探究熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

探究熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用摘要：熱力學(xué)第一定律即為能量守恒定律，在各個學(xué)科各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，熱力學(xué)第一定律的發(fā)展和應(yīng)用極大的改變了我們的生活。關(guān)鍵字：熱力學(xué)第一定律熱機能量守恒卡諾循環(huán)引言：曾經(jīng)有人想著制造一種機器，只需提供初始能量使其運動起來就可以永遠地運動下去，可以源源不斷自動地對外作功，現(xiàn)在人們稱其為第一類永動機。隨著熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)，人們認識到：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同的形式，可從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞的過程中能量的物體內(nèi)能的增加等于物體從外界吸收的熱量與物體對外界所做功的總和。即第一類永動機是不可能被造出來的，熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)揭示了自然界是一個相互聯(lián)系的整體，極大的推動了科學(xué)的發(fā)展。熱力學(xué)第一定律的表述：根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，在系統(tǒng)狀態(tài)變化時，系統(tǒng)能量的改變量等于系統(tǒng)與外界交換的能量，在準靜態(tài)過程中，系統(tǒng)改變的僅為內(nèi)能，一般情況下與外界可能同時有功和熱量的交換，即Q=△E+W表示系統(tǒng)吸收的熱量，一部分轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的內(nèi)能；另一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)對外所做的功。這就是熱力學(xué)第一定律的數(shù)字表達式。熱力學(xué)第一定律的基本內(nèi)容：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?；消耗一定的功必產(chǎn)生一定的熱，一定的熱消失時，也必產(chǎn)生一定的功。熱力學(xué)第一定律在理想氣體等值過程中的應(yīng)用：氣體等容的特征是氣體的體積保持不變等容過程在p-V的圖上為一條平行于p軸的直線段，叫做等容線，如圖所示，理想氣體等容過程有p/T為恒量。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，過程中的能量關(guān)系有dQv=dEQv=△E=E1-E2在等容過程中，外界傳給氣體的熱量全部用來增加氣體的內(nèi)能，系統(tǒng)對外不做功。等壓過程的特征是系統(tǒng)的壓強保持不變等壓過程在p-V圖上為一條平行于V軸的直線段，叫做等壓線，理想氣體等壓過程有V/T為守恒。再等壓過程中，由于p為常數(shù)，當(dāng)氣體體積從V1擴大到V2時，系統(tǒng)W為輸出功，其中Q1為整個熱機循環(huán)的所有吸熱之和，Q2為整個熱機循環(huán)的所有放熱之和。熱機是實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的主要設(shè)備，常見的有柴油機和汽油機，通過將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，是通過做功改變內(nèi)能。制冷系數(shù)制冷系數(shù)，是指單位功耗所能獲得的冷量。制冷機將具有較低溫度的被冷卻物體的熱量轉(zhuǎn)移給環(huán)境介質(zhì)從而獲得冷量的機器。從較低溫度物體轉(zhuǎn)移的熱量習(xí)慣上稱為冷量。逆循環(huán)過程中向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃看笮〉扔趶牡蜏責(zé)嵩粗刑崛〉臒崃亢屯饨鐚べ|(zhì)做的功之和，這就是制冷機的工作原理。由于制冷機的目的是從低溫?zé)嵩次諢崃?，實現(xiàn)該目的是以外界對工質(zhì)做功為代價的，所以制冷機的效能是外界對制冷機做了功，能從低溫?zé)嵩次斩啻蟮臒崃?，因此，制冷系?shù)定義為：e=從低溫處吸取的熱量/外界對工質(zhì)做凈功大小=Q2/W凈=Q2/(Q1-Q2)制冷機內(nèi)參與熱力過程變化（能量轉(zhuǎn)換和熱量轉(zhuǎn)移）的工質(zhì)稱為制冷劑。制冷的溫度范圍通常在120K以上，120K以下屬深低溫技術(shù)范圍。制冷機廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。2.卡諾循環(huán)1824年法國工程師卡諾提出了一種理想的熱機的循環(huán)：假設(shè)工作物質(zhì)只與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量，在溫度為T1的高溫處吸熱，在另一溫度為T2的低溫?zé)嵩刺幏艧幔⒓俣ㄋ羞^程都是準靜態(tài)，由于過程是準靜態(tài)的，由于過程是準靜態(tài)的，所以與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量的過程必定是等溫過程，又因為只與兩個熱源交換熱lia卡諾循環(huán)的效率只與兩個熱源的熱力學(xué)溫度有關(guān)，如果高溫?zé)嵩吹臏囟龋?愈高，低溫?zé)嵩吹臏囟龋?愈低，則卡諾循環(huán)的效率愈高。因為不能獲得Ｔ1→∞的高溫?zé)嵩椿颍?=0K（-273℃）的低溫?zé)嵩?，所以，卡諾循環(huán)的效率必定小于1。任何工作物質(zhì)作卡諾循環(huán)，其效率都一致

可以證明，以任何工作物質(zhì)作卡諾循環(huán)，其效率都一致；還可以證明，所有實際循環(huán)的效率都低于同樣條件下卡諾循環(huán)的效率，也就是說，如果高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟却_定之后，卡諾循環(huán)的效率是在它們之間工作的一切熱機的最高效率界限。因此，提高熱機的效率，應(yīng)努力提高高溫?zé)嵩吹臏囟群徒档偷蜏責(zé)嵩吹臏囟取？ㄖZ循環(huán)的效率推導(dǎo)：

對于理想氣體

Ⅰ等溫可逆膨脹Ⅱ絕熱可逆膨脹

Ⅲ等溫可逆壓縮Ⅳ絕熱可逆壓縮根據(jù)熱力學(xué)第一定律整個循環(huán)的系統(tǒng)對環(huán)境所做的功都是絕熱反應(yīng)所以這兩部過程方程簡化為1

由卡諾循環(huán)得知提高熱機效率的方法：要提高卡諾熱機效率應(yīng)盡量提高高溫?zé)嵩礈囟然虮M量降低低溫?zé)嵩礈囟?，使T2/T1越來越小。由以上可知：（1）要完成一次卡諾循環(huán)必須有溫度一定的高溫和低溫兩個熱源。（2）卡諾循環(huán)的效率只與兩個熱源溫度有關(guān)，高溫?zé)嵩礈囟仍礁?，低溫?zé)嵩礈囟仍絹碓降停ㄖZ循環(huán)的效率越高。（3）由于不能實現(xiàn)T1=∞或T2=0（熱力學(xué)第三定律），因此，卡諾循環(huán)的效率總是小于1。（4）可以證明：在相同高溫和低溫?zé)嵩粗g的一切熱機中，卡諾熱機的效率最高?？ㄖZ循環(huán)諾循環(huán)的意義在于從理論上認證提高熱機的工作效率.循環(huán)就是要維持能量的動態(tài)平衡：既是吸收的總能量與損失的熱量和對外做功之和維持相等關(guān)系。參考文獻[1]汪志誠．熱力學(xué)·統(tǒng)計物理[M]．北京：高等教育出版社，2003：33—35.[2]靳海琴，王筠．熱機及其效率研究[J]．湖北第二師范學(xué)院學(xué)報．2009：1[3]《動力工程學(xué)報》20