第7章熱力學(xué)基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電為了環(huán)境不受污染，也為解決一次性能源大量消耗終將導(dǎo)致枯竭的危險(xiǎn)，人們?cè)诓粩嗟膶で笮履茉?。目前全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已超過(guò)13932MW

本章內(nèi)容7.1熱力學(xué)的研究對(duì)象和研究方法7.2平衡態(tài)理想氣體狀態(tài)方程7.3功熱量?jī)?nèi)能熱力學(xué)第一定律7.4準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中功和熱量的計(jì)算7.5理想氣體的內(nèi)能和CV

、Cp7.6熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體在典型準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中的應(yīng)用7.7絕熱過(guò)程7.8循環(huán)過(guò)程7.9熱力學(xué)第二定律7.10可逆與不可逆過(guò)程7.11卡諾循環(huán)卡諾定理7.1熱力學(xué)的研究對(duì)象和研究方法一.熱學(xué)的研究對(duì)象熱現(xiàn)象熱學(xué)物體與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)及狀態(tài)的變化研究熱現(xiàn)象的理論熱力學(xué)從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)研究物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)和其宏觀規(guī)律宏觀量二.熱學(xué)的研究方法微觀量描述宏觀物體特性的物理量；如溫度、壓強(qiáng)、體積、熱容量、密度、熵等。描述微觀粒子特征的物理量；如質(zhì)量、速度、能量、動(dòng)量等。微觀粒子觀察和實(shí)驗(yàn)出發(fā)點(diǎn)熱力學(xué)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)揭示熱力學(xué)本質(zhì)二者關(guān)系無(wú)法自我驗(yàn)證不深刻缺點(diǎn)揭露本質(zhì)普遍，可靠?jī)?yōu)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)平均方法力學(xué)規(guī)律總結(jié)歸納邏輯推理方法微觀量宏觀量物理量熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象研究對(duì)象微觀理論（統(tǒng)計(jì)物理學(xué)）宏觀理論（熱力學(xué)）7.2

平衡態(tài)理想氣體狀態(tài)方程一.系統(tǒng)和外界熱力學(xué)系統(tǒng)由大量粒子組成的宏觀物體或物體系。外界系統(tǒng)以外的物體系統(tǒng)與外界可以有相互作用例如：熱傳遞、質(zhì)量交換等系統(tǒng)????系統(tǒng)的分類開放系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間，既有物質(zhì)交換，又有能量交換。封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間，沒(méi)有物質(zhì)交換，只有能量交換。系統(tǒng)與外界之間，既無(wú)物質(zhì)交換，又無(wú)能量交換。二.氣體的狀態(tài)參量溫度(T)體積(V)壓強(qiáng)(p)氣體分子可能到達(dá)的整個(gè)空間的體積大量分子與器壁及分子之間不斷碰撞而產(chǎn)生的宏觀效果大量分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示方法國(guó)際上規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為273.16K在沒(méi)有外界影響的情況下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化的狀態(tài)。三.平衡態(tài)說(shuō)明(1)不受外界影響是指系統(tǒng)與外界不通過(guò)作功或傳熱的方式交換能量，但可以處于均勻的外力場(chǎng)中；如：

兩頭處于冰水、沸水中的金屬棒是一種穩(wěn)定態(tài)，而不是平衡態(tài)；處于重力場(chǎng)中氣體系統(tǒng)的粒子數(shù)密度隨高度變化，但它是平衡態(tài)。低溫T2高溫T1(2)平衡是熱動(dòng)平衡(3)平衡態(tài)的氣體系統(tǒng)宏觀量可用一組確定的值(p,V,T)表示(4)平衡態(tài)是一種理想狀態(tài)四.理想氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程(3)混合理想氣體的狀態(tài)方程為其中理想氣體的狀態(tài)方程(1)理想氣體的宏觀定義：在任何條件下都嚴(yán)格遵守克拉珀龍方程的氣體；(2)實(shí)際氣體在壓強(qiáng)不太高，溫度不太低的條件下，可當(dāng)作理想氣體處理。且溫度越高、壓強(qiáng)越低，精確度越高.說(shuō)明（克拉珀龍方程）7.3

