大学热学第九讲热力学过程课件.ppt

1、第二章第二章第三章第三章第四章第四章气动理论气动理论第一章第一章第五章第五章第六章第六章唯象理论唯象理论真空真空The First Law of Thermodynamics 19 19世纪世纪4040年代以前，自然科学的发展为能量转化与守年代以前，自然科学的发展为能量转化与守恒原理奠定了基础。恒原理奠定了基础。1 1力学方面的准备力学方面的准备 伽利略的斜面问题和摆的运动，伽利略的斜面问题和摆的运动，斯梯芬斯梯芬(Stevin，15481620)杠杆原理的研究，杠杆原理的研究，惠更斯完全弹性碰撞的研究等；惠更斯完全弹性碰撞的研究等；伯努利伯努利(DanielBernoulli，1700178

2、2)的流体运动方程是流体的流体运动方程是流体运动中的机械能守恒定律。运动中的机械能守恒定律。2化学、生物学方面的准备化学、生物学方面的准备 法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡(A.L.Lavoisier，17431794)和拉普拉斯和拉普拉斯(P.S.M.Laplace，17491827)曾经研究过一个重要的生理现象，曾经研究过一个重要的生理现象，他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等。程燃烧所发的热接近相等。德国化学家李比希德国化学家李比希(J.Liebig，18031873)的学生莫尔则进一步的学生莫尔则

3、进一步认为不同形式的认为不同形式的“力力”（即能量）都是机械（即能量）都是机械“力力”的表现，他写的表现，他写道：道：“除了除了54种化学元素外，自然界还有一种动因，叫做力。力种化学元素外，自然界还有一种动因，叫做力。力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些运动形式中的每一种可以得出一切其余形式。热和磁，从这些运动形式中的每一种可以得出一切其余形式。”他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。The First Law of Thermody

4、namics4热学方面的准备热学方面的准备3电磁学方面的准备电磁学方面的准备 在电与热的关系上，在电与热的关系上，1821年塞贝克年塞贝克(Seebeck)(Seebeck)发现的温差电现象发现的温差电现象是是“自然力自然力”互相转化的又一重要例证。焦耳互相转化的又一重要例证。焦耳(J.P.Joule，18181889)在在1840年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现i2R定律，这是能量转化定律，这是能量转化的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。The First Law of Thermodynamics“

5、第一类永动机第一类永动机”“永动机永动机”是违背了最基本的科学原理是违背了最基本的科学原理:物物质守恒和能量守恒原理的。但古今中外始终有人质守恒和能量守恒原理的。但古今中外始终有人还在搞什么还在搞什么“永动机永动机”的发明。的发明。这些人中有些是对科学的基本原理不清楚，这些人中有些是对科学的基本原理不清楚，以致白白浪费了时间和精力以致白白浪费了时间和精力(国民革命军将领国民革命军将领黄维黄维)；而更多的是别有用心的而更多的是别有用心的骗子骗子，希望以永动机出名，希望以永动机出名和获利，制造各种假的和获利，制造各种假的“永动机永动机”来欺世盗名来欺世盗名骗钱。骗钱。大约在大约在 280 年前，有

6、位德年前，有位德 国国 博士博士奥尔菲留斯奥尔菲留斯发明了一个发明了一个“永动机永动机”自动轮。自动轮。1717 年，波兰国王把这位博士请到了波兰，并派了一位名叫格森年，波兰国王把这位博士请到了波兰，并派了一位名叫格森 卡赛尔斯基的州卡赛尔斯基的州长鉴定其真伪。这位州长为奥尔菲留斯创造了条件，把安装机器的房子与四周隔离。长鉴定其真伪。这位州长为奥尔菲留斯创造了条件，把安装机器的房子与四周隔离。1717 年年 11 月月 12 日日，自动轮安装完毕，开始转动。州长亲自锁上了门，贴上了封条，自动轮安装完毕，开始转动。州长亲自锁上了门，贴上了封条，派了两名卫兵昼夜看守这座房子。两周以后州长亲自启封开

