大學物理化學授課課件基本概念及定義(本科專業(yè)).ppt
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2020年4月25日,第一章基本概念及定義,1,第一章基本概念及定義,1-1熱力學系統(tǒng),1-2熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù),1-3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標圖,1-4狀態(tài)方程式,1-5準靜態(tài)過程和可逆過程,1-6可逆過程的功,1-7熱量,1-8熱力循環(huán),2020年4月25日,第一章基本概念及定義,2,1-1熱力學系統(tǒng),熱力學系統(tǒng)(熱力系統(tǒng)、熱力系、系統(tǒng))——人為選定的某些確定的物質或某個確定空間中的物質。,外界—系統(tǒng)之外與系統(tǒng)能量轉換過程有關的一切其他物質。邊界—分割系統(tǒng)與外界的界面。在邊界上可以判斷系統(tǒng)與外界間所傳遞的能量和質量的形式和數(shù)量。邊界可以是實際的、假想的、固定的或活動的。,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,3,閉口系統(tǒng)——與外界無質量交換的系統(tǒng)(控制質量)。開口系統(tǒng)——與外界有質量交換的系統(tǒng)(控制容積、控制體)。絕熱系統(tǒng)——與外界無熱量交換的系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)——與外界既無能量(功量、熱量)交換,又無質量交換的系統(tǒng)。*熱源——具有無限熱量儲存能力的假想熱力系統(tǒng),其作用只是與其他系統(tǒng)交換熱量。一般情況下,交換熱量后其溫度不發(fā)生變化。高溫熱源:向其他系統(tǒng)供熱的熱源;低溫熱源:吸收其他系統(tǒng)放出熱量的熱源。系統(tǒng)的選取,取決于分析問題的需要及分析方法上的方便。,系統(tǒng)的分類:,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,4,1-2熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù),熱力學狀態(tài):熱力學系統(tǒng)所處的宏觀狀況。狀態(tài)參數(shù):描述系統(tǒng)熱力學狀態(tài)的宏觀物理量?;緺顟B(tài)參數(shù):可以直接測量得到的狀態(tài)參數(shù)(p、v、T)。導出狀態(tài)參數(shù):由基本狀態(tài)參數(shù)計算得到的狀態(tài)參數(shù)(u、h、s等)。狀態(tài)參數(shù)僅決定于狀態(tài)。對應某一確定狀態(tài),就有一組狀態(tài)參數(shù)。反之,一組確定的狀態(tài)參數(shù)就可以確定一個狀態(tài)。其數(shù)值僅決定于狀態(tài),而與達到該狀態(tài)的途徑無關。因此,狀態(tài)參數(shù)的變化(以壓力p為例)可表示為:,狀態(tài)參數(shù)的微增量具有全微分的性質,即,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,5,一、比體積v——單位質量物質占有的體積。描述系統(tǒng)內(nèi)部物質分布狀況的參數(shù)。,基本狀態(tài)參數(shù):,m3/kg,,密度和比體積互為倒數(shù),即,kg/m3,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,6,二、壓力,絕對壓力p:流體的真實壓力。,相對壓力(表壓力pe、真空度pv):壓力計(真空表)顯示的壓力。,(壓強)p——流體在單位面積上的垂直作用力。描述流體物質組成的熱力系統(tǒng)內(nèi)部力學狀況的參數(shù)。,壓力的單位:Pa,工程上常用MPa(1MPa=106Pa)。其他還在應用的壓力單位有bar(巴)、atm(標準大氣壓)、mmHg(毫米汞柱,0℃)及mmH2O(毫米水柱,4℃)等,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,7,三、溫度,t=T-273.15K,T——表征物體的冷熱程度,是描述系統(tǒng)熱狀況的參數(shù)。,按氣體分子運動學說,氣體的溫度為氣體分子平均移動動能的量度。,熱力學溫標的基本溫度為熱力學溫度T,采用水的固相、液相和汽相三相共存狀態(tài)的溫度作為定義熱力學溫標的固定點,規(guī)定該點的熱力學溫度為273.16K。熱力學溫度單位K為水的三相點溫度的1/273.16。,熱力學溫標也用攝氏溫度t來表示。單位為℃(攝氏度)。攝氏溫度的定義為,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,8,1-3平衡狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)坐標圖,平衡狀態(tài):在沒有外界影響的條件下,熱力系統(tǒng)的宏觀狀況不隨時間變化的狀態(tài)。,平衡條件:,熱平衡——系統(tǒng)內(nèi)具有均勻一致的溫度。力平衡——系統(tǒng)內(nèi)具有確定不變的壓力分布。化學平衡,系統(tǒng)狀態(tài)變化,取決于系統(tǒng)和外界間的能量傳遞。狀態(tài)公理表,明,確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)所需的獨立狀態(tài)參數(shù)的數(shù)目等于系統(tǒng)和外界間進行能量傳遞方式的數(shù)目。對于常見的氣態(tài)物質組成的系統(tǒng),沒有化學反應時,它和外界間傳遞的能量只有熱量和系統(tǒng)容積變化功,因此只要有兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)即可確定系統(tǒng)的狀態(tài)。