功熱量?jī)?nèi)能熱力學(xué)第一定律一.功

熱量

內(nèi)能1.概念熱力學(xué)系統(tǒng)與外界傳遞能量的兩種方式作功傳熱是能量傳遞和轉(zhuǎn)化的量度；是過(guò)程量。功(A)???熱量(Q)是傳熱過(guò)程中所傳遞能量的多少的量度；是過(guò)程量?jī)?nèi)能(E)是物體中分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)能量的總和；是狀態(tài)量系統(tǒng)吸熱：系統(tǒng)對(duì)外作功：；外界對(duì)系統(tǒng)作功：；系統(tǒng)放熱：2.功與內(nèi)能的關(guān)系12外界僅對(duì)系統(tǒng)作功，無(wú)傳熱，則說(shuō)明(1)內(nèi)能的改變量可以用絕熱過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)所作的功來(lái)量度；絕熱壁絕熱過(guò)程(2)此式給出過(guò)程量與狀態(tài)量的關(guān)系3.熱量與內(nèi)能的關(guān)系外界與系統(tǒng)之間不作功，僅傳遞熱量系統(tǒng)說(shuō)明(1)在外界不對(duì)系統(tǒng)作功時(shí)，內(nèi)能的改變量也可以用外界對(duì)系統(tǒng)所傳遞的熱量來(lái)度量；(2)此式給出過(guò)程量與狀態(tài)量的關(guān)系(3)作功和傳熱效果一樣，本質(zhì)不同二.熱力學(xué)第一定律外界與系統(tǒng)之間不僅作功，而且傳遞熱量，則有熱力學(xué)第一定律:系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使其內(nèi)能增加，另一部分則用以對(duì)外界作功。對(duì)于無(wú)限小的狀態(tài)變化過(guò)程，熱力學(xué)第一定律可表示為(1)熱力學(xué)第一定律i.e.包含熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律；說(shuō)明(2)第一類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。這是熱力學(xué)第一定律的另一種表述形式；(3)此定律只要求系統(tǒng)的初、末狀態(tài)是平衡態(tài)，至于過(guò)程中經(jīng)歷的各狀態(tài)則不一定是平衡態(tài)。(4)適用于任何系統(tǒng)（氣、液、固）。7.4

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中功和熱量的計(jì)算一.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程系統(tǒng)從某狀態(tài)開始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達(dá)另一狀態(tài)的過(guò)程。熱力學(xué)過(guò)程1221準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在過(guò)程進(jìn)行的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都無(wú)限地接近平衡態(tài)。非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程系統(tǒng)經(jīng)歷一系列非平衡態(tài)的過(guò)程實(shí)際過(guò)程是非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，但只要過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的馳豫時(shí)間，均可看作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。如：實(shí)際汽缸的壓縮過(guò)程可看作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

S說(shuō)明

(1)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是一個(gè)理想過(guò)程；

(3)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在狀態(tài)圖上可用一條曲線表示,

如圖.(2)除一些進(jìn)行得極快的過(guò)程（如爆炸過(guò)程）外，

大多數(shù)情況下都可以把實(shí)際過(guò)程看成是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程；OVp二.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中功的計(jì)算SV1V2熱力學(xué)第一定律可表示為OVp(功是一個(gè)過(guò)程量)12三.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中熱量的計(jì)算

熱容1.熱容?熱容?摩爾熱容注意:

