1、联系 QQ1165557537第二节 热力学基础热力学研究的对象是热力学系统,即由大量分子组成的集体(含气体、液体、固体,但不考虑微观结构)。本节的研究对象主要是理想气体。热力学的研究方法是在实验的基础上,从能量观点分析研究在状态变化过程中有关热、功转换的关系和条件。热力学的核心是热力学第一定律和第二定律。热力学第一定律是本节的重点内容,它说明热、功转换时的数量关系,实质上是一条包括机械运动和热运动在内的能量守恒和转换定律。它说明在任何热、功转换过程中,能量必须守恒。但是,在自然界中并非所有能量守恒的过程都能实现。阐明哪些过程能实现,哪些过程不能实现的理论就是热力学第二定律,它主要讨论热、功之
2、间转换的方向和条件。本节首先讨论内能变化的两种度量一一热量和功,指出其等效的一面。然后,着重研究热力学第一定律及其在理想气体各等值过程(等容、等压、等温)和绝热过程以及循环过程中的应用。最后,通过热机效率的研究引述热力学第二定律。由于热力学的发展是和热机的发展和应用紧密相关的,所以,在这里讨论热力学理论时也总是与热机联系在一起。一、基本内容（一）功、热量、内能1、内能和内能变化内能：热力学系统在一定的状态下具有的与热现象相关的那部分能量（不包括宏观的机械能） ，称为热力学系统的内能，用 E 表示。理想气体的内能： RTiMm2内能是状态量，只是系统状态的单值函数。实验证明：内能的改变量只决定于
3、系统的初、末状态，与系统经历的过程无关。理想气体的内能只是温度的单值函数，当系统从状态温度 T1变化到状态温度 T2时，其内能的增量为（2-2-1）)(211TRiMmE2、功和热量作功和热传递都可以引起系统的状态的变化，且功热可转换，1 卡（cal）=4.186 焦耳（J） ，在国际单位制中热量和功均用焦耳作单位。热量和功都是过程量，是系统内能变化的量度。功和热量的区别：作功是通过物体的宏观位移（有序运动）完成，而传递热量是通过分子杂乱无章的运动和碰撞实现的；功可以全部转化为热量，但热不能通过一个循环全部变为功。（二）热力学第一定律1、热力学第一定律数学表达式（1）对有限过程（2-2-2）A
4、EQ)(12式中 Q 为系统吸收的热量；（E 2-E1）为系统从平衡态 III 的内能增量；A 为系统对外界所做的功。（2）对微小变化过程dQ=dE+dA（2-2-3）注意：1）以上两式对气体、液体、固体均适用。本节主要研究对理想气体的应用。2）使用上述公式时，各量的单位要统一，国际单位制中，三个量的单位都是焦耳（J） 。3）各量符号的规定：系统对外作功，A 为正值；外界对系统作功，A 为负值；系统内能增加 为正值，反之为负值；E2、平衡过程中功、内能增量、热量的计算（1）内能增量的计算理想气体内能增量 TRiMmE212（2）气体压力所做的功（2-2-4）21VpdA平衡过程在 P-V 图上
5、可用一条曲线（或直线）表示，称为过程曲线。功 A 的量值等于过程曲线下所包围的面积。如图 2-1-1 所示。图 2-1-1显然，功不仅与始末状态有关，还与过程有关，是过程量。（3）热量的计算由热力学第一定律，对有限过程有（2-2-5）21)(2VpdEQ可见，热量也是过程量。（三）热力学第一定律对理想气体等值过程和绝热过程中的应用1.等容过程与定容摩尔热容量特征： V=const.dV=0参量关系： 常量Tp等容过程的功：A=0热力学第一定律形式：微小过程 dEQV)(有限过程： TRiMm212或 TCV)(式中 Cv称为定容摩尔热容量，即ab12PV（2-2-6）RidTiQCV2)(由热
6、力学第一定律可知等容过程吸热全部转换为系统内能的增量。2.等压过程与定压摩尔热容量特点： P=const， dp=0参量关系： 常量TV等压过程的功： )()( 121221 TRMmVpdAV 热力学第一定律形式： 21VpdEQ其中 )(12TCMm则得 TCMmRpVp )(12式中 Cp称为定压摩尔热容量，且（2-2-7）dTQVP)(引入 （2-2-8）2iV称为比热容比。3.等温过程特点： T=const.dT=0 dE=0参量关系：PV=常量等温过程的功： 12ln2121 VRTMmVdRTpdVA热力学第一定律形式： 212llnPAEQT由热力学第一定律可知等温过程系统吸热
7、全部用来对外做功。4.绝热过程特征：dQ=0参量关系：由理想气体状态方程和热力学第一定律可以导出：（2-2-9）3Tp2V11恒 量恒 量恒 量热力学第一定律形式： 21EA0Vpd.绝热过程中的功： )T(CMm2或者由 ，则有)C(恒 量pV21dA可得：（2-2-10）21Vp（四）循环过程和卡诺循环循环过程是系统(如热机中的工质)经一系列变化后又回到初态的整个过程叫循环过程。循环过程在 P-V 图上是一条封闭曲线。正循环是顺时针绕向的封闭曲线，即不断的把热转变成功的过程。逆循环为逆时针绕向的封闭曲线，即外界对系统作功不断将热量从低温热源传向高温热源的过程。（1）特征：始末状态相同。 0
8、E热力学第一定律形式：Q 净 =A 净Q 净 表示循环过程中净吸收的热量，即Q 净 =Q=总吸热-总放热A 净 表示循环过程中各分过程对外作功的代数和。在 P-V 图上，其值等于循环曲线所围面积。（2）热机：属于正循环。（3）热机效率：（2-2-11）121QA净净式中 Q1为循环过程中吸收热量的总合；Q 2为循环过程中放出热量的总合（取绝对值） 。（4）制冷机：属逆循环外界对系统作的功 A 与系统从低温热源吸收的热量 Q2之和等于系统向高温热源放出的热量 Q1。制冷系数2-2-12）212Aw2.卡诺循环是介质只和两个恒温热库交换热量的准静态、无摩擦的循环，是一个理想循环，由两个绝热过程和两个等温过程组成。卡诺热机循环的效率T1表示高温热源温度，T 2表示低温热源温度。21cT
