热学的研究对象和研究方法ppt课件

1、第第 9 章章 热力学热力学1热学的研讨对象和研讨方法热学的研讨对象和研讨方法2平衡态平衡态 理想气体形状方程理想气体形状方程3 功功 热量热量 热力学第一定律热力学第一定律4 准静态过程中功和热量的计算准静态过程中功和热量的计算5 理想气体的内能和热容理想气体的内能和热容 6热力学第一定律运用热力学第一定律运用 7绝热过程绝热过程8 循环过程循环过程 9热力学第二定律热力学第二定律10 可逆与不可逆过程可逆与不可逆过程 11卡诺循环卡诺定理卡诺循环卡诺定理概概 述述1热学的研讨对象和研讨方法热学的研讨对象和研讨方法 一、一、冷热冷热 - 温度温度与温度有关的物理规律与温度有关的物理规律热学的

2、意义：热学的意义：1)大量存在大量存在 2)能量转化能量转化对象的特征：大量无规运动的粒子组成对象的特征：大量无规运动的粒子组成超人超人 与宇宙同时出生与宇宙同时出生(150(150亿年前亿年前) )每秒数每秒数10个分子个分子数到如今才数了数到如今才数了mol107地球上全部大气约有地球上全部大气约有1044个分子个分子一个人每次呼吸气体大约是一个人每次呼吸气体大约是1022个分子个分子比值接近比值接近1个摩尔的数值个摩尔的数值二、研讨热景象的两大分支二、研讨热景象的两大分支1. 热力学热力学 宏观宏观 实验实验 能量能量 可靠可靠2. 统计物理统计物理微观微观实际模型实际模型相辅相成、相互

3、补充相辅相成、相互补充普物的义务普物的义务开门、见识开门、见识物理的绿洲物理的绿洲经典粒子经典粒子量子粒子量子粒子牛顿力学规律牛顿力学规律量子力学规律量子力学规律先经典、后量子先经典、后量子概念、方法相通概念、方法相通 统计物理的根本思想统计物理的根本思想 宏观上的一些物理量是组成系统的大量分子宏观上的一些物理量是组成系统的大量分子 进展无规运动的一些微观量的统计平均值进展无规运动的一些微观量的统计平均值 宏观量宏观量 实测的物理量实测的物理量 如如 P T V 等等 微观量微观量 组成系统的粒子组成系统的粒子(分子、原子、或其它分子、原子、或其它) 的质量、动量、能量等等的质量、动量、能量等

4、等无法直接丈量的量无法直接丈量的量气体分子系统的统计分布气体分子系统的统计分布处理问题的普通思绪处理问题的普通思绪从单个粒子的行为出发从单个粒子的行为出发大量粒子的行为大量粒子的行为- 统计规律统计规律统计的方法统计的方法方式：假设方式：假设 结论结论 验证验证 修正修正 实际实际例如：微观以为宏观量例如：微观以为宏观量P 是大量粒子碰壁的平均作用力是大量粒子碰壁的平均作用力先看一个先看一个碰一次碰一次tiIifdd再看再看集体集体AfPii统计方法：统计方法：一个粒子的多次行为一个粒子的多次行为多个粒子的一次行为多个粒子的一次行为结果一样结果一样如：掷硬币如：掷硬币 看正反面出现的比例看正反

5、面出现的比例 比例接近比例接近1/2统计规律性：统计规律性：大量随机事件从整体上表现出来的规律性大量随机事件从整体上表现出来的规律性 量必需很大量必需很大(魔术师魔术师)统计规律性具有涨落性质统计规律性具有涨落性质(伽耳顿板演示伽耳顿板演示xx小球落入其中一小球落入其中一.分布服从统计规律分布服从统计规律大量小球在空间的大量小球在空间的格是一个偶尔事件格是一个偶尔事件 小球数按空间小球数按空间位置位置 x 分布曲线分布曲线伽耳顿板演示伽耳顿板演示什么叫统计规律？什么叫统计规律？在一定的宏观条件下在一定的宏观条件下 大量偶尔事件在整体上大量偶尔事件在整体上表现出确定的规律表现出确定的规律统计规律

6、必然伴随着涨落统计规律必然伴随着涨落什么叫涨落？什么叫涨落？对统计规律的偏离景象对统计规律的偏离景象涨落有时大涨落有时大 有时小有时小 有时正有时正 有时负有时负例如：伽耳顿板实验中例如：伽耳顿板实验中 某坐标某坐标x附近附近x区间区间内分子数为内分子数为N 涨落的幅度：涨落的幅度：N涨落的百分比：涨落的百分比：NN如如610N涨落幅度涨落幅度涨落百分比涨落百分比100011000什么概念呢？什么概念呢？某次丈量落在这个区间的分子数是：某次丈量落在这个区间的分子数是：1001000999000假设在这个区间的分子数是：假设在这个区间的分子数是：1N涨落幅度涨落幅度和涨落百分比和涨落百分比%10

