1、 從能量角度出發(fā)，分析研究熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)變化從能量角度出發(fā)，分析研究熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)有關(guān)熱功轉(zhuǎn)換的關(guān)系和條件。時(shí)有關(guān)熱功轉(zhuǎn)換的關(guān)系和條件。 3.1 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程 3.2 功、熱、內(nèi)能功、熱、內(nèi)能 3.3 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 3.4 熱容量熱容量 3.5 理想氣體的絕熱過程理想氣體的絕熱過程 3.6 循環(huán)過程循環(huán)過程 3.7 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 3.8 致冷機(jī)致冷機(jī)第三章第三章 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 不受外界影響，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)（不受外界影響，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)（P,V,TP,V,T等）不隨時(shí)間改變。等）不隨時(shí)間改變。-理想過程！理想過程！3.1 3.2 3.1 3.2

2、熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)基本概念1. 平衡態(tài)平衡態(tài)2. 2. 準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)行中的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)行中的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都無限接近無限接近平衡態(tài)。平衡態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過程只有在準(zhǔn)靜態(tài)過程只有在“無限緩慢無限緩慢”的條件下才能實(shí)現(xiàn)。的條件下才能實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)從平衡態(tài)系統(tǒng)從平衡態(tài)1 1到平衡態(tài)到平衡態(tài) 2 2，經(jīng)過一個(gè)過程，經(jīng)過一個(gè)過程, ,平衡態(tài)平衡態(tài) 1 1 必首必首先被破壞，系統(tǒng)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)，系統(tǒng)從非平衡態(tài)到新的平衡態(tài)所先被破壞，系統(tǒng)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)，系統(tǒng)從非平衡態(tài)到新的平衡態(tài)所需的時(shí)間為弛豫時(shí)間。需的時(shí)間為弛豫時(shí)間。3. 3. 弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間 當(dāng)系統(tǒng)弛豫時(shí)間比宏觀變化快得多時(shí)

3、，這個(gè)過程中每一當(dāng)系統(tǒng)弛豫時(shí)間比宏觀變化快得多時(shí)，這個(gè)過程中每一狀態(tài)都可近似看作平衡態(tài)，該過程就可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程。狀態(tài)都可近似看作平衡態(tài)，該過程就可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程。 準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程無限緩慢進(jìn)行時(shí)的極限情況！準(zhǔn)靜態(tài)過程是實(shí)際過程無限緩慢進(jìn)行時(shí)的極限情況！例如：外界對(duì)系統(tǒng)做功，過程無限緩慢。例如：外界對(duì)系統(tǒng)做功，過程無限緩慢。u u 非平衡態(tài)到平衡態(tài)的過渡時(shí)非平衡態(tài)到平衡態(tài)的過渡時(shí)間，即弛豫時(shí)間，約間，即弛豫時(shí)間，約10 10 -3-3 秒秒 如果實(shí)際壓縮一次所用時(shí)間如果實(shí)際壓縮一次所用時(shí)間大于大于1010-3-3, ,如為如為1 1秒，秒，就可以說是就可以說是準(zhǔn)靜態(tài)過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程。

4、非平衡態(tài)不能用一定的狀態(tài)參量描述，因此，非準(zhǔn)靜非平衡態(tài)不能用一定的狀態(tài)參量描述，因此，非準(zhǔn)靜態(tài)過程也就不能用狀態(tài)圖上的一條線來表示。態(tài)過程也就不能用狀態(tài)圖上的一條線來表示。 因?yàn)闋顟B(tài)圖中任何一點(diǎn)都表示系統(tǒng)的一個(gè)平衡態(tài)，因?yàn)闋顟B(tài)圖中任何一點(diǎn)都表示系統(tǒng)的一個(gè)平衡態(tài)，故準(zhǔn)靜態(tài)過程可以用系統(tǒng)的狀態(tài)圖，如故準(zhǔn)靜態(tài)過程可以用系統(tǒng)的狀態(tài)圖，如P-V圖、圖、P-T圖，圖，V-T圖中一條曲線表示。圖中一條曲線表示。 VoP循環(huán)過程循環(huán)過程 P-V 圖中：圖中： 一個(gè)一個(gè)“點(diǎn)點(diǎn)”表示一個(gè)表示一個(gè)平衡態(tài)平衡態(tài)； 一條一條 “曲線曲線” 表示一個(gè)表示一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程。4.4.功、熱量、內(nèi)能功、熱量、內(nèi)能a.

