）从A点经等温膨胀过程点经等温膨胀过程物理方法：气体膨胀过程物理方法：气体膨胀过程 （2）从）从A点经绝热膨胀过程点经绝热膨胀过程 且因绝热对外做功内能减小且因绝热对外做功内能减小 pVA(p1,V1,T1)绝热绝热等温等温p1V159数学方法：数学方法：绝热方程：绝热方程：等温方程：等温方程：pVA(p1,V1,T1)绝热绝热等温等温p1V1因为因为理想气体绝热线比理想气体绝热线比等温线等温线“更陡更陡”。605、准静态绝热过程的功：、准静态绝热过程的功：利用绝热方程直接由功的公式求准静态绝热过程的功利用绝热方程直接由功的公式求准静态绝热过程的功绝热过程绝热过程绝热过程的功：绝热过程的功：61理想气体摩尔热容为常数的准静态过程称为多方过程理想气体摩尔热容为常数的准静态过程称为多方过程根据理想气体状态方程根据理想气体状态方程两边微分：两边微分：两边积分得：两边积分得：准静态多方过程方程准静态多方过程方程多方指数多方指数多方指数多方指数三、多方过程三、多方过程62说明说明说明说明显然，显然，多方过程方程：多方过程方程：1、多方过程与其他已知过程的关系、多方过程与其他已知过程的关系多方过程指的是一类过程，过程数量有无数多个。多方过程指的是一类过程，过程数量有无数多个。63变换得变换得 2、多方指数与摩尔热容、多方指数与摩尔热容3、多方指数的功、多方指数的功绝热过程中功的公式都适用绝热过程中功的公式都适用 64当当 4、负热容现象、负热容现象恒星演变过程：超新星爆发，白矮星、中子星和黑洞的形成。恒星演变过程：超新星爆发，白矮星、中子星和黑洞的形成。此时，气体对外所做的功大于系统吸收的热量，一部分功此时，气体对外所做的功大于系统吸收的热量，一部分功是靠减少内能实现的，所以虽然系统吸收了热量，但温度却降是靠减少内能实现的，所以虽然系统吸收了热量，但温度却降低了，得到负热容。低了，得到负热容。 时，时， 或者，外界对气体所做的功大于系统放出的热量，一部分或者，外界对气体所做的功大于系统放出的热量，一部分功转化为热量放出，另一部分功增加内能，所以虽然系统放出功转化为热量放出，另一部分功增加内能，所以虽然系统放出热量，但温度却提高了，得到负热容。热量，但温度却提高了，得到负热容。 陨石下落过程：陨石下落过程：65例例: 有有810-3kg氧气氧气,体积为体积为0.4110-3m3 ,温度为温度为27.如氧气作如氧气作绝热膨胀绝热膨胀,膨胀后的体积为膨胀后的体积为4.110-3m3 ,问气体作多少功？如作问气体作多少功？如作等温膨胀等温膨胀,膨胀后的体积也为膨胀后的体积也为4.110-3m3 ,问气体作多少功？问气体作多少功？解：解：已知已知m=810-3kgV1=0.4110-3m3T1=273+27=300(K)i=5M=3210-3kg/molV2=4.110-3m31）绝热膨胀绝热膨胀由绝热方程由绝热方程2）等温膨胀）等温膨胀66热力学基本计算公式热力学基本计算公式67热力学过程中吸放热的判断热力学过程中吸放热的判断685.6 焦耳焦耳-汤姆孙效应汤姆孙效应 理想气体内能仅仅是温度的函理想气体内能仅仅是温度的函数，与气体的体积无关，而实际数，与气体的体积无关，而实际气体的内能既与温度有关，也与气体的内能既与温度有关，也与体积有关。体积有关。1、实验装置、实验装置在绝热性能良好的管道中装置一个由多孔物质制成的多孔塞。多孔塞在绝热性能良好的管道中装置一个由多孔物质制成的多孔塞。