slide1
Download
Skip this Video
Download Presentation
普通物理学教程 热学

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 89

普通物理学教程 热学 - PowerPoint PPT Presentation


  • 133 Views
  • Uploaded on

普通物理学教程 热学. 授课教师:覃一平 广州大学物理与电子工程学院 2007 年编. 复习 §3.9. 稀薄气体 的特征: λ >L 或 λ >>L λ >>L 的超高真空气体为极稀薄气体 稀薄气体的热传导规律: 超高真空气体的分子主要与器壁发生碰撞,其平均自由程由分子与器壁碰撞的平均自由程决定 在温度一定时,压强越低热传导越差(即,真空度越高绝热性能越好). 第四章 热力学第一定律. 讨论热力学系统内能的变化与外界做功及传热之间的关系 热力学第一定律:系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about '普通物理学教程 热学' - aloysius-caleb


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1
普通物理学教程

热学

授课教师:覃一平

广州大学物理与电子工程学院

2007年编

slide2
复习§3.9
  • 稀薄气体的特征: λ>L或λ>>L
  • λ>>L的超高真空气体为极稀薄气体
  • 稀薄气体的热传导规律:超高真空气体的分子主要与器壁发生碰撞,其平均自由程由分子与器壁碰撞的平均自由程决定
  • 在温度一定时,压强越低热传导越差(即,真空度越高绝热性能越好)
slide3
第四章

热力学第一定律

  • 讨论热力学系统内能的变化与外界做功及传热之间的关系
  • 热力学第一定律:系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和
  • 热力学第一定律是物理学的一个基本定律,它宣布第一类永动机是不可能制造出来的
slide4
§4.1 可逆与不可逆过程
  • 严格讲,小概率事件向大概率事件转化的过程是不可逆的,这是由统计规律严格保证的
  • 但当两个事件的概率很接近时,与外界适当互动可使系统的变化过程变得近似可逆
slide5
p

O

V

一、准静态过程(quasi-static process)

热力学状态图:

热力学系统达到平衡态时对应于一组确定的参量,在状态图上以一个点表示(该点有确定的坐标);该系统可以处于别的平衡态,此时对应于另一组热力学参量,在状态图上以另一个点表示;一个系统在状态图上可有无数个代表点,它们表示该系统不同的平衡态

slide6
1

1

2

2

系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。

热力学过程:

在过程进行的每一时刻,系统都无限地

接近平衡态

准静态过程:

slide7
驰豫时间

<

过程时间 ~ 1 秒

非准静态过程:系统经历一系列非平衡态的过程

弛豫时间 :从平衡态破坏到新的平衡态建立所需的时间

slide8
p

S

O

V

  • 实际过程是非准静态过程,但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间,均可看作准静态过程

(1) 准静态过程是一个理想过程;

(2) 除一些进行得极快的过程(如爆炸过程)外,大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程;

(3) 准静态过程在状态图上可用一条曲线表示,如图所示

slide9
准静态过程:一个过程,如果任一中间状态都无限

接近于平衡态,则此过程称为准静态过程

--------“无限缓慢”

-------- 理想化模型!

实际气缸的压缩过程:可抽象成准静态压缩过程

例如,实际气缸的压缩过程:

( T )过程~0.1秒

 ~L/v = 0.1米/100(米/秒) = 0.001秒

其中,L为容器线度,v为声速

1.准静态过程的理论意义?

2.准静态过程的实际意义?

slide10
1

1

2

2

二、可逆与不可逆过程

  • 系统从初态出发经历某一过程变到末态,若可以找到一个能使系统和外界都复原的过程(这时系统回到初态,对外界也不产生任何影响),则原过程是可逆的。若总找不到一个能使系统与外界同时复原的过程,则原过程是不可逆的
  • 只有无耗散的准静态过程才是可逆过程
slide11
§4.2 功和热量
  • 在力学中我们关心功和机械能的相互转化问题,在热学中我们要讨论功和热量的相互转化
  • 由于存在不可逆过程或耗散过程,功和热量的转化比功和机械能之间的转化要复杂,处理起来要格外小心
slide12
一、功是以作用对象的位移变化为标志的能量转移
  • 功不是状态的函数
  • 功是一个过程量
  • 做功有多种形式,但都与作用对象的位移变化有关
  • 做功必引起能量的转移
  • 例如:势能(重力势能,弹性力势能,静电场势能)不同于势能做的功;动能不同于动能做的功
slide13
二、热量是以参与作用对象内能变化为标志的能量转移
  • 热量不是状态的函数
  • 热量是一个过程量
  • 热量的产生有多种形式,但都与参与作用对象(系统或外界)的内能变化有关
  • 热量的产生必引起能量的转移
  • 例:物体热接触产生的热传递;冰块摩擦产生的热量
slide14
V1