5、 功（功（P103)VpdFu ulpSdlFdAdld體積功：熱力學(xué)系統(tǒng)體積變化時(shí)對(duì)外體積功：熱力學(xué)系統(tǒng)體積變化時(shí)對(duì)外界所作的功。界所作的功。 A0 系統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)外界做功；對(duì)外界做功；A0 Q0A0Q放放逆循環(huán)逆循環(huán)pV0Q吸熱吸熱=A對(duì)外對(duì)外Q放熱放熱=A外對(duì)系外對(duì)系（代數(shù)和）（代數(shù)和）（代數(shù)和）（代數(shù)和）2. 熱機(jī)和制冷機(jī)熱機(jī)和制冷機(jī)能流圖能流圖工質(zhì)工質(zhì)高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩?T低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?T1QA2Q熱機(jī)效率：熱機(jī)效率：1()()AQ對(duì)外代數(shù)和吸熱之和注：注： Q1, Q2 為絕對(duì)值為絕對(duì)值 ！正循環(huán)：總吸熱正循環(huán)：總吸熱Q1，總放熱，總放熱Q2，做功，做功A制冷系數(shù)：制冷系數(shù)：2212

6、QQwAQQ外對(duì)系逆循環(huán)：（制冷機(jī)）逆循環(huán)：（制冷機(jī)）122111QQQQQ 12QQA例例3:常溫常溫1mol理想氣體理想氣體H2，經(jīng)如圖所示的循環(huán)過程，已知，經(jīng)如圖所示的循環(huán)過程，已知P1,P2,V1,V2,求求 =?VP0V1V2P1P2123解解:121QAQQA（吸熱之和）代數(shù)和）（吸對(duì)外)(211212PPVVA分析哪段吸熱分析哪段吸熱:132TTT只有只有12吸熱吸熱1 221()QAEE吸.Q吸A1221211221221 11()()()2215()()()22iPPVVR TTPPVVPVPV例題例題4 4： 內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)之一內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)之一奧托循環(huán)奧托循環(huán). .內(nèi)燃機(jī)利用

7、液體或氣體內(nèi)燃機(jī)利用液體或氣體燃料燃料, ,直接在氣缸中燃燒直接在氣缸中燃燒, ,產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)而作功產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)而作功. .內(nèi)燃機(jī)的種類很內(nèi)燃機(jī)的種類很多多, ,試說明四沖程汽油內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的效率試說明四沖程汽油內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的效率. . 常壓下吸入汽油蒸汽及助燃空氣。常壓下吸入汽油蒸汽及助燃空氣。奧托循環(huán)的四個(gè)分過程如下：奧托循環(huán)的四個(gè)分過程如下：解：解：首先吸入燃料：首先吸入燃料：a1 a1 是個(gè)等壓膨脹過程。是個(gè)等壓膨脹過程。 p p0 0p pV VV V1 1O O1 1a a2 2V V2 23 3Q Q1 1 1 1、1212： 活塞左移，已吸入氣缸內(nèi)的活塞左移，已吸入氣缸內(nèi)的混合

8、氣體被急速壓縮，使之體積混合氣體被急速壓縮，使之體積減小，溫度升高，壓強(qiáng)增大。減小，溫度升高，壓強(qiáng)增大。絕熱壓縮過程絕熱壓縮過程 在上述高溫壓縮氣體中，用電火花或其他方式引起爆燃，在上述高溫壓縮氣體中，用電火花或其他方式引起爆燃，氣體壓強(qiáng)隨之驟增。氣體壓強(qiáng)隨之驟增。2 2、2323：等體吸熱過程等體吸熱過程爆燃產(chǎn)生的巨大壓強(qiáng)使活塞右爆燃產(chǎn)生的巨大壓強(qiáng)使活塞右移而對(duì)外作功，同時(shí)壓強(qiáng)也隨移而對(duì)外作功，同時(shí)壓強(qiáng)也隨著氣體的膨脹而降低。著氣體的膨脹而降低。3 3、3434 絕熱膨脹過程絕熱膨脹過程p p0 0p pV VV V1 1O O1 1a a2 2V V2 23 3Q Q1 14 4Q Q2

9、24 4、4141：等體放熱過程等體放熱過程 開放排氣口，使氣體壓強(qiáng)迅速下降為常壓。開放排氣口，使氣體壓強(qiáng)迅速下降為常壓。 最后由飛輪的慣性帶動(dòng)活塞，使之從右向左移動(dòng)，常最后由飛輪的慣性帶動(dòng)活塞，使之從右向左移動(dòng)，常壓下排出廢氣，這是個(gè)等壓過程。壓下排出廢氣，這是個(gè)等壓過程。 即由即由 1a1a 氣體主要在循環(huán)的等體過程氣體主要在循環(huán)的等體過程bcbc中吸熱（相當(dāng)于在爆炸中中吸熱（相當(dāng)于在爆炸中產(chǎn)生的熱），而在等體過程產(chǎn)生的熱），而在等體過程dada中放熱（相當(dāng)于隨廢氣而排出中放熱（相當(dāng)于隨廢氣而排出的熱），設(shè)氣體的摩爾數(shù)為的熱），設(shè)氣體的摩爾數(shù)為，定體摩爾熱容為，定體摩爾熱容為C CV,mV

