1、8 8 传导传导 对流与辐射对流与辐射 热力学基础热力学基础1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程2 准静态过程准静态过程 功功3 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能4 理想气体的等体过程和等压过程理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容摩尔热容5 理想气体的等温过程和绝热过程理想气体的等温过程和绝热过程6 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环7 热力学第二定律热力学第二定律 熵增原理熵增原理1 1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 一、平衡态（理想状态）一、平衡态（理想状态）在在不受外界影响不受外界影响的条件下的条件下 对一个对一个孤立系统孤立系统 经过足够长的时间
2、后经过足够长的时间后 系统达到一个系统达到一个宏观性质不随时间变化宏观性质不随时间变化的状态的状态平衡态的特点平衡态的特点),(TVppV),(TVp*o1 1）单一性（）单一性（处处相等）处处相等）;2 2）物态的稳定性）物态的稳定性 与时间无关；与时间无关；3 3）自发过程的终点；）自发过程的终点；4 4）热动平衡（有别于力平衡）热动平衡（有别于力平衡）.Tp,二、理想气体的状态方程二、理想气体的状态方程1.理想气体：理想气体：在任何情况下在任何情况下 严格遵守气体三定律严格遵守气体三定律 P 不太高不太高 T 不太低时，不太低时，实际气体的理想化实际气体的理想化1)在理想气体理论基础上加
3、以修正在理想气体理论基础上加以修正2)经验经验若高压若高压 低温？低温？2.2.状态方程：状态方程：理想气体平衡态宏观参量理想气体平衡态宏观参量（P P、V V、T T）间的函数关系间的函数关系 。RTMPV M-气体质量气体质量 -mol 质量质量V-理气活动空间理气活动空间J/K.mol31.8RR-普适气体恒量普适气体恒量nkTP mol10023623/.NAN N系统内的分子数系统内的分子数m m每个分子的质量每个分子的质量TNRVNRTmNVNmRTVMPAA)()(k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数J/K1038123.kVNn 分子数密度分子数密度 RTMPV nkTPVNn 分子数
4、密度分子数密度 mol10023623/.NAJ/K1038123.kJ/K.mol318.R ANRk 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数理想气体状态方程理想气体状态方程1.每一时刻系统都处于平衡态每一时刻系统都处于平衡态2.实际过程的理想化实际过程的理想化-无限缓慢无限缓慢(准准)3.“无限缓慢无限缓慢”：系统变化的过程时间：系统变化的过程时间驰豫时驰豫时间间2 2 准静态过程准静态过程 功功一、准静态过程（理想化的过程）一、准静态过程（理想化的过程）从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程间状态均可近似当作平衡态的过程 .PoVBA
5、过程曲线过程曲线P V 图上一个图上一个点点代表一个代表一个平衡态平衡态一条一条线线代表一个准代表一个准静态过程，称为过程曲线静态过程，称为过程曲线过程时间过程时间 1 秒秒s103驰豫驰豫时间时间例例 气体的准静态膨胀气体的准静态膨胀 改变系统状态的方式改变系统状态的方式做功做功热传递热传递气缸内的气压大于外界大气压，气体自由膨胀气缸内的气压大于外界大气压，气体自由膨胀准静态过程功的计算准静态过程功的计算lpSlFWdddVpWdd21dVVVpW二、功（过程量）二、功（过程量）气体系统通过改变体积来做功，气体系统通过改变体积来做功，我们只考虑无摩擦准静态过程的功。我们只考虑无摩擦准静态过程
6、的功。SdxdVP1气体膨胀时，系统对外界作功（气体膨胀时，系统对外界作功（d dV V0,d0,dW W00）气体压缩时，外界对系统作功（气体压缩时，外界对系统作功（d dV V0,d0,dW W00）1VoPV2V2dV由积分意义可知，功的大小等由积分意义可知，功的大小等于于P PV V 图上过程曲图上过程曲P=P(V)P=P(V)下下的面积：的面积：PdVSVV21W1VoPV2V121 1-2与与1-1-2两个过程的始两个过程的始末状态相同，但过程曲线不同，末状态相同，但过程曲线不同，两条曲线下的面积不同，则作两条曲线下的面积不同，则作功也不同。功也不同。注意：注意：功是过程量功是过程
7、量三、热量（过程量）三、热量（过程量）系统和外界之间存在温差而发生的能量传递系统和外界之间存在温差而发生的能量传递.1 1）过程量：均与过程有关；）过程量：均与过程有关；2 2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；）等效性：改变系统热运动状态作用相同；宏观运动宏观运动分子热运动分子热运动功功分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动热量热量3）功与热量的物理本质不同功与热量的物理本质不同 .1卡卡=4.18 J ，1 J=0.24 卡卡功与热量的异同功与热量的异同一、热力学第一定律一、热力学第一定律WEEQ12 系统从外界吸收的热量系统从外界吸收的热量,一部分使系统的一部分使系统的内能增加内能增