,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,9,1-4狀態(tài)方程式,狀態(tài)方程式:三個基本狀態(tài)參數(shù)(p、v、T)之間的函數(shù)關系,即:F(p,v,T)=0顯函數(shù)形式:T=f1(p,v),p=f2(v,T),v=f3(p,T),Rg=R/M—氣體常數(shù),M—摩爾質量。對n(mol)理想氣體:pV=RT對m(kg)理想氣體:pV=RgT,理想氣體:相互之間沒有作用力的質點組成的可壓縮流體。,理想氣體狀態(tài)方程式(克拉貝龍方程):對1mol理想氣體:pVm=RTR=8.314510J/(molK)—摩爾氣體常數(shù);Vm—摩爾容積,m3/mol。對1kg理想氣體:pv=RgT,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,10,1-5準靜態(tài)過程和可逆過程,熱力過程——熱力學狀態(tài)連續(xù)變化的歷程。,非準靜態(tài)過程——由一系列不平衡狀態(tài)組成的過程。準靜態(tài)過程——由一系列無限接近平衡狀態(tài)的準靜態(tài)組成的過程。,準靜態(tài)過程進行的條件:推動過程進行的作用無限小。,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,11,實際過程是否可以作為準靜態(tài)過程來處理取決于弛豫時間。弛豫時間:氣體平衡狀態(tài)被破壞后恢復平衡所需的時間。大部分實際過程可近似看做準靜態(tài)過程。因為氣體分子熱運動平均速度可達每秒數(shù)百米以上,氣體壓力傳播速度也達每秒數(shù)百米,因而在一般工程設備的有限空間內(nèi),氣體的平衡狀態(tài)被破壞后恢復平衡所需的時間,即弛豫時間非常短。例如,內(nèi)燃機的活塞運動速度僅每秒十余米,與其中的氣體分子熱運動的平均速度相比相差一個數(shù)量級,機器工作時氣體工質內(nèi)部能及時地不斷建立平衡狀態(tài),因而工質的變化過程很接近準靜態(tài)過程。,準靜態(tài)過程應用的條件,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,12,可逆過程,——熱力學系統(tǒng)進行一個熱力過程后,能沿原過程逆向進行,使系統(tǒng)和有關的外界都返回原來的初始狀態(tài),不留下任何變化的熱力過程。,摩擦、渦流以及溫差傳熱等均為不可逆因素。,可逆過程=無耗散的準靜態(tài)過程。,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,13,1-6可逆過程的功,功的定義(力學):W=Fx功的熱力學定義:熱力學系統(tǒng)和外界間通過邊界而傳遞的能量,且其全部效果可表現(xiàn)為舉起重物。功是過程量;功是傳遞的能量(瞬時量)。,直接由系統(tǒng)容積變化與外界間發(fā)生作用而傳遞的功稱為容積變化功(膨脹功或壓縮功)。由氣缸和活塞所包圍的熱力系統(tǒng)進行一個微元過程,如活塞所受推力F,位移dx,則系統(tǒng)對外界作的膨脹功為:,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,14,對可逆過程,F(xiàn)=pA,所以,系統(tǒng)由狀態(tài)1到狀態(tài)2進行一個可逆過程時,系統(tǒng)與外界的功量交換:,單位質量氣體:,以及,功量在p-v圖上的表示:,功的符號:系統(tǒng)對外作功為正;外界對系統(tǒng)作功為負。,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,15,1-7熱量,熱量的定義:熱力學系統(tǒng)和外界之間僅僅由于溫度不同而通過邊界傳遞的能量。熱量是過程量;熱量是傳遞的能量(瞬時量)。熱量是物體間通過紊亂的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量;而功則是物體間通過有規(guī)則的微觀運動或宏觀運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。熱量符號:系統(tǒng)吸熱時熱量為正,系統(tǒng)放熱時熱量為負。,熱量與功量的類比:勢(勢參數(shù)):推動能量傳遞的作用力,如p,T。狀態(tài)坐標:其變化可作為衡量某種能量傳遞作用的標志,如v。,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,16,功量:,勢:p狀態(tài)坐標:V熱量勢:T狀態(tài)坐標:?取描述熱量傳遞的狀態(tài)坐標為熵:S,單位為J/K。,因此有,對1kg工質:,和,,,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,17,比熱容及用比熱容計算熱量,質量熱容(比熱容)c——1kg物質溫度升高1K(或1℃)所需的熱量,即,熱量是過程量。定容過程的比熱容稱為比定容熱容cV:,和,定壓過程的比熱容稱為比定壓熱容cp:,和,J/(kgK),2020年4月25日,第一章基本概念及定義,18,摩爾熱容,——1mol物質溫度升高1K(或1℃)所需要的熱量,用Cp,m及CV,m表示,單位為J/(molK)。,容積熱容——標準狀態(tài)下1m3的氣體溫度升高1K(或1℃)所需要的熱量,用Cp及CV表示,單位為J/(m3K)。,三種熱容的關系:Cp,m=(22.410-3m3/mol)Cp=Mcp,熱量的計算:,2020年4月25日,第一章基本概念及定義,19,1-8熱力循環(huán),熱力循環(huán)(循環(huán))——封閉的熱力過程。系統(tǒng)由初始狀態(tài)出發(fā),經(jīng)過一系列中間狀態(tài)回到初始狀態(tài)的熱力過程。,循環(huán)凈功量:,循環(huán)凈熱量:,正循環(huán)—順時針進行的循環(huán),熱機循環(huán)。逆循環(huán)—逆時針進行的循環(huán),制冷(熱泵)循環(huán)。,,- 配套講稿:
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