熱容是過(guò)程量，式中的下標(biāo)x表示具體的過(guò)程。2.熱量計(jì)算7.5

理想氣體的內(nèi)能和CV,Cp一.理想氣體的內(nèi)能

氣體的內(nèi)能僅是其溫度的函數(shù)。這一結(jié)論稱為焦耳定律

二.理想氣體的摩爾熱容CV

、Cp

和內(nèi)能的計(jì)算

1.定體摩爾熱容CV

和定壓摩爾熱容Cp

定體摩爾熱容CV定壓摩爾熱容Cp

1mol

理想氣體的狀態(tài)方程為壓強(qiáng)不變時(shí)，將狀態(tài)方程兩邊對(duì)T求導(dǎo)，有邁耶公式

比熱容比單原子氣體分子雙原子氣體分子2.理想氣體內(nèi)能的計(jì)算根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有解因?yàn)槌?、末兩態(tài)是平衡態(tài)，所以有如圖，一絕熱密封容器，體積為V0，中間用隔板分成相等的兩部分。左邊盛有一定量的氧氣，壓強(qiáng)為p0，右邊一半為真空。例求把中間隔板抽去后，達(dá)到新平衡時(shí)氣體的壓強(qiáng)絕熱過(guò)程自由膨脹過(guò)程

7.6

熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體在典型準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中的應(yīng)用一.等體過(guò)程

l不變l吸收的熱量?jī)?nèi)能的增量ⅠⅡ··SOVpV1等體過(guò)程中氣體吸收的熱量，全部用來(lái)增加它的內(nèi)能，使其溫度上升。二.等壓過(guò)程功吸收的熱量?jī)?nèi)能的增量在等壓過(guò)程中理想氣體吸收的熱量，一部分用來(lái)對(duì)外作功，其余部分則用來(lái)增加其內(nèi)能。

SlⅠⅡ···p1OVpV1V2恒溫?zé)嵩碨l

三.等溫過(guò)程內(nèi)能的增量功吸收的熱量在等溫膨脹過(guò)程中，理想氣體吸收的熱量全部用來(lái)對(duì)外作功，在等溫壓縮中，外界對(duì)氣體所的功，都轉(zhuǎn)化為氣體向外界放出的熱量。ⅠⅡS···OVpV1V2把p1、V1

的理想氣體分別由a經(jīng)(1)等溫過(guò)程；(2)先等壓壓縮再等體升壓過(guò)程至b

。兩過(guò)程的DE、Q及A解例求(1)ab是等溫過(guò)程，acV2p1bV1VOp且a、b等溫，有

Ta

=Tb根據(jù)熱力學(xué)第一定律得acV2p1bV1VOp(2)即而7.7絕熱過(guò)程一.絕熱過(guò)程系統(tǒng)在絕熱過(guò)程中始終不與外界交換熱量。良好絕熱材料包圍的系統(tǒng)發(fā)生的過(guò)程進(jìn)行得較快，系統(tǒng)來(lái)不及和外界交換熱量的過(guò)程1.過(guò)程方程

對(duì)無(wú)限小的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程有··利用上式和狀態(tài)方程可得2.過(guò)程曲線微分由于＞1

，所以絕熱線要比等溫線陡一些。

絕熱線等溫線3.絕熱過(guò)程中功的計(jì)算絕熱過(guò)程中，理想氣體不吸收熱量，系統(tǒng)減少的內(nèi)能，等于其對(duì)外作功。

過(guò)程等體等壓等溫絕熱過(guò)程特點(diǎn)過(guò)程方程熱一定律內(nèi)能變化摩爾熱容7.8循環(huán)過(guò)程一.循環(huán)過(guò)程如果循環(huán)是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，在P–V圖上就構(gòu)成一閉合曲線如果物質(zhì)系統(tǒng)的狀態(tài)經(jīng)歷一系列的變化后，又回到了原狀態(tài)，就稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)過(guò)程。系統(tǒng)（工作物質(zhì)）對(duì)外所作的凈功1.循環(huán)：VpOⅡⅠ··2.正循環(huán)、逆循環(huán)正循環(huán)(循環(huán)沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行)逆循環(huán)(循環(huán)沿逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行)（系統(tǒng)對(duì)外作功）ⅠⅡQ1Q2abVpO根據(jù)熱力學(xué)第一定律：（系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功）正循環(huán)也稱為熱機(jī)循環(huán)逆循環(huán)也稱為致冷循環(huán)··ⅠⅡQ1Q2abVpO····有二.循環(huán)效率在熱機(jī)循環(huán)中，工質(zhì)對(duì)外所作的功A與它吸收的熱量Q1的比值，稱為熱機(jī)效率或循環(huán)效率 一個(gè)循環(huán)中工質(zhì)從冷庫(kù)中吸取的熱量Q2與外界對(duì)工質(zhì)作所的功A的比值，稱為循環(huán)的致冷系數(shù)