8、加,另一部分使系统对外界做功另一部分使系统对外界做功 .WEWEEQ123 3 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能微小过程微小过程WEQdddWEWEEQ12+12EE 系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第一定律的符号规定第一定律的符号规定QW12*pVo1V2V21dVVVpEQ3 3）准静态过程）准静态过程1)普遍的能量转化和守恒定律普遍的能量转化和守恒定律2 2）适用一切过程适用一切过程 一切系统一切系统讨论讨论 实验证明：系统从实验证明：系统从 A A 状态变化到状态变化到 B B 状态，可状态，
9、可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变要始末状态确定，做功和传热之和保持不变 .二、内能（状态量）二、内能（状态量）2AB1*pVoBABABABAQWQW2211 这种取决于系统状态的这种取决于系统状态的能量称为热力学系统的能量称为热力学系统的内能内能。内能：内能：所有分子热运动的动能和分子间势能的总和。所有分子热运动的动能和分子间势能的总和。内能为状态量，是状态的单值函数。内能为状态量，是状态的单值函数。系统内能的系统内能的增量增量只与系统只与系统起始和终了状态起始和终了状态有关，有关，与系统所经历的
10、与系统所经历的过程无关过程无关 .)(TEE 理想气体内能理想气体内能 :理想气体的内能仅是温度的函数理想气体的内能仅是温度的函数 .021ABAECEAB2AB1*pVo2AB1*pVo 计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础RTMpV（1）（理想气体理想气体的的状态方程状态方程）21dVVVpEQVpEQddd（2）热力学第一定律热力学第一定律 （3 3）各等值过程的特性）各等值过程的特性 .4 4 理想气体的等体过程和等压过程理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容摩尔热容单位单位11KmolJ一、等体过程一、等体过程 定体摩尔热容定体摩尔热容0d
11、,0dWVTQCVVddTCQVVdd1.特性特性 常量常量V),(11TVp),(22TVp2p1pVpVo 2.2.定体摩尔热容定体摩尔热容:理想气体在等体过程中吸收理想气体在等体过程中吸收了热量了热量 ，使温度升高，使温度升高 ,其定体摩尔热容为其定体摩尔热容为mol1VQdTddEdQ TCMEQVVddd1212)(EETTCMQVV热力学第一定律热力学第一定律TQCVVdd3.等体过程的热量公式等体过程的热量公式4.特征：特征：在等体过程中，系统对外界不作功，系在等体过程中，系统对外界不作功，系统吸收的热量全部用来增加系统的内能。统吸收的热量全部用来增加系统的内能。2V),(11T
12、Vp),(22TVpp1VpVo12二、等压过程二、等压过程 定压摩尔热容定压摩尔热容TQCppdd1.1.特特 性性 常量常量p)(12VVpW 3.3.定压摩尔热容定压摩尔热容:理想气体在等压过程中吸理想气体在等压过程中吸收的热量收的热量 ，温度升高，温度升高 ，其定压摩尔热容为，其定压摩尔热容为mol1pQdTdW2.热量和功的变化热量和功的变化)(1212VVpEEQp VpETCQppddddTRVpddRCCVpTCEVdd可得定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系可得定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系)(1212TTCMEEVVpCC4.等压过程中的热量公式等压过程中的热量公式)(12T
13、TCMQpp5.5.气体内能的增量气体内能的增量摩尔热容比摩尔热容比 6.6.特征：特征：在等压过程中，系统吸收的热量一部分用在等压过程中，系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，另一部分使系统对外界作功。来增加系统的内能，另一部分使系统对外界作功。一、等温过程一、等温过程2.2.功和热量的变化功和热量的变化0dEVpWQTddd12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoVd1.特征特征 常量常量T5 理想气体的等温过程和绝热过程理想气体的等温过程和绝热过程恒温热源恒温热源T21dVVTVpWQVRTMpVVRTMWQVVTd2112lnVVRTM12),(11TVp),(22
14、TVp1p2p1V2VpVo等温等温膨胀膨胀W12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoW等温等温压缩压缩3.特征：特征：在等温过程中，系统吸收的热量完全用在等温过程中，系统吸收的热量完全用 来对外做功。来对外做功。),(111TVp),(222TVp121p2p1V2VpVo二、绝热过程二、绝热过程1.1.特点：与外界无热量交换程特点：与外界无热量交换程)(12TTCMVOdQTCMVTTd21TCMEVdd21dVVVpWVdEWdd2.内能和功的变化内能和功的变化3.特征：在绝热过程中，系统对外界所作的功是特征：在绝热过程中，系统对外界所作的功是由于系统内能的减少来完成的