7、锁，看到轮子还在转动，派了两名卫兵昼夜看守这座房子。两周以后州长亲自启封开锁，看到轮子还在转动，于是再次上锁加封，又过了于是再次上锁加封，又过了 40 天。天。1728 年年 1 月月 4 日日 再次开封，轮子还在转。这位再次开封，轮子还在转。这位认真的州长还不放心，又观察了两个月，看到了轮子确实认真的州长还不放心，又观察了两个月，看到了轮子确实“永动永动”。于是州长就。于是州长就给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书，从此以后奥尔菲留斯名声大噪，他周游欧洲列国展给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书，从此以后奥尔菲留斯名声大噪，他周游欧洲列国展出他的自动轮，卖票赚了许多钱，并得到各国大人物的褒奖和舆论界的赞扬。出他

8、的自动轮，卖票赚了许多钱，并得到各国大人物的褒奖和舆论界的赞扬。消息传到俄国，彼得大帝对该发明极感兴趣，派了一位专使苏马赫找奥尔菲留消息传到俄国，彼得大帝对该发明极感兴趣，派了一位专使苏马赫找奥尔菲留斯谈判，想连人带机器买到俄国去。奥尔菲留斯开价是斯谈判，想连人带机器买到俄国去。奥尔菲留斯开价是 10 万卢布！苏马赫向彼得万卢布！苏马赫向彼得大帝汇报了两个情况：一是他看到轮子真的不停地转，二是介绍了法国和英国学者大帝汇报了两个情况：一是他看到轮子真的不停地转，二是介绍了法国和英国学者的看法，他们无论如何也不相信的看法，他们无论如何也不相信“永动机永动机”是真的，因为它从根本上是违背科学是真的，

9、因为它从根本上是违背科学原理的。因此，彼得大帝迟迟未下决心用原理的。因此，彼得大帝迟迟未下决心用 10 万卢布巨款去买这个自动轮，他想在万卢布巨款去买这个自动轮，他想在 1725 年亲自去欧洲看看，但后来由于他去世了，终归没有看到这个年亲自去欧洲看看，但后来由于他去世了，终归没有看到这个“永动机永动机”。科学界一直认为这绝对是一个大骗局。他们并不买那位波兰州长的帐。凭什么科学界一直认为这绝对是一个大骗局。他们并不买那位波兰州长的帐。凭什么他用眼睛看看就认为是事实，就发什么鉴定证书，真是岂有此理。科学家们公开指他用眼睛看看就认为是事实，就发什么鉴定证书，真是岂有此理。科学家们公开指责这是个大骗局

10、，并且悬赏责这是个大骗局，并且悬赏 1000 马克给揭穿骗局的人。马克给揭穿骗局的人。最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房子里修了一个夹最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房子里修了一个夹壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就会转。轮子不是壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就会转。轮子不是“永动永动”的，而是的，而是“人动人动”的。牵绳的人就是博士的弟弟和女仆。我们不知道那位女仆有没有得到的。牵绳的人就是博士的弟弟和女仆。我们不知道那位女仆有没有得到 1000 马克的赏金，但确实有人出了一本小册子，揭露了这个骗局，还公布了一张图，马克的赏金，但确实有人出

11、了一本小册子，揭露了这个骗局，还公布了一张图，人们一看就会明白无误。人们一看就会明白无误。在我国，早在新中国成立之初，1949 年 4 月创刊的科学通报第一期上，中国科学院就已宣布“永动机”是不可能的，并且希望发明家们今后能将他们的发明热忱和精力转移到切合实际的方面上去。然而“永动机”的“发明家”仍是络绎不绝。最近，在全国各地传播着一个关于“永动机”的录像资料。这份录像前面有一段前言，是这样说的：我国青年科学家王某，一个名不见经传，没有受过系统高等教育的小人物在前人无数次失败的基础上，经过无数次地探索，不断地追求，以惊人的毅力，大无畏的精神敢于向科学上的传统观念挑战，敢于向著名的科学权威挑战，

12、在攻克了以水代油的能源新技术之后，又攻克了“永动机”这一世界尖端科学的新技术。这一世界尖端科学的新技术到底如何呢？首先，鉴定这一新技术的不是科学家，而是某市公安局副局长及其下属们。其次我们看到王某在公安局副局长面前将几块木板拼凑起来，中间卡了一个木轴，拨动后木轴就不断转动，这就是王某的“永动机”。录像显示这个“永动机”还能发电，电力可以使电视机、电冰箱、洗衣机工作，等等。但是问题在于，王某始终没有说清他家中幕前幕后的电线分布状态。另外，在这几块木板中，有一块木板早就做好了圆孔，可以卡入一个小电动机，所谓转动不停的木棍是联在小电动机上的。如果仔细点，人们就会发现，木板孔内有电动机的电源接头。而奥

