1、第三章，熱力學(xué)第一定律，講座：左武奎，第三章，熱力學(xué)第一定律，3.4理想氣體的絕熱過(guò)程，3.1準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的內(nèi)能功，3.3熱容，3.2熱力學(xué)第一定律，3.7零和熱力學(xué)第三定律，3.5循環(huán)過(guò)程的制冷循環(huán)，3.6卡諾循環(huán)，1。特征： Q=0(氣體與外界沒(méi)有熱交換)，絕熱材料，氣體，在絕熱過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功(外界對(duì)氣體做功)，3.4理想氣體的絕熱過(guò)程，(1)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程；(2)氣體對(duì)外界所做的功與內(nèi)能之間的關(guān)系，物理意義為：證明為：=0，因此內(nèi)能減少(內(nèi)能增加)，但熱量不變。內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)氣體的壓縮和膨脹。E=E2 E1=-A，兩邊的微分給出：(2)，3。氣體狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，1。準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程

2、，(1)，所以有，證明：證明：和，(2)，Cpm /CVm，泊松方程1。準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程；3.氣體狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。(1)通過(guò)從式(1)和式(2)中消除d-T而獲得。因?yàn)镃pm=CVm R，有兩個(gè)原因。因此，pdV Vdp=0，兩側(cè)集成，Lnp lnV=C。泊松方程，4。絕熱過(guò)程方程，1。準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程，絕熱過(guò)程方程，描述：(1)上述三個(gè)方程稱(chēng)為絕熱過(guò)程方程。描述絕熱過(guò)程中氣體參數(shù)之間的關(guān)系。(2)上述三個(gè)方程中的常數(shù)是不同的。(3)常數(shù)與氣體的質(zhì)量和初始狀態(tài)有關(guān)。表示比熱比。1.準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程。將理想氣體的絕熱過(guò)程曲線(xiàn)與等溫曲線(xiàn)相比較，絕熱線(xiàn)比等溫線(xiàn)陡。絕熱線(xiàn)比等溫線(xiàn)更陡。從分子動(dòng)力學(xué)理論的

3、觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)氣體從狀態(tài)a壓縮時(shí)，絕熱壓縮時(shí)，體積V n P增加，PT增加，等溫壓縮時(shí)，體積V n增加，但P不變；外界確實(shí)對(duì)氣體和氣體分子起作用，所以絕緣線(xiàn)更陡。PQ，Solution :示例3.4 (P120)，具有一定質(zhì)量的理想氣體從初始狀態(tài)(P1，V1)開(kāi)始，經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程，其體積膨脹到V2，從而計(jì)算氣體在該過(guò)程中的外部功。假設(shè)這種氣體的比熱比為。根據(jù)泊松方程，如果氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱膨脹過(guò)程中的任意時(shí)刻的參數(shù)為P，V，絕熱自由膨脹不是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，也不滿(mǎn)足絕熱過(guò)程方程。Q=0，A=0，E=0，特征：絕緣封閉容器，由絕緣隔板分成兩個(gè)相等的部分。左半部分充滿(mǎn)理想氣體，處于平衡狀態(tài)；右半部分被抽真

4、空。2。絕熱自由膨脹，氣體、1。在理想氣體的絕熱自由膨脹過(guò)程中，當(dāng)隔板被去掉時(shí)，左半部分的氣體將沖入右半部分，達(dá)到新的平衡。這個(gè)過(guò)程叫做絕熱自由膨脹。因?yàn)樗墙^熱過(guò)程，所以Q=0。所以當(dāng)左邊的氣體(理想氣體)沖進(jìn)右邊的真空時(shí)，=0。因?yàn)镼=0，A=0，Q=E2-E1，E=E2-E1=0。因?yàn)槔硐霘怏w的內(nèi)能只包含分子的平均動(dòng)能，而分子之間沒(méi)有作用力，絕熱自由膨脹不是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，它不滿(mǎn)足絕對(duì)真空，即p0V0=pV，并且因?yàn)閂=2V0，p=p0/2。絕熱自由膨脹。理想氣體絕熱自由膨脹前后的壓力關(guān)系，p:除去隔膜后氣體達(dá)到新平衡狀態(tài)時(shí)的壓力。在公式中，證明了：熱過(guò)程方程；然而，本主題中的前兩個(gè)和后

