大学物理第九章热力学讲解课件

1、第九章 热力学基础物理学的第三次大综合 物理学的第三次大综合是从热学开始的，涉及到宏观与微观两个层次 . 宏观理论热力学的两大基本定律: 第一定律, 即能量守恒定律; 第二定律, 即熵增加定律 . 科学家进一步追根问底, 企图从分子和原子的微观层次上来说明物理规律, 气体分子动理论应运而生 . 热力学与统计物理的发展, 加强了物理学与化学的联系, 建立了物理化学这一门交叉科学 . 热学研究对象 热运动 : 构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规运动 .热现象 : 与温度有关的物理性质的变化。单个分子 无序、具有偶然性、遵循力学规律.研究对象特征整体（大量分子） 服从统计规律 . 宏观量：表

2、示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）, 如 等 . 微观量：描述个别分子运动状态的物理量（不可直接测量），如分子的 等 .宏观量微观量统计平均 研究方法1. 热力学 宏观描述 实验经验总结， 给出宏观物体热现象的规律，从能量观点出发，分析研究物态变化过程中热功转换的关系和条件 . 1）具有可靠性； 2）知其然而不知其所以然； 3）应用宏观参量 .特点2. 气体动理论 微观描述 研究大量数目的热运动的粒子系统，应用模型假设和统计方法 .两种方法的关系气体动理论热力学相辅相成 1）揭示宏观现象的本质； 2）有局限性，与实际有偏差，不可任意推广 .特点1.热力学系统 把研究的对象视为一个系统，称

3、为热力学系统，而系统以外的部分则称为外界。 外界热力学系统9-1 热力学的基本概念一热力学系统热力学系统是一个由大量的微观粒子（分子、原子）组成的宏观系统。热力学系统与外界只有能量交换而无物质交换，则该系统称为封闭系统外界热力学系统热力学系统与外界既有能量交换又有而无物质交换，则该系统称为开放系统热力学系统与外界既无能量交换又无物质交换，则该系统称为孤立系统平衡态的特点*1）单一性（ 处处相等）;2）热动平衡（有别于力平衡）. 1.平 衡 态 一定量的气体，在不受外界的影响下, 经过一定的时间, 系统达到一个稳定的, 宏观性质不随时间变化的状态称为平衡态 .（理想状态）二 热力学过程准静态过程

4、 热力学过程系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程系统的热力学过程进行得无限缓慢，以致于每一个中间状态都可视为平衡态p 2.热力学过程一个点：表示一个平衡态12p V 图上注意一条曲线：表示一个准静态过程答案 1. 如图所示，当气缸中的活塞迅速向外移动从而使气体膨胀时，气体所经历的过程 A.是平衡过程，它能用pV图上的一条曲线表示 B.不是平衡过程，但它能用pV图上的一条曲线表示 C.不是平衡过程，它不能用pV图上的一条曲线表示 D.是平衡过程，但它不能用pV图上的一条曲线表示随堂小议1. 气体状态参量：压强(P)、体积(V)、温度(T) 压强（p）：作用于容器壁上单位面积的力。体积（V）分

5、子热运动所能达到的空间，即容器体积. 单位：帕斯卡（Pa）、大气压（atm）、 毫米汞柱（mmHg）单位：立方米（m3）、升（L）=760mmHg1mmHg=133.3Pa三 理想气体物态方程AB导热板A、B 两系统达到 热平衡 时，两系统具有一个共同的宏观性质 温度 。温度（T）：互为热平衡的系统所具有的的一个共同的宏观性质，称为系统的温度 。温标：温度的定量表示。摄氏温标：t（0C）热力学温标：T（K）2 理想气体物态方程 物态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数关系 .对一定质量的同种气体理想气体物态方程理想气体宏观定义：遵守三个实验定律的气体 .摩尔数气体普适常量气体质量(kg)气体摩

6、尔质量p(atm) ,V(升)，T（K）p(Pa) ,V(m3)，T（K）2 公式适用条件国际单位气体压强不太大，温度不太低，密度不太高例1 一容器内贮有氧气0.10kg，压强为10atm，温度为470C。因容器漏气，过一段时间后，压强减到原来的5/8，温度降到270C。问： （1）容器体积为多大？ （2）漏去了多少氧气？ 解：（1）=RTpVn )(1031.8 10013.110)15.27347(31.8) 1032/10.0(3353mpRTV-=+=n （2）=RTMmRTVpn )(1067.6)15.27327(31.81031.810013.110) 8/5(10322353k