10、,m23,1TTCQmV4 41 1：氣體放出的熱量：氣體放出的熱量：14,2TTCQmV23141TTTTp pV VV V1 1O O1 12 24 43 3p p0 0V V2 2Q Q1 1Q Q2 2a a2 23 3：氣體吸取的熱量：氣體吸取的熱量：121QQ1)(2143VVTT12112();TVTV1 12 2和和3 34 4為絕熱過程：為絕熱過程：1423TTTT1243TTTT111r 1211TT1)(1121VVr = Vr = V1 1/V/V2 2稱為壓縮比稱為壓縮比3.7 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)只與只與兩個(gè)恒溫兩個(gè)恒溫?zé)釒旖粨Q能量的熱庫交換能量的無摩擦無摩擦的的準(zhǔn)靜準(zhǔn)

11、靜態(tài)態(tài)循環(huán)。循環(huán)。Q1（吸熱）（吸熱）Q2（放熱）（放熱）能流圖能流圖1T2T1QA凈2QpovT1T212342111lnVQRTV3224lnVQRTV111223TVT V111124T VT V12 等溫膨脹等溫膨脹34 等溫壓縮等溫壓縮23 絕熱膨脹：絕熱膨脹：41 絕熱壓縮：絕熱壓縮：卡諾循環(huán)：卡諾循環(huán)： 兩條等溫線和兩條絕熱線組成。兩條等溫線和兩條絕熱線組成。211TT由絕熱過程由絕熱過程Q1（吸熱）（吸熱）Q2（放熱）（放熱）121QAQQA（吸熱之和）代數(shù)和）（吸對(duì)外0,EQApdV由等溫過程由等溫過程3241VVVV同理可求得卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)：同理可求得卡諾制冷機(jī)的制冷

12、系數(shù)：212212TTTQQQwpovT1T21234例例5： 圖為一理想氣體幾種狀態(tài)變化過程的圖為一理想氣體幾種狀態(tài)變化過程的 p-V 圖，其中圖，其中 MT為為等溫線，等溫線，MQ 為絕熱線，在為絕熱線，在 AM, BM, CM 三種準(zhǔn)靜態(tài)過程中：三種準(zhǔn)靜態(tài)過程中：（1） 溫度升高的是溫度升高的是過程；過程；（2） 氣體吸熱的是氣體吸熱的是過程。過程。BM, CM解解 : （1） B, C 在等溫線在等溫線 TM 下方，分別處下方，分別處在另外溫度較低的兩條等溫線上，故溫度升在另外溫度較低的兩條等溫線上，故溫度升高。高。（2）QM 是絕熱過程：是絕熱過程：110(1),EA CM 過程：過

13、程：22(2)QEA 21,EE CM 過程吸熱。過程吸熱。CM12AA 2121()()0QEEAA （系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功，絕對(duì)值小者數(shù)值大。）（系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功，絕對(duì)值小者數(shù)值大。）VPMATBQC0例例6：如圖，：如圖，bca為理想氣體絕熱過程，為理想氣體絕熱過程，b1a和和b2a是任意過程，是任意過程，分析上述兩過程中氣體做功是正還是負(fù)，過程是吸熱還是放熱？分析上述兩過程中氣體做功是正還是負(fù)，過程是吸熱還是放熱？VPV1V2O bac21解：解：把把b1acbb1acb看做一部熱機(jī)的正循環(huán)過程?？醋鲆徊繜釞C(jī)的正循環(huán)過程。 整個(gè)循環(huán)過程與外界的熱交換整個(gè)循環(huán)過程與外界的熱交換等于系統(tǒng)對(duì)外所做的

14、凈功等于系統(tǒng)對(duì)外所做的凈功 b1a b1a過程體積減小，故氣體過程體積減小，故氣體做負(fù)功。做負(fù)功。AQ 0 acbacb為絕熱過程，只有為絕熱過程，只有b1ab1a過程與外界有熱交換，所以過程與外界有熱交換，所以b1ab1a為吸熱過程。為吸熱過程。 acbacb為絕熱過程，只有為絕熱過程，只有b2ab2a過程與外界有熱交換，故過程與外界有熱交換，故Q Q 0 0，所以，所以b2ab2a為放熱過程。為放熱過程。把把b2acbb2acb看做一部制冷機(jī)的逆循環(huán)過程看做一部制冷機(jī)的逆循環(huán)過程對(duì)全過程對(duì)全過程 Q=AQ=A0 0VPV1V2O bac21氣體在氣體在 b2ab2a過程仍做負(fù)功。過程仍做負(fù)功。例例7：一卡諾熱機(jī)低溫?zé)嵩吹臏囟葹椋阂豢ㄖZ熱機(jī)低溫?zé)嵩吹臏囟葹?.0，效率為，效率為40%，若，若要將其效率提高到要將其效率提高到50%，則高溫?zé)嵩礈囟刃枰岣邘锥?？，則高溫?zé)嵩礈囟刃枰岣邘锥龋?211TT則：則：1211TT273.157.0273.157.010.510.4121TT解：解： 由：由：得：得：1221TT2211TT