5、兩個(gè)狀態(tài)是平衡狀態(tài)，因此滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程?？諝猓諝?，真空，絕熱自由膨脹)，3真實(shí)氣體，空氣的絕熱自由膨脹，因?yàn)槔硐霘怏w的內(nèi)能只包含分子的平均動(dòng)能，而分子之間沒(méi)有作用力，所以當(dāng)左邊的氣體(理想氣體)沖進(jìn)右邊的真空時(shí)，A=0，但實(shí)際氣體的分子之間總是有相互作用力，而內(nèi)能也包含分子間作用力。如果分子間力在絕熱自由膨脹過(guò)程中主要是排斥和(吸引)。絕熱自由膨脹后，由于排斥(吸引)的正(負(fù))功，分子間勢(shì)能將減少(增加)，而恒定的內(nèi)能意味著動(dòng)能將增加(減少)，因此氣體溫度將增加(減少)。而E=0。也就是說(shuō)，理想氣體的溫度在絕熱自由膨脹期間是恒定的。3。節(jié)流過(guò)程(Joule Thomson effect

6、)，p2，p1，多孔塞，當(dāng)理想氣體從高壓區(qū)(p1)膨脹到低壓區(qū)(p2)時(shí)，當(dāng)左活塞緩慢向前推動(dòng)時(shí)，氣體通過(guò)多孔塞流入右區(qū)域，右活塞緩慢向右移動(dòng)以保持p2不變。氣體通過(guò)多孔塞的過(guò)程不是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為節(jié)流過(guò)程。實(shí)際氣體的溫度在節(jié)流過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，這就是所謂的焦耳-湯姆遜效應(yīng)?？諝庵评渫ǔ２捎霉?jié)流后氣體溫度下降的現(xiàn)象。如果在帶有隔熱管壁的管道中間安裝一個(gè)多孔塞，兩側(cè)的氣體壓力分別為p1、p2和p1 p2。然后，(節(jié)流過(guò)程)(焦耳湯姆遜效應(yīng))，1。循環(huán)過(guò)程)，3.5循環(huán)過(guò)程(制冷循環(huán))，1。工質(zhì)，在熱機(jī)中用來(lái)吸收熱量并在外部做功的物質(zhì)叫做工質(zhì)，簡(jiǎn)稱(chēng)工質(zhì)。循環(huán)過(guò)程系統(tǒng)(或工作物質(zhì))經(jīng)歷一

7、系列變化，然后回到初始狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程稱(chēng)為循環(huán)過(guò)程?；痣姀S水循環(huán)過(guò)程。例如，汽輪機(jī)中的水。特性：E=0、3。循環(huán)過(guò)程的P-V圖，凈熱等于凈功。關(guān)閉曲線(xiàn)。Q=，工作介質(zhì)的內(nèi)能是常數(shù)。正周期，3。熱機(jī)效率，2。正周期，1。定義：工質(zhì)從高溫?zé)嵩次誕1熱，經(jīng)循環(huán)(僅數(shù)值)后將Q2熱釋放到低溫?zé)嵩?，稱(chēng)為正循環(huán)或熱循環(huán)。制造正循環(huán)的機(jī)器叫做熱機(jī)。2。網(wǎng)絡(luò)工作，abc部門(mén)的工作媒介對(duì)外界做出積極的工作a1；(順時(shí)針)，pV圖上的順時(shí)針循環(huán)為正循環(huán)，系統(tǒng)吸收熱量并對(duì)外工作，這與熱機(jī)的工作過(guò)程相對(duì)應(yīng)。(如蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī))，a，a=a1-a2，b，c，d，而CDA的外部對(duì)工作介質(zhì)a2做負(fù)功；凈功，E=0，A=Q1

8、 Q2，3。性能系數(shù)，正周期(順時(shí)針)，負(fù)周期(逆時(shí)針)，2。凈功，(a代表外界對(duì)工作介質(zhì)所做的功)，負(fù)循環(huán)的機(jī)器稱(chēng)為制冷機(jī)(如制冷機(jī))。3。逆循環(huán)(制冷循環(huán))，1。定義：工質(zhì)從低溫?zé)嵩次諢崃縌2，經(jīng)循環(huán)(僅數(shù)值)后將熱量Q1釋放到高溫?zé)嵩?，稱(chēng)為逆循環(huán)或制冷循環(huán)。定義、計(jì)算，在pV圖上逆時(shí)針進(jìn)行的循環(huán)過(guò)程是反向循環(huán)，其中外部世界對(duì)系統(tǒng)起作用，系統(tǒng)釋放熱量。對(duì)應(yīng)于冰箱工作過(guò)程。A=Q1 Q2，3.6卡諾循環(huán)，由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。在1824年，卡諾設(shè)想了一個(gè)熱機(jī)：假設(shè)工作物質(zhì)只與兩個(gè)熱源(T1的高溫?zé)嵩春蚑2的低溫?zé)嵩?進(jìn)行熱交換，既沒(méi)有散熱也沒(méi)有摩擦?？ㄖZ循環(huán)的工作物質(zhì)可以是理想