7、01结论：分子数愈多结论：分子数愈多 涨落的百分比愈小涨落的百分比愈小 涨落实例：微电流丈量时电流的涨落涨落实例：微电流丈量时电流的涨落电子器件中的电子器件中的“热噪声热噪声热力学根底热力学根底从实验归纳总结从实验归纳总结定律定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律根底定律根底定律位置：位置：相当于力学中的牛顿定律相当于力学中的牛顿定律-能量转化能量转化-过程方向性过程方向性2平衡态平衡态 理想气体形状方程理想气体形状方程 本课程中研讨对象的理想特征本课程中研讨对象的理想特征1.对象对象 理想气体理想气体 宏观定义：宏观定义：严厉遵守气体三定律严厉遵守气体三定律 实践气体理

8、想化：实践气体理想化：P 不太高不太高 T 不太低不太低微观上也有定义微观上也有定义实际框架主体是实际框架主体是理想气体理想气体1) 在理想气体实际在理想气体实际根底上加以修正根底上加以修正2) 阅历阅历假设高假设高压压 低温？低温？2.形状形状平衡态平衡态定义：定义：在不受外界影响的条件下在不受外界影响的条件下 对一个孤立对一个孤立系统系统 经过足够长的时间后经过足够长的时间后 系统到达系统到达一个宏观性质不随时间变化的形状一个宏观性质不随时间变化的形状用一组宏观量描画某时的形状用一组宏观量描画某时的形状11TP22TPTP非平衡态非平衡态实践上的处置：实践上的处置：1)能否可看作平衡态？能

9、否可看作平衡态？ 足够长足够长2)真实不行真实不行 - 分小块分小块3)远离平衡态远离平衡态 - 非线性非线性 耗散构造耗散构造本课的主体：本课的主体：平衡态平衡态引见：引见： 远离平衡态远离平衡态恒高温恒高温恒低温恒低温温度温度 一、几个根本概念一、几个根本概念 1.温度温度处于热平衡的系统所具有的共同的宏观性质处于热平衡的系统所具有的共同的宏观性质 2.热平衡定律热平衡定律(热力学第零定律热力学第零定律)实验阐明：假设实验阐明：假设 A与与C热平衡热平衡 B与与C热平衡热平衡 那么那么 A与与B热平衡热平衡意义：互为热平衡的物体必然存在一个一样的意义：互为热平衡的物体必然存在一个一样的 特

10、征特征- 它们的温度一样它们的温度一样二、理想气体形状方程二、理想气体形状方程RTMPV M - 质量质量 - mol 质量质量V - 理气活动空间理气活动空间J/K.mol31. 8RR-普适气体恒量普适气体恒量第零定律第零定律 不仅给出了温度的概念不仅给出了温度的概念 而且指而且指 出了判别温度能否一样的方法出了判别温度能否一样的方法 热力学温标T单位：K 开尔文，摄氏温标与热力学温标的换算关系：15.273TtRTMPV 常用方式常用方式系统内有系统内有 N个分子个分子每个分子质量每个分子质量 mNmM mNAmol10023623/.NATNRVNPAnkTP 常用方式常用方式RTMP

11、V nkTPVNn ANRk 分子数密度分子数密度 mol10023623/.NAJ/K1038123 .kJ/K.mol318.R 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数理想气体形状方程理想气体形状方程热力学系统由大量粒子组成热力学系统由大量粒子组成1) 标况标况KT273a5P10013. 1atm1PkTPn 2731038. 110013. 1235325m10692/.十亿亿亿十亿亿亿2) 高真空高真空mmHg1013PKT273kTPn 2731038.176010013.1102351339m10543/.十亿十亿 大量、无规大量、无规 统计方法统计方法 数学根底数学根底-概率论概率论1.理气

12、形状方程理气形状方程nkTPRTMPVRTPV2.不漏气系统不漏气系统各形状的关系各形状的关系CTPV讨论讨论3. P-V 图图TVP.TVP.通常还画通常还画 P - T、P - VT - V 、T E 图图PVP V 图上一个点代表一个平衡态图上一个点代表一个平衡态一条线代表一个准静态过程一条线代表一个准静态过程3 3 功功 热量热量 热力学第一定律热力学第一定律保守系系统在其质心参考系中的机械能守恒定律intint,int,EEEAABext系统的内能等于系统 的内动能及各质点间的势能的总和pkEEEint,int改动热力学形状的两种能量交换方式改动热力学形状的两种能量交换方式热力学过程

13、热力学过程 系统形状发生变化的过程系统形状发生变化的过程 外界对系统作功外界对系统作功 宏观功宏观功 2.从外界吸收热量从外界吸收热量 微观功微观功21TT 结论：结论： 1) 1)改动系统形状改动系统形状(E)(E)的方式有两种的方式有两种作功作功传热递传热递2)作功、传热是一样性质的物理量作功、传热是一样性质的物理量 均是均是 过程量过程量AQAEQAEQddd适用一切过程适用一切过程 一切系统一切系统初末态是平衡态初末态是平衡态热力学第一定律热力学第一定律 对系统做的功对系统做的功QAAextEQAA那么以 表示系统对外界做的功，那么 AA热力学第一定律热力学第一定律l每一时辰系统都处于