13、妙就在这块木板之内，如果将此块木板劈开，真相就可大白。所谓的“永动机”和现时商店中卖的转动不停的案头装饰品没什么两样，那些装饰品的动力在于底座中的电池。而王某的“永动机”的电池正是在木板夹层之内。这是一个表演的骗局，但绝对骗不倒科学家和具有起码科学精神和科学方法的人们。王某在家中给公安局长表演得还是很“灵”的，可一但离开了“家”，表演就原形毕露了。他被请到了某研究院表演他的“永动机”，而研究院的领导们事先切断了全院的电源。这时，什么电冰箱、洗衣机、电视机全部无法启动，而且“永动机”空转也成了问题。这就使得王某先是满头大汗，最后只能鼠窜而去。这就是最新的“永动机”骗局！它的本质是“骗”，而其社会

14、功能则是一把尺子，一把衡量国民科学文化素质的尺子。从从1840到到1879年年Joule进进行了多种多样的实验，致力行了多种多样的实验，致力于精确测定功与热相互转化于精确测定功与热相互转化的数值关系的数值关系热功当量。热功当量。他于他于18501850年发表了实验年发表了实验结果，其热功当量相当于结果，其热功当量相当于4.157 J cal-1。历史上第一个发表论文，阐述能量守恒原理的是历史上第一个发表论文，阐述能量守恒原理的是(Mayer)(Mayer)。德国生理学家、物理学家德国生理学家、物理学家Helmholtz赫姆霍兹赫姆霍兹，发展了迈耶和焦耳的工作，讨论了当时的力学发展了迈耶和焦耳的

15、工作，讨论了当时的力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成就。的、热学的、电学的、化学的各种科学成就。他严谨地认证了如下规律：他严谨地认证了如下规律：在各种运动中的能量是守恒的在各种运动中的能量是守恒的。第一次以数学方式提出了能量守恒与转化定律。第一次以数学方式提出了能量守恒与转化定律。21UUUQA 能量转化与守恒定律是自然能量转化与守恒定律是自然界基本规律之一。恩格斯对这一规界基本规律之一。恩格斯对这一规律的发现给予崇高的评价，把它和律的发现给予崇高的评价，把它和达尔文进化论及细胞学说并列为三达尔文进化论及细胞学说并列为三大自然发现。大自然发现。5.8 循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环

16、 The First Law of Thermodynamicsp1,T1,V1p2,T2,V2vacuum描述热力学过程的一个重要指标描述热力学过程的一个重要指标！当外界条件变化时，系统原来的平衡态被破当外界条件变化时，系统原来的平衡态被破坏，系统本身由于分子热运动和碰撞而产生的输坏，系统本身由于分子热运动和碰撞而产生的输运过程力图消除外界作用造成的不平衡，而运过程力图消除外界作用造成的不平衡，而在外在外界决定的新条件下达到新的平衡，这界决定的新条件下达到新的平衡，这需要一定的需要一定的时间时间以以 表示。表示。压强压强 温度温度 外界条件变化的时间间隔外界条件变化的时间间隔 t与驰豫时间与

17、驰豫时间 的相对快慢的相对快慢!（Quasi-static process）常以一条随意画的虚线表示。常以一条随意画的虚线表示。1p2pp1V2VVAif !一种理想的状态变化过程。一种理想的状态变化过程。B1p2pp1V2VVif！在状态图上表示：一系列点所联结成的实线。在状态图上表示：一系列点所联结成的实线。（1）一个个先后移走）一个个先后移走砝码，并且只有新平衡砝码，并且只有新平衡态建立以后才移走下一态建立以后才移走下一个砝码，就是（个砝码，就是（）。）。图示：活塞上图示：活塞上 非常小砝码非常小砝码mgp=mg/A p ，(I)()的过程可看作准静态过程的过程可看作准静态过程,（2）全

18、部砝码水平地移到右搁板上，这就是全部砝码水平地移到右搁板上，这就是()。为非静态过程。为非静态过程。在振荡过程中不满足在振荡过程中不满足力学平衡条件力学平衡条件该过程是否是准静态过程该过程是否是准静态过程?温度热源0T1T温温 度度固固 体体由于在热传导过程中，由于在热传导过程中，固体温度处处不同，固体温度处处不同，它它不满足不满足热学平衡条件热学平衡条件 故不是准静态过程故不是准静态过程。使物体温度从使物体温度从 T1 变为变为 T0的准静态过程？的准静态过程？要求要求T Ti ，1TTT1TT21TT00T其温度依次递增其温度依次递增T使物体温度从使物体温度从 T1 变为变为 T0的准静态