多孔塞对气体有较大的阻滞作用，使气体不容易很快通过，从而能够在两边维持对气体有较大的阻滞作用，使气体不容易很快通过，从而能够在两边维持一定的压强差。实验时使气体不断地从高压一边经多孔塞流向低压一边，一定的压强差。实验时使气体不断地从高压一边经多孔塞流向低压一边，并使气体保持稳定流动状态，即保持两边的压强分别为并使气体保持稳定流动状态，即保持两边的压强分别为p1，p2，用温度计，用温度计T1，T2测定两边气体稳定情况下的温度及其温差。测定两边气体稳定情况下的温度及其温差。一、焦耳一、焦耳一、焦耳一、焦耳- -汤姆孙实验汤姆孙实验汤姆孙实验汤姆孙实验695.6 焦耳焦耳-汤姆孙效应汤姆孙效应 理想气体内能仅仅是温度的函理想气体内能仅仅是温度的函数，与气体的体积无关，而实际数，与气体的体积无关，而实际气体的内能既与温度有关，也与气体的内能既与温度有关，也与体积有关。体积有关。1、实验装置、实验装置在绝热性能良好的管道中装置一个由多孔物质制成的多孔塞。多孔塞在绝热性能良好的管道中装置一个由多孔物质制成的多孔塞。多孔塞对气体有较大的阻滞作用，使气体不容易很快通过，从而能够在两边维持对气体有较大的阻滞作用，使气体不容易很快通过，从而能够在两边维持一定的压强差。实验时使气体不断地从高压一边经多孔塞流向低压一边，一定的压强差。实验时使气体不断地从高压一边经多孔塞流向低压一边，并使气体保持稳定流动状态，即保持两边的压强分别为并使气体保持稳定流动状态，即保持两边的压强分别为p1，p2，用温度计，用温度计T1，T2测定两边气体稳定情况下的温度及其温差。测定两边气体稳定情况下的温度及其温差。一、焦耳一、焦耳一、焦耳一、焦耳- -汤姆孙实验汤姆孙实验汤姆孙实验汤姆孙实验70在绝热条件下高压气体经过多孔塞流到在绝热条件下高压气体经过多孔塞流到低压一边的过程称为低压一边的过程称为节流过程节流过程。对于一个绝。对于一个绝热的膨胀过程，一般总有热的膨胀过程，一般总有V2V1，p1p2。2、实验结果、实验结果在室温，大多数的气体通过多孔塞后温在室温，大多数的气体通过多孔塞后温度降低，氢和氦在通过多孔塞后温度升高。度降低，氢和氦在通过多孔塞后温度升高。气体在一定压强下经过绝热节流膨胀过程而发生温度变化气体在一定压强下经过绝热节流膨胀过程而发生温度变化的现象，称为的现象，称为焦耳汤姆孙效应焦耳汤姆孙效应。若气体温度降低，即。若气体温度降低，即 T0，叫，叫负焦耳汤姆孙效应负焦耳汤姆孙效应致温效应致温效应。节流致冷效应可用来使气体降温和液化，是目前低温过程节流致冷效应可用来使气体降温和液化，是目前低温过程中的重要手段之一。中的重要手段之一。71对同一种非理想气体而言，焦耳汤姆孙效应可以是正对同一种非理想气体而言，焦耳汤姆孙效应可以是正的，也可以是负的，具体结果由气体的温度和压强决定。的，也可以是负的，具体结果由气体的温度和压强决定。在一定的压强和温度下，如果气体经过节流膨胀过程后温在一定的压强和温度下，如果气体经过节流膨胀过程后温度不变，称为度不变，称为零焦耳汤姆孙效应零焦耳汤姆孙效应。发生零焦耳汤姆孙效应。发生零焦耳汤姆孙效应时的温度称为时的温度称为转换温度转换温度。注意：这个零效应只是在特注意：这个零效应只是在特定的温度和压强下才发生的，和定的温度和压强下才发生的，和理想气体经节流膨胀永远发生零理想气体经节流膨胀永远发生零效应有本质的区别。效应有本质的区别。将发生零焦耳汤姆孙效应将发生零焦耳汤姆孙效应时的温度和压强记录，即可得到时的温度和压强记录，即可得到一条一条转换曲线转换曲线。72曲线上点表示在一定压强下的转换曲线上点表示在一定压强下的转换温度。