工科大物-热力学基础总结
发表于:2022-09-13 | 分类: 工科大学物理
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系边上老师的课边做的一些笔记以及自己的一些想法,但有时候可能会拖更,分享给大家,有不妥之处,敬请评论区指正。

热力学总结

内能、功、热量、热一律

  • 系统的状态发生变化 -> 热力学过程
    • 弛豫时间:系统由非平衡态达到平衡态所需的时间
    • 准静态过程(平衡过程):过程无限(理想过程)缓慢,每个中间过程都无限接近平衡态(每一点都满足 $ PV = \nu RT$),可以用P-V图表示。
  • 做功(机械能转化的量度):在准静态过程中:

    $状态从 (P_1,v_1,T_1)到(P_2,V_2,T_2)$
    $ A = \int _{1 \rightarrow 2} \vec{F} \cdot d \vec{l} $
    $ = \int_{1 \rightarrow 2} P \cdot S \cdot dl = \int _{v_1} ^{v_2} P dV $

    • 在P-V图上体现为始末状态所围的面积
    • $ \Delta V > 0 气体对外界做正功 ,在P-V图上,顺时钟循环 A > 0 $
  • 热量也是一种能量交换的度量!
  • 热力学第一定律:

    $ 系统内能的增量:\Delta E = A’ + Q (A’ 为外界对系统做的功,Q为外界向系统传递的热量) $
    $\therefore 外界对系统传递的热量 Q = \Delta E + A$
    $ Q = dE + A$

气体的摩尔热容量

  • $热容C:C = \lim _{ \Delta T \to 0 } \frac{ \Delta Q }{ \Delta T} = \frac{dQ}{dT} $
  • $比热容:单位质量物质的热容 C_b = \frac{dQ}{mdT} : J/Kg \cdot K$
  • $ 摩尔热容:J / mol \cdot K$
  • 定容摩尔热容:

    $ C_{V,m} = \frac{ (dQ)_V }{ \nu dT } = \frac{dE}{dT}+ P\frac{dV}{dT} \stackrel{dV=0}{=} \frac{dE}{dT} = \frac{i}{2}R $

  • 定压摩尔热容:

    $ C_{P,m} = \frac{dE}{dT}+ P\frac{dV}{dT} = \frac{i}{2}R+ P\frac{dV}{dT} \stackrel{PV=RT}{==} (\frac{i}{2}+1)R $

  • 比热容比(泊松比):定压摩尔热容比定容摩尔热容
  • 准静态过程的热量的计算

等值过程的过程方程和能量关系

我们研究一个过程可以着重研究四个方面:其特点、过程方程、过程曲线、能量关系。

  • 等压过程

    $ P=const, \frac{V}{T}=const$
    $ A = \int _{V_1}^{V_2} P dV = \nu R \Delta T $
    $ \Delta E = \nu \frac{i}{2} R \Delta T = Q_P - A $
    $ Q_P = \nu C_{P,m} (T_2-T_1) $

  • 等容过程

    $ A = 0 (dV = 0) $
    $ \Delta E = \nu \frac{i}{2} R \Delta T $
    $ Q_V = \Delta E = \nu C_{V,m} \Delta T = \frac{i}{2} V \Delta P $

  • 等温过程

    $PV = const, \Delta E = 0 $
    $Q_T = \nu C_{T,m} \Delta T $
    $\because \Delta T = 0,Q_T为有限量 \Rightarrow C_{T,m} = +\infty $
    $Q_T = A = \int _{1 \to 2} PdV = \int_{V_1}^{V_2} \nu \frac{R}{V}TdV $
    $=\nu R T \ln{\frac{V_2}{V_1} } = \nu R T \ln{\frac{P_1}{P_2} } $

绝热过程

  • 绝热过程:系统在整个过程中,始终不和外界交换热量。

    $ 特点:dQ = 0 , C_{Q,m} = 0 $
    $ dQ = 0 \Rightarrow dA + dE = 0 $
    $ 我们利用等容关系能得到:-PdV = \nu C_{V,m} dT $
    $ 但是我们在绝热过程中P,V都会变$
    $ \therefore 对克拉伯龙方程微分 $
    $ PdV+ VdP = \nu R dT $
    $ 把上式代入得:(C_{V,m}+ R)PdV = - C_{V,m} V dP $
    $\therefore \frac{dP}{P} = - \gamma \frac{dV}{V} $
    $ 两边求导:PV^{\gamma} = const (过程/泊松方程) $

  • 绝热曲线:
    pict1

    • 我们来仔细辨析一下其中的原理,从宏观和微观的角度。
  • 能量关系:

    $ \Delta E = \nu \frac{i}{2} R \Delta T = \nu C_{V,m} \Delta T = -A$
    $\because \frac{i}{2} = \frac{1}{\gamma - 1} $
    $\therefore A = \frac{P_1 V_1 - P_2 V_2}{ \gamma - 1} $

    • 当然,我们也可以通过理气对外做功的方程以及泊松方程直接求A
      $A = \int_{V_2}^{V_1} PdV = $

多方过程

  • 多方过程:理想气体的一般过程。
  • $ 过程方程:PV^n = const $
    • 从方程可以看出,这个过程介于等压过程和等容过程之间,为啥这么说捏?

循环过程

  • 循环过程:从初始状态出发,一系列变化回到初始状态
    pict2
  • $特点:\Delta E = 0 \therefore A = Q $

    $A = \int_LPdV = \pm S_{abcda} $
    $ A的\pm 取决于L路径的正负$

  • 应用:热机与制冷机

拓展—热力经济学

持续更新中。。。

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