15、。由于系统内能的减少来完成的。4.4.绝热过程方程的推导绝热过程方程的推导EWQdd,0dTCMVpVddRTMpVTCMVVRTMVddTTVVd11dTTRCVVVdd分离变量得分离变量得TV1常量常量绝热方程绝热方程三、绝热线和等温线三、绝热线和等温线绝热绝热过程方程过程方程等温等温过程方程过程方程 绝热线的斜率大于等温线的斜率绝热线的斜率大于等温线的斜率.pV常量常量pV常量常量ApBVAVApVoT0QVapTpBC常量常量原因：原因：当气体膨胀相同的体积时，等温过程其压强的下降，仅当气体膨胀相同的体积时，等温过程其压强的下降，仅由于体积的增大；绝热过程压由于体积的增大；绝热过程压强
16、下降不仅是体积的增大，还有强下降不仅是体积的增大，还有温度的降低温度的降低，所以绝热线要比等温线陡。，所以绝热线要比等温线陡。0dV0dP0dTCTPCTVCPV1CPV21CTV31CTPEQVVPEQPAQTEAa过程特点热一律过程等容等压等温绝热内能增量TCEVTCEVTCEV00Qd过程方程0VP12lnVVRT21lnPPRT12lnVVRT21lnPPRTTCV12211VPVP0TCVTCPRiCV2RiCP22R23R25R3R25R27R4TC不能引入0aCA功Q热量过程等容等压等温绝热摩尔热容单双多摩尔热容比ii2355734 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的系统
17、经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程状态的过程叫热力学循环过程 .热力学第一定律热力学第一定律WQ QQQW21净功净功0E特征特征一、循环过程一、循环过程6 6 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机%48%8%37%251.热机循环热机循环(正循环正循环)目的：吸热对外作功目的：吸热对外作功1)PV 图图正正2)热流图热流图高温热源高温热源低温热源低温热源1Q2Q净A3)指标指标-效率效率吸净QA121QQQ 2.制冷循环（逆循环）制冷循环（逆循环）目的：通过外界作功，从目的：通
18、过外界作功，从低温热源吸热低温热源吸热1)PV 图图逆逆2)热流图热流图高温高温低温低温外净A2Q1Q3)制冷系数制冷系数外净吸AQw212QQQ 卡诺卡诺循环是由两个准静态循环是由两个准静态等温等温过程和两个准静过程和两个准静态态绝热绝热过程组成过程组成.二、二、卡诺循环卡诺循环 低温热源低温热源2T高温热源高温热源1T卡诺热机卡诺热机1Q2QWVop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V1.1.理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体卡诺循环热机效率的计算 A A B B 等温膨胀等温膨胀 B B C C 绝热膨胀绝热膨胀 C C D D 等温压缩等温压缩 D D A A 绝热压
19、缩绝热压缩卡诺循环卡诺循环21TT abQcdQ4322lnVVRTMQQcdC C D D 等温压缩放热等温压缩放热1211lnVVRTMQQabVop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ D D A A 绝热过程绝热过程214111TVTVB B C C 绝热过程绝热过程 213112TVTVA A B B 等温膨胀吸热等温膨胀吸热4312VVVV121TT 卡诺热机效率卡诺热机效率Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ 卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个卡诺热机效率与
20、工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高诺循环的效率越高 .12124312121lnln11TTVVVVTTQQVop2TW1TABCD21TT 高温热源高温热源1T低温热源低温热源2T卡诺致冷机卡诺致冷机1Q2QW2.2.卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数212212TTTQQQe2Q1Q4.4.提高效率的途径提高效率的途径:升高升高T T1 1(或降低或降低T T2 2)，提高高提高高 温热源的温度现实些温热源的温度现实些.5.5.在相同高温热源和低温热源之间工作的
21、在相同高温热源和低温热源之间工作的 一切热机中，卡诺循环的效率最高。一切热机中，卡诺循环的效率最高。1.1.卡诺循环必须有高温和低温两个热源；卡诺循环必须有高温和低温两个热源；2.2.只与两个热源的温度有关，与工作物关；只与两个热源的温度有关，与工作物关；讨论讨论3.3.由于由于 所以卡诺循环的效率所以卡诺循环的效率 总是小总是小1 1。02T 1 1开尔文说法：不可能制造出这样一种开尔文说法：不可能制造出这样一种循环循环工作工作的热机，它只使的热机，它只使单一单一热源冷却来做功，而不放出热热源冷却来做功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化任何变
