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第11章 热力学基础 风力发电 为了环境不受污染，也为解决一次性能源大量消耗终将导致枯竭的危险，人们在不断的寻求新能源。目前全球风力发电装机容量已超过13932 MW §11.1 热力学的研究对象和研究方法 一.热学的研究对象 热 学 研究热现象的理论 宏观量 二. 热学的研究方法 微观量 描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度、内能、熵等。 描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。 宏观理论（热力学） 微观理论（统计物理学） 热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质 观察和实验 力学规律, 统计平均方法 热力学 统计物理学 §11.2 平衡态与准静态过程 理想气体状态方程 一. 系统和外界 热力学系统 热力学所研究的具体对象，简称系统。 系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。 系统与外界可以有相互作用 例如：热传递、作功、质量交换等 系统 ? ? ? 系统的分类 开放系统 系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。 孤立系统 系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。 封闭系统 系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。 二. 平衡态 宏观性质不变 不受外界影响 在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。 说明 (1) 不受外界影响是指系统与外界没有能量和粒子交换，如： 两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态； 处于重力场中气体系统的粒子数密度随高 度变化，但它是平衡态。 低温T2 高温T1 我们把在有热流或粒子流情况下，各处宏观状态均不随时间变化的状态称为平稳恒态。 正确的判别方法应该看是否存在热流与粒子流 (2) 平衡是热动平衡 (3) 平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示 (4) 平衡态是一种理想状态 p 1(p1,V1,T1) O V 2(p2,V2,T2) 没有热流与粒子流 宏观上不随时间变化 平衡态 温度T 、压强p、体积V（质量一定，两个量独立） 温度是热力学所特有的 温标的三要素：测温属性、定标点、分度法 热力学温标K（与测温物质无关） 热力学第零定律：（热平衡定律）A、B 、C A C B 三. 状态参量 在微观上，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的度量。 四.准静态过程 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 1 2 2 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。 非准静态过程 系统经历一系列非平衡态的过程 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。如：实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程 S 说明 (1) 准静态过程是一个理想过程； (3) 准静态过程在状态图上可用一条曲线表示, 如图. (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； O V p 五.理想气体的状态方程 气体的状态方程 (3) 混合理想气体的状态方程为 其中 理想气体的状态方程 （平衡态） (1) 理想气体的宏观定义 (2) 实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作理想气体处理。 说明 （克拉珀龙方程） 范德瓦耳斯方程 气体, 液体 道尔顿分压定律 例：一容器储有氧气0. 1kg，压强为10atm，温度为47℃。因容器漏气，过一段时间后，压强减到原来的5/8，温度降到27℃，若把氧气近似看做理想气体， 求：（1）容器的体积；（2）漏了多少氧气？ 解： （1） （2） 例：压力表式气体温度计 温泡 毛细管 压力表 初始 解： 测温泡与低温平衡 测温前 测温后 §11.3 功 热量 内能 热力学第一定律 一. 功 热量 内能 1. 概念 热力学系统与外界传递能量的两种方式 作功 传热 是能量传递和转化的量度；是过程量。 功(A) ? ? ? 热量(Q) 是传热过程中所传递能量的多少的量度； 是过程量 内能(E ) 是物体中分子无规则运动能量的总和 ； 是状态量 系统吸热 ： 系统对外作功 ： ； 外界对系统作功 ： ；系统放热 ： 2. 功与内能的关系 1 2 外界仅对系统作功，无传热，则 说明 (1) 内能的改变量可以用绝 热过程中外界对系统所 作的功来量度； 绝热壁 绝热过程 (2) 此式给出过程量与状态量的关系