气体在曲线上每一点所对应的状温度。气体在曲线上每一点所对应的状态下进行微小的节流膨胀后温度将不改态下进行微小的节流膨胀后温度将不改变。可以看出，在压强小于某一极大值变。可以看出，在压强小于某一极大值时，对应每一压强有两个转换温度，在时，对应每一压强有两个转换温度，在两个温度之间是致冷区，以外是致温区。两个温度之间是致冷区，以外是致温区。想得到正焦耳汤姆孙效应，则必须使想得到正焦耳汤姆孙效应，则必须使压强和温度在致冷区。压强和温度在致冷区。转换温度在致冷和液化技术上具有重要的意义。通常给出转换温度在致冷和液化技术上具有重要的意义。通常给出的某种物质在一点压强下的转换温度的数值，是指较高的温度的某种物质在一点压强下的转换温度的数值，是指较高的温度数值即图中曲线与纵坐标轴交点数值即图中曲线与纵坐标轴交点A的温度。的温度。其意义是：当温度其意义是：当温度处于这个温度以上时，无论初态压强为何值进行节流膨胀均不处于这个温度以上时，无论初态压强为何值进行节流膨胀均不会发生正效应。会发生正效应。 73曲线上点表示在一定压强下的转换曲线上点表示在一定压强下的转换温度。气体在曲线上每一点所对应的状温度。气体在曲线上每一点所对应的状态下进行微小的节流膨胀后温度将不改态下进行微小的节流膨胀后温度将不改变。可以看出，在压强小于某一极大值变。可以看出，在压强小于某一极大值时，对应每一压强有两个转换温度，在时，对应每一压强有两个转换温度，在两个温度之间是致冷区，以外是致温区。两个温度之间是致冷区，以外是致温区。想得到正焦耳汤姆孙效应，则必须使想得到正焦耳汤姆孙效应，则必须使压强和温度在致冷区。压强和温度在致冷区。转换温度在致冷和液化技术上具有重要的意义。通常给出转换温度在致冷和液化技术上具有重要的意义。通常给出的某种物质在一点压强下的转换温度的数值，是指较高的温度的某种物质在一点压强下的转换温度的数值，是指较高的温度数值即图中曲线与纵坐标轴交点数值即图中曲线与纵坐标轴交点A的温度。的温度。其意义是：当温度其意义是：当温度处于这个温度以上时，无论初态压强为何值进行节流膨胀均不处于这个温度以上时，无论初态压强为何值进行节流膨胀均不会发生正效应。会发生正效应。 74曲线上点表示在一定压强下的转换曲线上点表示在一定压强下的转换温度。气体在曲线上每一点所对应的状温度。气体在曲线上每一点所对应的状态下进行微小的节流膨胀后温度将不改态下进行微小的节流膨胀后温度将不改变。可以看出，在压强小于某一极大值变。可以看出，在压强小于某一极大值时，对应每一压强有两个转换温度，在时，对应每一压强有两个转换温度，在两个温度之间是致冷区，以外是致温区。两个温度之间是致冷区，以外是致温区。想得到正焦耳汤姆孙效应，则必须使想得到正焦耳汤姆孙效应，则必须使压强和温度在致冷区。压强和温度在致冷区。转换温度在致冷和液化技术上具有重要的意义。通常给出转换温度在致冷和液化技术上具有重要的意义。通常给出的某种物质在一点压强下的转换温度的数值，是指较高的温度的某种物质在一点压强下的转换温度的数值，是指较高的温度数值即图中曲线与纵坐标轴交点数值即图中曲线与纵坐标轴交点A的温度。的温度。其意义是：当温度其意义是：当温度处于这个温度以上时，无论初态压强为何值进行节流膨胀均不处于这个温度以上时，无论初态压强为何值进行节流膨胀均不会发生正效应。会发生正效应。 75第五章作业第五章作业一、一、5.2、5.4二、二、5.7、5.8、5.9、5.15三、三、5.16、5.20、5.2176