14、平衡态每一时辰系统都处于平衡态l实践过程的理想化实践过程的理想化-无限缓慢无限缓慢(准准)l“无限缓慢：系统变化的过程时间无限缓慢：系统变化的过程时间驰豫时驰豫时间间l例例1 气体的准静态紧缩气体的准静态紧缩过程时间过程时间 1 秒秒准静态过程准静态过程s103驰豫驰豫时间时间0 = 0 oPV等温线2V1V21绝热线绝热过程的过程方程例11.327页了解记忆了解记忆3030页表页表11.211.2二、二、 自在膨胀自在膨胀 特点：迅速特点：迅速 来不及与外界交换热量来不及与外界交换热量 那么那么Q = 0 非静态过程非静态过程 无过程方程无过程方程 方法：只能靠普遍的定律热方法：只能靠普遍的

15、定律热律律EAddEA自在膨胀自在膨胀22V2V绝热热一定律绝热热一定律自在膨胀自在膨胀22V2V0A210EEE0T理气理气形状方程形状方程P能量能量守恒守恒EA由由由于自在膨胀由于自在膨胀 所以系统对外不作功所以系统对外不作功 即即得得 自在膨胀自在膨胀22V2V0A0E能量能量守恒守恒思索：绝热自在膨胀思索：绝热自在膨胀初态和末态温度一样初态和末态温度一样内能不变，温度复原内能不变，温度复原21TT 理气理气222121112RTVpRTVpVp1221pp 1.循环过程循环过程系统阅历一个热力学过程后系统阅历一个热力学过程后 又回到初态又回到初态0EPVababEEAQba11baEE

16、AQab222121AAQQ净净AQ循环净净SAQ2.能量特点能量特点8 循环过程热机循环与制冷循环循环过程热机循环与制冷循环1. 热机循环热机循环目的：吸热对外作功目的：吸热对外作功1) PV 图图正正2)热流图热流图高温热源高温热源低温热源低温热源1Q2Q净A3)目的目的-效率效率吸净QA121QQQ 2.制冷循环制冷循环目的：经过外界作功目的：经过外界作功 从低从低温热源吸热温热源吸热1) PV 图图逆逆2)热流图热流图高温高温低温低温外净A2Q1Q3)制冷系数制冷系数外净吸AQw212QQQ0净净QA0净净QA 重要阐明：重要阐明：在热机、制冷机部分在热机、制冷机部分 由于实践中的需求

17、或由于实践中的需求或说是习惯说是习惯 无论是吸热还是放热一概取正值无论是吸热还是放热一概取正值那么热机效率和制冷系数写成：那么热机效率和制冷系数写成：212121211QQQwQQQQQ例题11.5，11.6 ，11.7见33，34页11 卡诺循环卡诺循环 只与两个恒温热源交换能量的无摩擦的只与两个恒温热源交换能量的无摩擦的 准静态循环准静态循环1.卡诺热机卡诺热机1T2T1Q净A2Q热流图热流图P V 图图pOV1p2p3p4pADBC1Q2QW1V4V2V3V2T1TPabcdA1211lnVVRTQba4322lnVVRTQcb132121VTVTcb142111VTVTad恒温热源过程

18、恒温热源过程 吸吸 放热放热绝热过程方程绝热过程方程pOV1p2p3p4pADBC1Q2QW1V4V2V3V2T1TPabcdA121QQC121TTC1243VVVV由两个绝热过程得循环闭合条件由两个绝热过程得循环闭合条件卡诺热机效率卡诺热机效率代入数据得代入数据得只与只与T1和和T2有关有关与物质种类、膨胀的体积无关与物质种类、膨胀的体积无关21TTc提提高高提高高温热源的温度现实些提高高温热源的温度现实些2 ) 实际指点作用实际指点作用 讨论讨论1 )卡诺热机效率卡诺热机效率121TTC1c进一步阐明进一步阐明热机循环不向低温热源放热是不能够的热机循环不向低温热源放热是不能够的热机循环至少需求两个热源热机循环至少需求两个热源3)实际阐明低温热源温度实际阐明低温热源温度T2 0 阐明热机效率阐明热机效率且只能且只能1C留意留意:0S0S三、三、 熵与热量熵与热量1.克劳修斯熵公式克劳修斯熵公式1T2T1Q2Q由热力学温标由热力学温标02211TQTQ卡诺循环卡诺循环0iiiTQ可逆循环中有可逆循环中有可逆循环可逆循环QTQTiiii11220恣意可逆过程恣意可逆过程(准静态、无摩擦准静态、无摩擦)PVQi1Qi2Ti1T