1mol

單原子分子理想氣體的循環(huán)過(guò)程如圖所示。(1)作出pV

圖(2)此循環(huán)效率解例求cab60021ac1600300b2T(K）V（10-3m3）OV（10-3m3）Op（103R）(2)ab是等溫過(guò)程，(1)pV

圖cab60021ac1600300b2T(K）V（10-3m3）OV（10-3m3）Op（103R）bc是等壓過(guò)程，有ca是等體過(guò)程cab60021ac1600300b2T(K）V（10-3m3）OV（10-3m3）Op（103R）bc是等壓過(guò)程，有(2)

ab是等溫過(guò)程，ca是等體過(guò)程循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)吸熱循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)放熱此循環(huán)效率7.9熱力學(xué)第二定律由熱力學(xué)第一定律可知，熱機(jī)效率不可能大于100%。那么熱機(jī)效率能否等于100%（）呢？????地球熱機(jī)Q1A若熱機(jī)效率能達(dá)到100%,則僅地球上的海水冷卻1℃,所獲得的功就相當(dāng)于1014t煤燃燒后放出的熱量單熱源熱機(jī)(第二類永動(dòng)機(jī))是不可能的。熱源熱源1.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述不可能只從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它變化。

(1)熱力學(xué)第二定律開爾文表述的另一敘述形式

第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成說(shuō)明(2)熱力學(xué)第二定律的開爾文表述實(shí)際上表明2.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體

(1)熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述的另一敘述形式:

理想制冷機(jī)不可能制成說(shuō)明(2)熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述實(shí)際上表明:3.熱機(jī)、制冷機(jī)的能流圖示方法熱機(jī)的能流圖致冷機(jī)的能流圖高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩锤邷責(zé)嵩?.10可逆與不可逆過(guò)程若系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)過(guò)程，而過(guò)程的每一步都可沿相反的方向進(jìn)行，同時(shí)不引起外界的任何變化，那么這個(gè)過(guò)程就稱為可逆過(guò)程。如對(duì)于某一過(guò)程，用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，該過(guò)程就是不可逆過(guò)程可逆過(guò)程不可逆過(guò)程自發(fā)過(guò)程自然界中不受外界影響而能夠自動(dòng)發(fā)生的過(guò)程。

不可逆過(guò)程的實(shí)例力學(xué)(無(wú)摩擦?xí)r)xm過(guò)程可逆(有摩擦?xí)r)不可逆功向熱轉(zhuǎn)化的過(guò)程是不可逆的。（真空）可逆（有氣體）不可逆墨水在水中的擴(kuò)散一切自發(fā)過(guò)程都是單方向進(jìn)行的不可逆過(guò)程。?熱量從高溫自動(dòng)傳向低溫物體的過(guò)程是不可逆的?自由膨脹的過(guò)程是不可逆的。?一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過(guò)程都是不可逆過(guò)程，一切實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程。不平衡和耗散等因素的存在，是導(dǎo)致過(guò)程不可逆的原因。

過(guò)程不可逆的因素?zé)o摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程（是理想過(guò)程）

熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)，揭示了自然界的一切自發(fā)過(guò)程都是單方向進(jìn)行的不可逆過(guò)程。7.11卡諾循環(huán)卡諾定理一.卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成1.卡諾熱機(jī)的效率

abcdQ1Q2pVOV1p1V2p2V3p3V4p4氣體從高溫?zé)嵩次盏臒崃繛闅怏w向低溫?zé)?/p>