19、过程的准静态过程在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的任在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的任一中间状态，氮气与氧气的成分都处处不均匀，一中间状态，氮气与氧气的成分都处处不均匀，系统不满足系统不满足化学平衡条件化学平衡条件.又如，两种液体相互混合、固体溶解于水、渗透等又如，两种液体相互混合、固体溶解于水、渗透等过程过程既然准静态过程要求经历的每一个中间状态都既然准静态过程要求经历的每一个中间状态都是平衡态，故只有系统内部各部分之间及系统是平衡态，故只有系统内部各部分之间及系统与外界之间都始终同时满足力学、热学、化学与外界之间都始终同时满足力学、热学、化学平衡条件的过程才是准静

20、态过程。平衡条件的过程才是准静态过程。而在实际过程中的而在实际过程中的“满足满足”常常是有一定程度的近似常常是有一定程度的近似的。只要系统内部各部分间只要系统内部各部分间(或系统与外界间或系统与外界间)的的压强差压强差p、温度差、温度差T ，以及同一成分在各处，以及同一成分在各处的分子数密度之差的分子数密度之差n,分别满足分别满足 p p，T T,n n,系统满足力学、热系统满足力学、热 学、化学平衡条件。学、化学平衡条件。5.8 循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环The First Law of Thermodynamics力学力学_机械功机械功：力对物体作功力对物体作功物体的运动状态发生

21、变化物体的运动状态发生变化 物体的机械能发生变化物体的机械能发生变化电场功、磁场功电场功、磁场功作功作功物体的物体的电磁状态改变电磁状态改变 物体的物体的热运动状态改变热运动状态改变由于气体体积减小了由于气体体积减小了 Sdl，即，即 dV=-Sdl 所以上式又可写成所以上式又可写成ddeAp S l ddeApV 活塞活塞气缸中无摩擦移动气缸中无摩擦移动,截面积为截面积为S，气缸中封有流体。，气缸中封有流体。外界对气体所作元功为：外界对气体所作元功为：p 在无摩擦的准静态过程中，在无摩擦的准静态过程中，在无限小的过程中外界对气体所作元功的表达式为在无限小的过程中外界对气体所作元功的表达式为

22、dA dsA 系统对外作元功的表达式为系统对外作元功的表达式为epp dAdVd0V d0A d0V d0A ddeApV ddAp V dp V 外界对气体所作功为：外界对气体所作功为：ddAp V 2211ddVVVVAp V 21dVVAp V ddsAp V 系统对外界所作功为：系统对外界所作功为：21dVsVAp V 图中图中 V 到到 V+dV 区间区间内曲线下的面积内曲线下的面积=元功元功21dVsVApV 就是从就是从 V1 1 到到 V2 区区间内曲线下的面积间内曲线下的面积。dddsAp VA A (1)理想气体等温膨胀过程理想气体等温膨胀过程 中作的功中作的功:中作的功中

23、作的功:因为等温膨胀时，因为等温膨胀时，V2 V1，A 0，说明，说明21lnVRTV 21dVVAp V 12lnpARTp 21dVVVRTV sA 利用利用 p1V1=p2V2 的关系，的关系，(2)中的功中的功 然后使气体与一系列的温度分别为然后使气体与一系列的温度分别为 TTi设想气缸导热设想气缸导热,被活塞封有的气被活塞封有的气体压强始终保持恒量。体压强始终保持恒量。2T221dVVAp V 21()AR TT 21dVVpV (2)中的功中的功21()p VV （3）准静态等体积功准静态等体积功等体加热过程中不做功，所吸收等体加热过程中不做功，所吸收的热量等于内能的增加的热量等于