9、氣體、氣液兩相系統(tǒng)、磁介質(zhì)等。1.卡諾循環(huán)，這種熱機(jī)稱(chēng)為卡諾熱機(jī)。它的循環(huán)過(guò)程叫做卡諾循環(huán)。如果循環(huán)是可逆的，它被稱(chēng)為可逆卡諾循環(huán)；如果它是不可逆的，它被稱(chēng)為不可逆卡諾循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)通常被稱(chēng)為可逆卡諾循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。1.卡諾循環(huán)，Q1，Q2，答，圖1?？ㄖZ熱機(jī)，工質(zhì)從高溫?zé)嵩次誕1熱，一部分用于外部作功，一部分熱量Q2給低溫?zé)嵩??？ㄖZ循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)換如圖1所示?？ㄖZ循環(huán)是一個(gè)完全理想的條件。描述：高溫?zé)嵩碩1，低溫?zé)嵩碩2，準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)；工作介質(zhì)是理想氣體；僅與兩個(gè)恒溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換。等溫T1，等溫T2，絕熱，絕熱，卡諾熱機(jī)，卡諾熱機(jī)的效率：1，2，卡諾熱機(jī)(1

10、)熱機(jī)在這兩個(gè)溫度之間的工作效率如何？(1)，T1=25 273=298K，T2=5 273=278K，=6.7%，所以，(2)，因?yàn)椋?1- Q2 /Q1，=1- Q2/(A Q2)，所以=14100，Xi 3.24 (P144)，有可能利用表層海水和深層海水之間的溫差來(lái)制造熱機(jī)。眾所周知，熱帶海水的表面溫度為25，300米水深約為5。(1)熱機(jī)在這兩個(gè)溫度之間的工作效率如何？seek:(3)，Q1=Q2，因?yàn)椋?C m T，因此，=1.8102 (kg)，也就是說(shuō)，電站以1.8102 kg/s (6.5102 t/h)的速度抽取地表水。高溫?zé)嵩碩1，低溫?zé)嵩碩2，等溫T1，等溫T2，絕熱，

11、絕熱，卡諾制冷機(jī)，卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)：T2比T1低，W越小，表明當(dāng)同樣的熱量Q2從低溫?zé)嵩次諘r(shí)，外界做的功越多。3.卡諾制冷機(jī)4?？ㄖZ定理)，3.7熱力學(xué)第零和第三定律1。熱力學(xué)第零定律2。熱力學(xué)第三定律，如果系統(tǒng)甲和系統(tǒng)乙分別與系統(tǒng)丙處于熱平衡狀態(tài)，那么當(dāng)甲和乙接觸時(shí)，它們也必然處于熱平衡狀態(tài)。能量傳導(dǎo)板、能量隔離板、A、B、C、B、C、C(熱力學(xué)第零定律)、(熱力學(xué)第三定律)、小結(jié)、1不能達(dá)到熱力學(xué)零(絕對(duì)零)。絕熱過(guò)程。理想氣體的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程，Q=0，泊松方程，2。絕熱自由膨脹，Q=0，A=0，E=0，理想氣體的內(nèi)能不變。3。絕熱節(jié)流膨脹(焦耳-湯姆遜效應(yīng))，實(shí)際氣體的溫度在節(jié)流過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化。E=E2 E1=-A，小結(jié)，2。循環(huán)過(guò)程，1。正循環(huán)(熱循環(huán))，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次諢崃坎⑾虻蜏責(zé)嵩瘁尫艧崃?，系統(tǒng)在外部工作。效率，2。逆循環(huán)(制冷循環(huán))，系統(tǒng)從低溫?zé)嵩次鼰?，向高溫?zé)嵩捶艧?，外界為系統(tǒng)做功。制冷系數(shù)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變化后回到初始狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程。特點(diǎn)：工作介質(zhì)的內(nèi)能不變。E=0，Q=1，凈熱等于凈功。小