V2

S

三、体积膨胀做的功

  • 考察对象:属于准静态过程的体积膨胀
  • 外界做的元功为
slide15
p

O

V

  • 系统从V1变化到V2外界做的功为
slide16
p

O

V

等温过程做的功

slide17
p

V1

O

V

等体过程做的功

slide18
p

p1

O

V

等压过程做的功

slide19
§4.3 热力学第一定律
  • 力学中有机械能守恒定律,在热学中也有相应的定律
  • 其实,能量守恒是自然界中普遍存在的规律,在物理学所有学科中都能看到它的存在,只是表达形式不同
  • 热力学第一定律是关于功,热量和内能之间相互转换的规律,它是大量实验的总结,是能量守恒率在热力学系统中的表达方式
slide20
一、能量守恒与转换定律
  • 能量守恒与转换定律:自然界一切物体都具有能量,能量具有各种不同形式,它可以从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转化与传递中总能量既不增加也不减少
  • 推论:第一类永动机是不存在的
  • (第一类永动机指不消耗任何形式的能量而能对外做功的机械)
slide21
二、内能定理
  • 内能是系统内部所有微观粒子的无序运动动能以及总的相互作用势能两者之和。处于平衡态系统的内能是确定的。内能是系统的状态函数,它与系统状态间有一一对应的关系
  • (为什么功与热量不是状态函数?因为它们与系统状态间没有一一对应关系)
  • 内能定理:在绝热过程中外界对系统做的功等于系统内能的增量
slide22
三、热力学第一定律
  • 热力学第一定律:系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和

写为:

或:

式中W′为系统对外做的功,而W为外界对系统做的功

slide23
对于准静态过程,热力学第一定律可以写为
  • 注意:上式仅适用于准静态过程
  • 但热力学第一定律适用于任何热力学过程,因而它的普遍表达式适用于所有过程
slide24
说明:

(1) 热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒

与转换定律

(2) 第一类永动机是不可能实现的。这是热力学第一定律的

另一种表述形式

(3) 此定律只要求系统的初、末状态是平衡态,至于过程中经历的各状态则不一定是平衡态

(4) 适用于任何系统(气、液、固)

slide25
课外练习

(1)准静态过程的理论意义是什么?

(2)准静态过程的实际意义是什么?

slide26
作业

P222:

4.2.2

slide27
复习§4.1-4.3(1)
  • 准静态过程:在过程进行的每一时刻,系统都无限地接近平衡态
  • 弛豫时间 :从平衡态破坏到新的平衡态建立所需的时间。实际过程是非准静态过程,但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间,均可看作准静态过程
  • 可逆过程:系统从初态出发经历某一过程变到末态,若可以找到一个能使系统和外界都复原的过程,则原过程是可逆的
  • 不可逆过程:若总找不到一个能使系统与外界同时复原的过程,则原过程是不可逆的
  • 功和热量不是状态的函数,它们都是过程量
slide28
复习§4.1-4.3(2)
  • 体积膨胀做的功:系统从V1变化到V2外界做的功为
  • 等温过程做的功;等体过程做的功;等压过程做的功
  • 能量守恒与转换定律:自然界一切物体都具有能量,能量具有各种不同形式,它可以从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转化与传递中总能量既不增加也不减少
slide29
复习§4.1-4.3(3)
  • 内能定理:在绝热过程中外界对系统做的功等于系统内能的增量
  • 热力学第一定律:系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和
  • 对于准静态过程,热力学第一定律写为
slide30
§4.4 热容与焓
  • 地球表面大多数物体处于恒定大气压下,因而很多热力学过程在定压条件下进行
  • 焓是一个与内能同量刚的概念,它常与热力学系统的定压过程有关
slide31
一、定体热容与内能

热力学第一定律应用于定体过程:

  • 在等体过程中吸收的热量等于内能的增量
  • 根据定义,有定体热容
slide32
定体摩尔热容为
  • 定体比热容为
  • 定体热容,定体摩尔热容,定体比热容之间的关系:

其中u为单位质量内能,称比内能;Um为摩尔内能;U为系统的内能;M为系统的质量

slide33
二、定压热容与焓

热力学第一定律应用于定压过程:

  • 定义焓:

在等压过程中吸收的热量等于焓的增量

  • U是状态函数,pV也是状态函数,因此焓是状态函数
slide34
根据定压热容定义,有
  • 定压摩尔热容为
  • 定压比热容为
  • 定压热容,定压摩尔热容,定压比热容之间的关系:

其中h为单位质量焓,称比焓;Hm为摩尔焓;H为系统的焓

slide35
§4.5 第一定律对气体的应用
  • 讨论热力学第一定律对气体的应用主要考虑在不同过程中的应用,如等体过程,等压过程,等温过程,绝热过程,多方过程等。不同过程条件不一样,结果有差别
slide36
一、焦耳实验

气体的内能是 p, V, T 中任意两个参量的函数,其具体形式如何?

问题:

  • 实验装置

温度一样

  • 实验结果:

膨胀前后温度计的读数未变

slide37
二、焦耳定律

气体绝热自由膨胀过程中:

气体的内能仅是温度的函数,这一结论称为焦耳定律

说明:

  • 焦耳实验是在1845完成的。温度计的精度为 0.01℃。水的热容比气体热容大得多,因而水的温度可能有微小变化,由于温度计精度不够而未能测出。通过改进实验或其它实验方法(焦耳—汤姆孙实验),证实仅理想气体有上述结论
  • 焦耳自由膨胀实验是非准静态过程
slide38
S

l

l 不变

p

V1

O

V

三、理想气体定体热容及内能

等体过程:

·

吸收的热量

·

slide39
·

内能的增量

由焦耳定律,内能与体积无关,有

这是理想气体内能增量的表达式,适用于任何过程(包括等压过程,绝热过程等)

slide40
·

内能的改变

适用于理想气体任何过程

·

定体热容

都仅是温度的函数

等体过程中气体吸收的热量,全部用来增加它的内能,使其温度上升

slide41
·

理想气体准静态过程的第一定律表达式

准静态过程热力学第一定律表达式

理想气体内能增量表达式

slide42
V1

V2

S

 l

p

p1

O

V

四、理想气体定压热容及焓

等压过程:

·

吸收的热量

·

功(外界做的功)

slide43
·

内能的改变(与定体过程同)

在等压过程中理想气体吸收的热量,一部分用来对外作功,其余部分则用来增加其内能

·

焓也仅是温度的函数

·

定压热容(见4.23式)

也都仅是温度的函数

slide44
·

焓的增量

焓仅是温度的函数,与压强无关,有

slide45
·

焓的改变

上式积分,得到

与内能改变相似

  • 以上得到的焓的各种表达式适用于理想气体
slide46
五、迈耶公式

利用前面得到的公式:

  • 这是一切理想气体适用的公式
  • 一般说来理想气体的摩尔定压热容与摩尔定容热容为温度的函数,但它们之差却始终是常数
slide47
V1

V2

S

S

 l

p

恒温热源

O

V

六、等温过程

等温过程:

  • 内能的增量
  • 功(外界做的功)
slide48
V1

V2

S

S

 l

p

恒温热源

O

V

  • 吸收的热量

在等温膨胀过程中 ,理想气体吸收的热量全部用来对外作功;在等温压缩中,外界对气体所的功,都转化为气体向外界放出的热量

slide49
七、绝热过程

绝热过程:

  • 吸收的热量
  • 一般绝热过程
  • 准静态绝热过程
slide51
积分得到:

这是理想气体在准静态绝热过程中满足的关系式,称为泊松公式

  • 准静态绝热过程中的其它等价的表达式

对于单原子理想气体,γ=5/3;对于某些常见的双原子理想气体,γ=7/5

slide52
理想气体绝热过程中的功及温度变化
  • 内能的减少量等于系统对外做的功,或外界对系统做的功等于系统内能的增量

功(外界做的功):

  • 理想气体的绝热压缩与绝热膨胀
  • 气体在气缸中的压缩速度很快,而热量传递则很慢,因而可近似认为是一个绝热过程;研究这一问题有实际应用价值(如估算气缸压缩后的温度)
  • *大气温度绝热递减率
  • 用绝热膨胀估算大气温度随高度下降的幅度
  • *气体声速公式
  • 声波在气体中的传播是绝热压缩;理想气体声速仅是温度的函数,且与γ有关
slide53
八、多方过程
  • 理想气体准静态多方过程表达式