24、内能的增加。若用鞘钉把活塞卡死，如图。若用鞘钉把活塞卡死，如图。11d0VVAp V 121npAR Tp VVApdV 21准静态等压功：准静态等压功：VVAp V 11d021()Ap VV 211nVAR TV 211npAR Tp 21()R TT 定压强定压强p下、气体的体积从下、气体的体积从V1被压缩到被压缩到V2。（1）若为准静态过程，计算外界所作的功？）若为准静态过程，计算外界所作的功？（2）若为非静态过程，结果如何？若为非静态过程，结果如何？21VVApdV 21dVVpV 21()p VV 非静态过程公式非静态过程公式 不再适用不再适用21dVVAp V 但是但是21dVe

25、VApV 21()ep VV 在在T=273.15K下，对下，对1.00g铜加压，压强从铜加压，压强从1.00atm增增到到1000atm。若为准静态过程，计算外界所作的功？若为准静态过程，计算外界所作的功？211npAR Tp 1TTVVp 每每单单位位压压强强所所引引起起的的体体积积变变化化占占原原体体积积的的百百分分比比12217.63 10mN 338.93 10 kg/m 21dVVAp V ddTVVp 21dppVp p 22211()2pp m 21VVApdV ddAp V 说明功与变化路径有关，功不是系统状态的属说明功与变化路径有关，功不是系统状态的属性，不是状态的函数；功

26、是过程量，而非状态量！性，不是状态的函数；功是过程量，而非状态量！无穷小变化过程中所做的元功无穷小变化过程中所做的元功 dA 不满足多元函数不满足多元函数全微分的条件全微分的条件,d dW W 仅表示沿某一路径无穷小变化。仅表示沿某一路径无穷小变化。dAdAddAp V 1.演示液体表面张力示范实验演示液体表面张力示范实验演示液体演示液体表面张力表面张力示范实验示范实验 1.Film()表面张力系数为表面张力系数为 的肥皂膜的肥皂膜 在在 F 作用下使金属丝缓慢向右移动作用下使金属丝缓慢向右移动 dx 距离，距离，在在 F 作用下使金属丝缓慢向右移动作用下使金属丝缓慢向右移动 dx 距离，距离

27、，F 克服表面张力所作的元功为：克服表面张力所作的元功为：dA =2Ldx =dS(2Ldx=dS)F=2L 2.G理想蓄电池理想蓄电池分压器分压器 B+_ababU G=0(0)abUdq0 蓄电池通过外电路放电蓄电池通过外电路放电外电路对蓄电池所作的元功：外电路对蓄电池所作的元功：ddAq 外电路做负功表外电路做负功表示蓄电池放电！示蓄电池放电！3.ddAE P Pp V 4.d0d;AH MMV m d电电介介质质极极化化元元功功：dAE P d磁介质磁化元功：0dAH M 小结：小结：ddAq ddAS ddAp V 各种功各种功广义力广义力广义功广义功强度量强度量广延量广延量广义位移

28、广义位移ddAY y d1122dd.dnnAYyYyYy 将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响称为状态的影响称为“力学相互作用力学相互作用”。功是力学相互作用下的能量转移功是力学相互作用下的能量转移5.8 循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环 The First Law of Thermodynamics 系统状态的改变来源于系统与外界间存在温度差！系统状态的改变来源于系统与外界间存在温度差！来源于热学平衡条件的破坏来源于热学平衡条件的破坏.称系统与外界间存在称系统与外界间存在。作用的结果使能量从高温物体传递给低温物体，作用的结果使能量从高温物体

29、传递给低温物体，传递的能量称为热量。传递的能量称为热量。BB dQ仅表示仅表示上无穷小变化上无穷小变化还有第三种相互作用还有第三种相互作用化学相互作用。化学相互作用。Fe2212()()Fe FeH OH OMcTTMcTT 英国物理学家布莱克认为热就是一种没有重量，英国物理学家布莱克认为热就是一种没有重量，不可称量，不生不变，存在于一切物体之中的可不可称量，不生不变，存在于一切物体之中的可以自由流动的特殊物质，物体的冷热是由热质的以自由流动的特殊物质，物体的冷热是由热质的多少决定的。热的传导，如同流水由高到低流动多少决定的。热的传导，如同流水由高到低流动着热质，热膨胀是热质注入所致，太阳光透镜聚着热质，热膨胀是热质注入所致，太阳光透镜聚焦生热，也是由于热质集中等，这种观点统治了焦生热，也是由于热质集中等，这种观点统治了上百年，甚至在上百年，甚至在1789年，拉瓦锡仍把热摆在化学年，拉瓦锡仍把热摆在化学元素表中，属气体元素。元素表中，属气体元素。AVAV