第五章热力学基础

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1、热力学系统热力学系统（热力学研究的对象）：（热力学研究的对象）：大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。 外界外界：热力学系统以外的物体。：热力学系统以外的物体。系统分类（按系统与外界交换特点）：系统分类（按系统与外界交换特点）：孤立系统孤立系统：与外界既无能量又无物质交换：与外界既无能量又无物质交换封闭系统封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换：与外界只有能量交换而无物质交换开放系统开放系统：与外界既有能量交换又有物质交换：与外界既有能量交换又有物质交换5-15-1热力学第一定律热力学第一定律第五章 热力学基础当热力学系统在外界影响下，从一个

2、状态到另一个当热力学系统在外界影响下，从一个状态到另一个状态的变化过程，称为状态的变化过程，称为热力学过程热力学过程，简称，简称过程过程。热力学过程热力学过程非静态过程非静态过程准静态过程准静态过程 一一、准静态过程、准静态过程例：例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，气推进活塞压缩汽缸内的气体时，气 体的体积，密度，温体的体积，密度，温 度度 或压强都将变化，在过或压强都将变化，在过 程中的任意时刻，气体程中的任意时刻，气体 各部分的密度，各部分的密度， 压强，压强， 温度都不完全相同。温度都不完全相同。pV图上，一点代表一个图上，一点代表一个平衡态，一条连续曲线代平衡态，一条连续曲线代表一个准静

3、态过程表一个准静态过程。这条曲线的方程称为这条曲线的方程称为过程方程过程方程，准静态过程是一种准静态过程是一种理想的极限理想的极限。Vdx),(222TVpII, 0, 0 dWdVTCRTiEV 2TCRTiEV 2RCRRidTdQCVpp 2) (准静态过程准静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，如果过：系统从一平衡态到另一平衡态，如果过程中所有程中所有中间态中间态都都无限接近于一个平衡态无限接近于一个平衡态的过程。的过程。非静态过程非静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，过：系统从一平衡态到另一平衡态，过程中所有程中所有中间态中间态为为非平衡态非平衡态的过程。的过程。二二. 内能、功和

4、热量内能、功和热量热力学系统的内能：热力学系统的内能：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，理想气体理想气体)(21212TTRiEEQV 系统的内能是状态量系统的内能是状态量, ,是热力学系统状态的单值函数。是热力学系统状态的单值函数。 内能的改变只决定于初、末状态而与所经内能的改变只决定于初、末状态而与所经历的过程无关。历的过程无关。理想气体理想气体的内能就是的内能就是理想气体理想气体的热能的热能. .准静态过程的功准静态过程的功当活塞移动微小位移当活塞移动微小位移dx时，时，系统对外界所作的元功为：系统对外界所作的元功为：AV系统体积由系统体积由

5、V1变为变为V2，系统对外界作总功为：系统对外界作总功为：1、体积功的计算、体积功的计算2VWEQ ) )(2( ) ( ) (2121212T T RRiT T RT T Ri dTdQCmm)( a1V系统对外作正功；系统对外作正功；132121 VTVT系统对外作负功；系统对外作负功；系统不作功。系统不作功。TCRTiEV 2TCRTiEV 2VEWQ ) (VIIEWdQs , 0PdVdETdS EWQ ) (B212TTTc TdQdS可可逆逆 dxV 比较比较 a , b下的面积可知，功的数值不仅与初下的面积可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，态和末

6、态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关功与过程的路径有关。 功是过程量功是过程量12、体积功的图示、体积功的图示由积分意义可知，功的大小等由积分意义可知，功的大小等于于PV 图上过程曲线图上过程曲线p(V)下下的的面积面积。热量热量: :在在热传递过程中热传递过程中, ,系统吸收或放出能量的多少系统吸收或放出能量的多少 热量是过程量热量是过程量热量是系统与外界热能转换的量度。热量是系统与外界热能转换的量度。Cm (摩尔热容摩尔热容)：1mol物质升高物质升高dT所吸收的热量所吸收的热量摩尔热容摩尔热容)(12TTCWVs dTdQCpp)( 摩尔物质吸收的热量摩尔物质吸收的热

7、量摩尔热容摩尔热容Cm和热量和热量 Q 均为均为过程量过程量定压摩尔热容定压摩尔热容定容摩尔热容定容摩尔热容2310023621 ./TCEV 0WVpdVdpT 三、热力学第一定律三、热力学第一定律 某一过程，系统从外界吸热某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功，对外界做功 W，系统内能从初始态系统内能从初始态 E1变为变为 E2，则由能量守恒：，则由能量守恒：dVV dWdEdQ Q0，系统吸收热量系统吸收热量；Q0,系统对外作正功系统对外作正功；W0,系统内能系统内能增加增加； E0,系统内能减少系统内能减少。规定：规定：热力学第一定律热力学第一定律的普遍形式的普遍形式A对无限小过程对

8、无限小过程对于准静态过程，如果系统对外作功是通过体积对于准静态过程，如果系统对外作功是通过体积的变化来实现的，则的变化来实现的，则pdVdEdQp )(21QWQ 热力学第一定律另一表述：热力学第一定律另一表述： 制造第一类永动机制造第一类永动机(能对外不断能对外不断自动作功自动作功而不需而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的机器要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的机器)是不可能的。是不可能的。热力学第一定律热力学第一定律的普遍形式的普遍形式5-2 5-2 热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用1. .等容过程等容过程V=恒量，恒量，dV=0，dW=pdV=0，N

9、oImageT2T1pV0abRTiE2 RTpV 121TTc TCEV 则定容摩尔热容则定容摩尔热容为为)()(212121221VVpTTRipdVEEQVVp RidTdQCVV2)( 一、四个基本过程一、四个基本过程2. 等压过程等压过程p=恒量恒量121TT 卡卡可可逆逆 TdSdQ 12p21OVVV 2112lnVVTVVRTVdVRTpdVW 等压过程中系统吸收的热量一部分用来增加等压过程中系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，一部分用来对外做功。系统的内能，一部分用来对外做功。121TTc TdQdS 迈耶公式迈耶公式A2112lnlnppRTVVRTQT 绝热系数绝热系

10、数),(111TVpIB 在等压过程，温度升高在等压过程，温度升高1度时，度时，1mol理想气体多理想气体多吸收吸收8.31J的热量，用来转换为膨胀时对外做功。的热量，用来转换为膨胀时对外做功。定压摩尔热容为定压摩尔热容为3. 等温过程等温过程T=恒量，恒量，dT=0，dE=0。 21VVpdVWopVp1p2I II.OV2V111211VpWWWWcdbcab 121TTc 等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外做功，系统内能保持不变。做功，系统内能保持不变。TdQdS 4. 绝热过程绝热过程 BAABTdQSS不不可可逆逆pdVpSdxFdxdW 绝

11、热过程：绝热过程：系统不与外界交换热量的过程。系统不与外界交换热量的过程。KKPPKSiii99. 354lnln5411 )54, 2 , 1(541 iipP 绝热过程中系统对外做功全部是以系统内能绝热过程中系统对外做功全部是以系统内能减少为代价的。减少为代价的。I由热力学第一定律和理想气体状态方程，可得由热力学第一定律和理想气体状态方程，可得绝热方程绝热方程气体绝热自由膨胀气体绝热自由膨胀气体气体真空真空Q=0， W=0，E=0(绝热方程的泊松方程绝热方程的泊松方程）1211lnVVTQ 1 N绝热线与等温线比较绝热线与等温线比较膨胀相同的体积绝热比等温压强下降得快膨胀相同的体积绝热比等