所有满足pVn=常量的过程都是理想气体多方过程,其中n可以取任意实数

对绝热过程:n=γ

对等温过程:n=1

对等压过程:n=0

对等体过程:n→∞

slide54
多方过程中的功
  • 多方过程中做的功推导方法与绝热过程同,其结果是将γ置换成n
  • 多方过程摩尔热容

说明:

(1)绝热过程:n=γ,Cs,m=0

等温过程:n=1,CT,m →∞

等压过程:n=0,Cp,m= γCV,m

等体过程:n→∞,CV,m=CV,m

slide55
(2)任意过程:n>γ,Cn,m>0

任意过程:1

任意过程:n<1,Cp,m>0

(3)在Cn,m-n图上有两根渐近线:

Cn,m=CV,m

γ=1

(4)多方负热容:Cn,m<0(系统增温时向外放热),比如

恒星的多方负热容

slide57
课外练习

(1)推导:

slide58
作业

P222-224:

4.4.2

4.4.6

4.5.2

4.5.5

4.5.7

4.5.8

4.5.11

4.5.18

slide59
复习§4.4-4.5(1)
  • 定体热容与内能:在等体过程中吸收的热量等于内能的增量
  • 定压热容与焓:在等压过程中吸收的热量等于焓的增量
  • 焦耳实验
  • 焦耳定律:气体的内能仅是温度的函数
slide60
复习§4.4-4.5(2)
  • 理想气体定体热容及内能:等体过程中气体吸收的热量,全部用来增加它的内能,使其温度上升
  • 理想气体定压热容及焓:在等压过程中理想气体吸收的热量,一部分用来对外作功,其余部分则用来增加其内能
  • 理想气体等温过程
  • 理想气体绝热过程
  • 理想气体多方过程
  • 迈耶公式:理想气体的摩尔定压热容与摩尔定容热容之差为常数
slide61
§4.6 热机
  • 将热力学原理应用于机械产生了蒸气机乃至各种热机,这使得人类实现了第一次工业革命,步入物质文明的社会
  • 热机是把热转化为功的机械
  • 在理论层面上热机的主要内涵是它的效率,即热机效率
  • 著名的卡诺循环导出了理想情况下的热机效率关系式,给出的效率为实际热机可能达到的效率的上限
slide62
一、蒸气机

历史回顾:

  • 17世纪末,巴本锅、蒸汽泵
  • 18世纪末,瓦特添加了冷凝器、活塞阀、飞轮,完善了蒸汽机(但效率只有3%)
  • 其后,人们致力于扩大热机的容量,效率仍然很低
  • 1824年,Sadi Carnot 提出一种理想热机,并说明其效率最高
  • A:高温热源, B:锅炉, C: 泵 D-- 气缸, E-- 低温热源
slide63
工质

对外作功W’

吸收热量Q1

高温热源 T1

活塞

放出热量Q2

低温热源 T2

工质泵

工质

二、热机循环

  • 在一个循环过程中热机的工作物质从高温热源吸收热量,然后通过绝热膨胀对外作功,最后在低温热源处释出剩余热量而回到原初状态
  • 该工作物质称为工质
  • 特点是:工质往往经历着循环过程,即经历一系列变化后又回到初始状态
slide64
P

A

B

C

D

O

E

F

V

三、热机效率的定义

  • 循环沿顺时针方向运 行,称为正循环;沿逆时针方向运行,称为逆循环
  • 热机效率:热机在一个 循环过程中吸收的热量转化为机械能的百分比
slide65
.

A

p

高温热库T1

T

1

Q

1

B

.

Q1

.

工质

D

.

W

C

Q

T

o

2

Q2

2

V

V

V

V

V

A

D

B

C

低温热库T2

四、卡诺热机,卡诺循环(Carnot cycle)

卡诺热机与卡诺循环示意图

slide66
只与两个恒温热源交换热量的热机称为卡诺热机,其循环称卡诺循环
  • 以理想气体为工质的卡诺循环,由两个等温过程、两个绝热过程组成
  • 具体过程:

A→B等温膨胀过程

slide67
B→C 绝热膨胀,体积增大,温度降低

C→D等温压缩过程

D→A绝热压缩,体积减小,温度升高

slide69
T1

Q1

W

Q2

T2

  • 卡诺循环效率

卡诺循环只与高低温热源温度有关,与工质的性质无关,这在实践中具有重要的指导意义

slide72
d

p

e

c

a

b

o

V1

V

V2

五、内燃机循环

  • 奥托循环(定体加热循环)
  • 由两个绝热过程和两个等体过程组成
  • 效率为:

其中,r为压缩比:

奥 托 循 环

slide73
狄塞尔循环(定压加热循环)
  • 由两个绝热过程、一个等压过程和一个等体过程组成
  • 效率为:

压缩比:

定压膨胀比:

slide74
§4.7 焦耳-汤姆孙效应与制冷机
  • 热机的逆过程即是制冷机的工作原理
  • 在制冷原理中,焦耳-汤姆孙效应有广泛应用,它描述节流过程温度改变所遵从的规律
slide75
P

Q1

A

B

C

D

Q2

O

E

F

V

一、制冷循环与制冷系数

  • 制冷循环
  • 热量传递与作功的方向都与正循环中相反,沿逆时针方向运行。即外界对系统作功W,使系统从低温热源吸热Q2,在高温热源放热Q1,回到初态
slide76
T1

Q1

W

Q2

T2

制冷机示意图

W = Q1 –Q2

slide77
制冷系数

w可以大于1,故不用百分数表示

对理想气体卡诺循环(卡诺制冷机):

slide78
二、焦耳-汤姆孙效应
  • 节流过程

特征:绝热节流过程

节流过程:高压气体经过多孔塞流到低压一侧的稳定流动称为节流过程

通过节流过程使实际气体温度改变的现象称为焦耳-汤姆孙效应(也叫节流效应)

slide79
节流前后的内能变化
  • 节流前后外界做的功
  • 对于绝热过程,没有热量传递,因此外界对系统做的功等于系统内能的变化
slide80
节流过程中的不变量

节流过程前后系统的焓不变

  • 在常温下节流后温度降低的叫正节流效应(节流制冷效应)
  • 温度升高的叫负节流效应
slide81
等焓线:
  • 不断重复焦耳-汤姆孙实验,每次实验均改变节流后气体的压强,同时保持节流前的压强不变,这样可保证过程前后焓不变
  • 每一次实验测出节流后气体的温度和压强
  • 将这些实验数据标在T-p图上并用线连在一起,这就是等焓线
  • 等焓线的斜率叫焦耳-汤姆孙系数:

在等焓图中,μ>0为节流制冷区; μ<0为节流制热区

slide82
转换曲线:

常见气体的最高上转换温度:

CO2: ~1500 K, Ar: 780 K,

O2: 764 K, N2: 621 K,

Ne: 231 K, H2: 202 K,

He: ~ 40 K, Air: 659 K.

  • 焦耳-汤姆孙效应的微观解释:气体存在相互作用势能

排斥势占

主导地位:

吸引势占

主导地位:

slide83
三、气体压缩式制冷机
  • 蒸气压缩式制冷机

气体被压缩,冷却到室温后通过节流膨胀就能使气体液化的制冷机称为蒸气压缩式制冷机

如:冷库用的冷冻机,冰箱,空调

slide84
家用电冰箱
  • 室温下其制冷系数为:
slide85
工质

放出热量Q1’

高温热源 T1

工质

外界作功W

吸收热量Q2

低温热源 T2

工质泵

工质

家用电冰箱循环示意图

slide86
作业

P225:

4.6.1

4.6.4

4.7.1

slide87
第二章总结(1)
  • 介绍了概率论基本知识,包括:必然性事件和偶然性事件(统计规律是大量偶然性事件遵从的规律);概率定义;等概率,概率相加,概率归一化,概率相乘;利用概率计算平均值(某物理量平均值,它的函数的平均值);概率密度函数;相对均方根偏差
  • 介绍了麦克斯韦速率分布函数;麦克斯韦速率分布的三个速率:平均速率,方均根速率,最概然速率;三个速率之间的关系
slide88
第二章总结(2)
  • 介绍了麦克斯韦速度分布,指出它与麦克斯韦速率分布不同之处;利用麦克斯韦速度分布导出麦克斯韦速率分布;给出重力场中粒子按高度的分布,并由此导出玻耳兹曼分布;将玻耳兹曼分布应用于旋转参照系,解释了台风等自然现象
  • 介绍了能量按自由度均分定理;给出理想气体内能表达式;介绍几种理想气体摩尔热容
slide89
第二章习题讲解

P101-105:

2.3.1

2.7.2

ad