22、化 .一、热力学第二定律的两种表述一、热力学第二定律的两种表述 7 7 热力学第二定律热力学第二定律 熵增原理熵增原理 热力学第二定律指出了自然界中宏观热过程的方向热力学第二定律指出了自然界中宏观热过程的方向性。如热量可以从高温物体自动地传给低温物体，性。如热量可以从高温物体自动地传给低温物体，但是却不能自动的从低温传到高温。但是却不能自动的从低温传到高温。等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体不放出热量给其它物体,但它非循环过程但它非循环过程.12),(11TVp),(22TVp1p2p1V2VpVoWVop2TW1TABCD21TT 卡
23、诺循环是循环过卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且程，但需两个热源，且使外界发生变化使外界发生变化.虽然卡诺致冷机能把虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使物体，但需外界作功且使环境发生变化环境发生变化 .2 2 克劳修斯说法：克劳修斯说法：不可能不可能把热量从低温物体把热量从低温物体自动自动传到高温物体而传到高温物体而不不引起外界的变化引起外界的变化 .Vop2TW1TABCD21TT 2Q1Q注注 意意 1.1.热力学第二定律是大量实验和经验的总结热力学第二定律是大量实验和经验的总结.3.3.热力学第二定律可有多种说法，每一种说热力学第二定律可
24、有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性法都反映了自然界过程进行的方向性 .2.2.热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性法具有等效性 .4.4.热力学第二定律指出，符合第一定律的过程并不热力学第二定律指出，符合第一定律的过程并不一定都可以实现，这两个定律是互相独立的，它一定都可以实现，这两个定律是互相独立的，它们一起构成了热力学理论的基础。们一起构成了热力学理论的基础。可逆过程可逆过程 :在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中,如果逆过如果逆过程能重复正过程的每一状态程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化而不引起其他变化,这样的
25、过程叫做可逆过程这样的过程叫做可逆过程 .二、可逆过程与不可逆过程二、可逆过程与不可逆过程 不可逆过程：不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.可逆过程的条件：可逆过程的条件：准静态和无摩擦准静态和无摩擦注意：注意：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹
26、完全消除。将原来正过程的痕迹完全消除。非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导热传导 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的不可逆的 .热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发三、三、熵增加原理熵增加原理：孤立系统中的熵永不减少：孤立系统中的熵永不减少.平衡态平衡态 A A平衡态平衡态 B B（熵不变）熵不变）可逆可逆过程过程非平衡态非平衡态平衡态（熵增加）平衡态（熵增加）不可逆不可逆
27、过程过程自发过程自发过程 孤立系统孤立系统不不可逆过程可逆过程0S孤立系统孤立系统可逆可逆过程过程0S0S成立的成立的条件条件:孤立系统或绝热过程孤立系统或绝热过程.应用应用 ：给出自发过程进行方向的判椐：给出自发过程进行方向的判椐 .热力学第二定律亦可表述为热力学第二定律亦可表述为 ：一切自发过程一切自发过程总是向着熵增加的方向进行总是向着熵增加的方向进行 .8 8 传导传导 对流与辐射对流与辐射一、热传导一、热传导 通过分子、原子、电子等粒子的相互作用通过分子、原子、电子等粒子的相互作用来实现的热传递过程来实现的热传递过程StXTQ傅立叶导热定律傅立叶导热定律。温度梯度温度梯度xT S 截
28、面面积截面面积)/(KsmJ)/(KmW热导率，它与物体的性质、状态有关热导率，它与物体的性质、状态有关，单位为单位为或t t时间时间 温度不同的各部分流体之间发生温度不同的各部分流体之间发生宏观相对运动而引起的热量传递过程宏观相对运动而引起的热量传递过程 二、对流二、对流牛顿冷却定律牛顿冷却定律 STTa)(12 a a对流传热系数，换热系数或放热系数（工程）对流传热系数，换热系数或放热系数（工程）不是常数而与很多物理量有函数关系，不是常数而与很多物理量有函数关系，通常事先由实验测定，制成表格，以备查用。通常事先由实验测定，制成表格，以备查用。三、辐射三、辐射 微观粒子受到激发后以电磁波的方微观粒子受到激发后以电磁波的方式释放能量的现象式释放能量的现象 斯特藩玻尔兹曼定律斯特藩玻尔兹曼定律)(44sTTS81067.5)/(42KmW斯特藩常量斯特藩常量
