文档介绍：第七部分热力学基础
§7-1 热力学第一定律
【基本内容】
一、热力学系统与热力学过程
热力学系统分类:
孤立系统:与外界没有任何相互作用的系统。
封闭系统:与外界没有物质交换,但有能量交换的系统。
开放系统:与外界即有物质交换又有能量交换的系统。
准静态过程(平衡过程):在热力学过程中的所有中间状态都无限接近于平衡态的过程。实际过程中,进行得无限缓慢的过程,可视为准静态过程;反之,若过程进行较快,则视为非准静态过程。
二、热量、内能、功
1、热能和热量
热能:是系统内分子无规则运动的总动能,是状态量。
热量Q:是热能的改变量,是过程量。
规定:Q>0表示系统从外界吸收热量。Q‹0表示系统向外界放出热量。
3、功
功是过程量,在P—V图下的意义:P—V图中,相应过程曲线下的面积。
4、系统状态变化的原因
作功:是通过物体的宏观位移完成的,宏观有序能量→微观无序能量。
传热:是通过分子之间的相互完成的,微观无序能量→微观无序能量。
三、热力学第一定律
表述一、系统从外吸收的热量等于系统内能的增量与系统对外作功之和。
表述二、第一类永动机是不可能制成的。
第一类永动机是不消耗任何形式的能量(Q=0),而能循环地(ΔE=0)对外作功(W>0)的机器。
四、热容量
1、热容量
热容量C/的定义:一个系统所吸收的热量与温升的比值,称为该系统的热容量。
单位:J/K
(1)比热:若系统的质量为单位质量,则称系统的热量为比热容,简称比热。
单位:J/,显然:
(2)摩尔热容量:若系统的质量为一摩尔,则称系统的热量为摩尔热容量 。
单位:J/,显然:
2、理想气体的定容、定压摩尔热容
(1)定容摩尔热容量
定义:,对理想气体:
(2)定压摩尔热量
定义:,对理想气体:
(3)比热比:
3、几个重要公式:
五、理想气体在各种过程中所作的功
热力学第一定律在理想气体等值过程中的应用
(1)等容过程
(a),P—V图:平行于P轴的直线:
(2)等压过程
(b), P—V图:平行于V轴的直线。
(3)等温过程
(c),P—V图:双曲线。
2、绝热过程
绝热过程:是系统与外界无热能交换的过程。
(1)准静态绝热过程
过程方程:
P—V图:形状与等温线相似。但比等温线陡。
(2)绝热自由膨胀过程
绝热自由膨胀过程是非准静态过程。
结论:理想气体向真空绝热自由膨胀后,温度和内能不变,压强降低。
六、循环过程
1、循环过程
(1)循环
一个系统经历一系列变化后,又回到初始状态的整个过程,叫循环过程。一个循环由多个过程组成,组成循的各个过程叫分过程。循环的物质系统叫工作物质,简称工质。
(2)循环的特点
工质可以作功、传热、完成一个循环后内能不变。
正循环及其效率
(1)正循环:在P—V图中,沿顺时针方向进行的循环,系统对外作正功。
(2)正循环的效率
W:表示循环过程中,系统对外所作的净功;Q1:表示循环过程中,系统所吸收的热量;Q2:表示循环过程中,系统所放出的热量。
逆循环及其致冷系数
(1)逆循环:在P—V图中,循过程沿逆时针方向进行,系统对外作负功。
(2)致冷系数:
卡诺循环
(1)卡诺循环的组成
卡诺循环是由两个绝热过程和两个等温过程组成的循环。卡诺循环中,工质从高温热源吸收热量Q1,对外作净功W,向低温热源放出热量Q2。
(2)卡诺循环的效率
结论:以理想气体为工作物质的卡诺循环的效率,只由热库的温度决定。
【典型例题】
热力学第一定律的应用,关键是内能、功和热量的计算。计算步骤为:(1)由准静态过程中功的公式求功,(2)由内能公式求内能,其由系统始末状态的温度决定,(3)由热力学第一定律求热量。
对等温、等压过程,内能和热量的计算可直接应用公式:
气体作功的三种计算方法:
(1)气体压力作功的公式
是计算气体压力作功的一般方法。由于气体作的功是与具体过程有关即功是过程量,因此用此式求功W时,必须先由给定的具体过程的过程方程P=P(V)求出,再积分求出W。
(2)热力学第一定律Q=ΔE+W,若已知Q和ΔE,则可由求出功W。
(3)由于P——V图中的任一点表示一个平衡态,P——V图中的任一条曲线表示一个准静态过程,因此功W有时也可由P——V图上过程曲线下的面积而得到(过程曲线为直线时常用此法。)
【例7-1】若一定量的理想气体,按的规律变化,a为常数,求:
气体从体积V1膨胀到V2所作的功;
体积为V1时的温T1与体积为V2时的温度T2之比。
【解】(1)
(2)由得
由得
所以,
【例7-2】一定量的