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,1,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,2,准静态过程: 在过程中每
2、一时刻，系统都处于平衡态，这是一种理想过程。,3,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,4,5,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,绝热
3、过程：系统在被绝热壁与外界隔绝的情况下与外界发生相互作用的过程。,7,2-2 功,一 功是力学相互作用下的能量转移力学相互作用：将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响。在力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量就是功。热力学认为力是一种广义力，所以功也是广义功1）只有在系统状态变化过程中才有能量转移2）只有在广义力（如体积变化、电量迁移等）后才作了功。3）非准静态过程的功很难计算4）功也有正负之分,8,9,气体无摩擦准静态膨胀的功:,气体对外界做的功：,10,例 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？,11,等温膨胀 ，做正功；,等温压缩 ，做负功。,功不仅与
4、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。,12,周二 课间休息,13,2-2 功(续):其它形式的功(*),14,2、表面张力功,是表面张力系数,3、可逆电池所作的功,15,4、功的一般表达式,x是 广义坐标，它是广延量，广延量的特征是：若系统在相同情况下质量扩大一倍，则广延量也扩大一倍。,Y是广义力，它是强度量，强度量的特征是：当系统在相同情况下质量扩大一倍时，强度量不变。,16,例题 我们若将心脏输运血液过程视为准静态过程，可以计算出人心脏的功率和一天做功所需要的热量. 人的心脏大约每分钟跳动60次，每次输运血液约为80ml，人血压的平均值约为1.6x104Pa.,A
5、 = PV = 1.28 (J) P功率= 1.28 (W)若维持人心脏正常工作（输运血液）每天需要Q1.1x106 J,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,18,19,“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,20,过程中保持不变的能量不必计入内能,温度不太
6、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,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,21,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,22,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
7、量 Q为：,传热与过程有关，热量也是一个过程量。,23,“A law is more impressive the greater the simplicity of its premises, the more different are the kinds of things it relates, and the more extended its range of applicability. (.) It is the only physical theory of universal content, which I am convinced, that within the fr
8、amework of applicability of its basic concepts will never be overthrown.”- AlbertEinstein,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-U1 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：,48,49,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
9、得：,50,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,51,3、准静态绝热过程理想气体对外做的功,52,53,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。,54,2. 多方过程理想气体对外做的功：,证明：对状态方程和过程
10、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：,55,理想气体在各种过程中的重要公式,56,See u next week!,57,International Womens Day“三八”国际劳动妇女节03-08-2011,58,http:/122.205.6.127/bbs/,本课程网址,有个课程板块课程板块中有个热学板块（课件，资料)可以注册帐号发文，也可以不注册帐号发文提问，讨论，交流。, 绝热自由膨胀过程 A=0、Q=0，U =0 U = U（T，V）, Joule和Gay-Lussac实验,现象：温度计示数没有变化结论：内能与体积无关？,V0，若T=0？则内能与体积无
11、关,Joule实验,例2-5 气体声速公式,60,1.牛顿最早导出了声速公式（等温过程）2.拉普拉斯改进声速公式（绝热过程)3.测定普适气体常数R (用声学干涉法重新确定的R Phys. Rev. Lett. 60, 249252 (1988),8.314472(15) Jmol-1K-1 http:/physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?r,61,Phys. Rev. Lett. 60, 249252 (1988),62,例 2-5(见课本82页),在声频范围内，气体在声波中的压缩和膨胀过程实际上是绝热过程。试证在此情况下，理想气体中的声速由下式给定:,63,
12、已知在声学中已知声速,例题：若气体是理想气体，其定压和定体热容是常量，证明气体单位质量的内能u可以用声速c以及比热容比表示为,64,解： 理想气体中传播的声速是T的函数，而内能也是T的函数，联立消去T,判断理想气体任意准静态过程吸热、放热的方法及其计算,如果过程的方向是由C值小的绝热线的一侧到C值大的绝热线的一侧，侧此过程吸热；反之，放热；如果过程曲线和绝热线间存在相切点，则此点即过程吸热、放热的转换点。,65,66,周二 课间休息,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：,67,68,如果循环的各阶段均为
13、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。,69,三 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,70,71,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、
14、放热仅在AB、CD,72,AD、BC是绝热过程,73,周四 再见,74,更正,教程111页 2.7 “每单位质量的内能”“每单位体积的内能”2.14 题目: 空气的 =1.4,75,2-8 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,76,四冲程汽油内燃机,四冲程汽油内燃机采用奥托循环(Otto),77,汽油机效率计算,1-2 , 3-4 是绝热过程，由泊松公式,top dead centre(TDC),78,由泊松公式化简,79,Otto 循环效率与压缩比,比热比的关系,80,2. 定压加热循环-狄塞尔(Diesel)
15、循环,81,(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),82,柴油机效率计算,83,1-2 , 3-4 是绝热过程由泊松公式,84,Diesel 循环效率与压缩比,定压膨胀比的关系,Diesel 循环效率,85,86,周四 课间休息,87,家用电冰箱工作原理图,二 电冰箱和空调机,88,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
16、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.,89,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。,90,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。,91,第二章复习题,2.2 2.7 2.9 2.132.14 2.20 2.23 2.29,