7、gRTVMpm-=+= )(1033.31067.610.022kgmmm-=-=-=D 准静态过程功的计算 要使热力学系统状态改变，可以通过外界对系统作功，或向系统传递热量. 9-2 热力学第一定律 一 改变系统内能的两个途径 热功当量1. 功（过程量）准静态过程功的计算注意：作功与过程有关 .系统对外界作正功系统对外界作负功2. 热 量（过程量）系统和外界之间存在温差而发生的能量传递 .1）过程量：与过程有关；2）等效性：改变系统热运动状态作用相同； 宏观运动分子热运动功分子热运动分子热运动热量3）功与热量的物理本质不同 .1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡功与热量的异同

8、3. 内能通过外界对系统作功，使系统状态发生变化通过向系统传递热量，使系统状态发生变化 引入一个系统状态函数 ，E 称为系统的内能 可以通过作功（用表示）或传递热量（用表示），使系统从一状态过渡到另一状态，W只与系统始、末状态有关，而与具体过程无关。 内能是状态量：实际气体：理想气体：内能是温度的单值函数： 内能指与微观热运动有关的能量，不包括系统整体的机械能。二热力学第一定律 系统所吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分用于系统对外做功 无限小过程 Sp1E1QWSp2E2数学表达式 Q，W，DE的正负号的意义 DE：增大为正，减小为负 W：系统对外做功为正，外界对系统做为负 Q：吸热

9、为正，放热为负 另一种描述：第一类永动机是不存在的 如研究的系统为气体，热力学第一定律的数学表达式为 永 动 机 的 设 想 图 等值过程:9.3 热力学第一定律的应用一 热力学第一定律对于理想气体等值过程的应用系统状态变化过程中, 有一个状态不变. 等值过程有: 等容过程、等压过程、等温过程. （1）（理想气体方程）（2）( 热力学第一定律 )1.等容过程 热力学第一定律特性 常量过程方程 系统对外做功为 0系统从外界吸收的热量全部转化为内能的增加单位 定体摩尔热容: 理想气体在等体过程中吸收的热量 ，使温度升高 , 其定体摩尔热容为 定体摩尔热容另一表述: 理想气体在等体过程中, 温度每升

10、高(或降低) 10C,吸收的热量.i 气体分子的自由度 等体升压 12 摩尔理想气体在等体过程中, 温度从T1升高到T2(或降低) ,吸收的热量为 等体降压 122等压过程 12热一律特 性 常量对外作功W过程方程 内能增加不管什么过程，多可用吸收热量 定压摩尔热容: 理想气体在等压过程中吸收的热量 ，温度升高 ，其定压摩尔热容为 定压摩尔热容另一表述: 理想气体在等压过程中, 温度每升高(或降低) 10C,吸收的热量. T=11mol 定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系 比热容比 等压过程 吸收热量内能增加对外作功12A等 压 膨 胀12A等 压 压 缩 W W答案D 1. 用公式 (式中 为

11、定体摩尔热容量，视为常量， 为气体摩尔数)计算理想气体内能增量时，此式 (A) 只适用于准静态的等体过程 (B) 只适用于一切等体过程 (C) 只适用于一切准静态过程 (D) 适用于一切始末态为平衡态的过程随堂小议3等温过程 热力学第一定律恒温热源T12特征 常量过程方程常量12等温膨胀W12W等温压缩 W W4绝热过程、多方过程 12与外界无热量交换的过程特征绝热的汽缸壁和活塞热一律一 绝热过程 系统对外界作功，通过系统的内能的减少来完成1. 绝热过程方程12绝 热 方 程常量常量常量 比热容比 12A绝 热 膨 胀12A绝 热 压 缩 A A2. 绝热线和等温线绝热过程曲线上任意一点的斜率

12、常量AC常量 等温过程曲线上任意一点的斜率 绝热线的斜率大于等温线的斜率，绝热线比等温线陡常量ABC常量3. 绝热过程的E、W和Q绝热自由过程的E、A和Q注意p 真空 例1 设有 5 mol 的氢气，最初的压强为 温度为 ，求在下列过程中，把氢气压缩为原体积的 1/10 需作的功: 1）等温过程，2）绝热过程 . 3）经这两过程后，气体的压强各为多少？解 1）等温过程2）氢气为双原子气体由表查得 ，有12常量3）对等温过程对绝热过程, 有12常量答案A 1. 如图所示，一定量理想气体从体积V1，膨胀到体积V2分别经历的过程是：AB等压过程，AC等温过程；AD绝热过程，其中吸热量最多的过程 (A) 是AB. (B)是AC. (C)是AD. (D)既是AB也是AC, 两过程吸热一样多。随堂小议 2. 理想气体向真空作绝热膨胀 (A) 膨胀后，温度不变，压强减小 (B) 膨胀后，温度降低，压强减小 (C) 膨胀后，温度升高，压强减小 (D) 膨胀后，温度不变，压强不变答案A答案B 3. 一定量的理想气体，从 pV 图上初态a经历(1)或(2)过程到达末态b，已知a、b两