物理下2015第11章热力学基础

1、风力发电为了环境不受污染，也为解决一次性能源大量消耗终将导致枯竭的危险，人们在不断的寻求新能源。目前全球风力发电装机容量已超过万兆瓦Chapter 11THERMODYNAMICS11.1 热学的研究对象和研究方法一.热学的研究对象热现象：凡与温度有关的物理性质及状态的变化 或与温度有关的物理现象.热 学：研究热现象的理论例：固体、液体、气体的性质及相互转化温 度：是热学中所引入的物理量. 宏观-冷热程度 微观-物质内部热运动的剧烈程度二. 热学的研究方法热学有两种研究方法,并形成了对应的两大理论。宏观理论（热力学）微观理论（统计物理学）观察和实验力学规律, 统计平均方法宏观量微观量描述宏观物

2、体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。宏观理论(热力学)微观理论(统计物理学)研究对象热现象热现象物 理 量宏观量微观量出 发 点观察和实验微观粒子方 法总结归纳逻辑推理力学规律统计平均方法优 点普遍，直观揭露本质缺 点不深刻无法自我验证二者关系热力学验证统计物理学统计物理学揭示热力学本质11.2 平衡态与准静态过程 理想气体状态方程一. 系统和外界 热力学系统热力学所研究的具体对象，简称系统。系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统与外界可以有相互作用例如：热传递、作功、质量交换等系统系统的分类开放系统系统与外界之间，

3、既有物质交换，又有能量交换。孤立系统系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。封闭系统系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。二. 平衡态宏观性质不变不受外界影响在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。说明(1) 不受外界影响是指系统与外界没有能量和粒子交换两头分别处于冰水和沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态；处于重力场中气体的粒子数密度随高度变化，但它是平衡态。低温T2高温T1(2) 平衡是热动平衡(3) 平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示(4) 平衡态是一种理想状态温度T 、压强p、体积V（质量一定，两个量独立）温度是热力学

4、所特有的温标的三要素：测温属性、定标点、分度法热力学温标K（与测温物质无关）热力学第零定律：（热平衡定律）A、B 、CACB三. 状态参量四.准静态过程系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。热力学过程1221准静态过程在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。非准静态过程实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。如：实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程 S说明 (1) 准静态过程是一个理想过程；(2) 除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程。五.理想气体的状态方程气体的状态方程理想气体

5、的状态方程（平衡态）（克拉珀龙方程）(1) 理想气体的宏观定义(2) 实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作理想气体处理。说明范德瓦耳斯方程气体, 液体? (3) P-V 图上的一点代表系统的一平衡态；OVp准静态过程在状态图上可用一条曲线表示。(4) 混合理想气体的状态方程为其中11.3 功 热量 内能 热力学第一定律一. 功 热量 内能1. 概念热力学系统与外界传递能量的两种方式作功传热是能量传递和转化的量度；是过程量。功(A)热量(Q)是传热过程中所传递能量的多少的量度；是过程量内能(E )是物体中分子无规则运动能量的总和；是状态量系统吸热 ：系统对外作功 ： ;外界对系统作功

6、 ：；系统放热 ：理想气体内能:分子无规则热运动的动能2. 功与内能的关系12外界仅对系统作功，无传热，则说明内能的改变量可用绝热过程中外界对系统所作的功来量度；绝热壁绝热过程3. 热量与内能的关系外界对系统不作功，仅传递热量系统说明(1) 在外界不对系统作功时，内能的改变量也可以用外界对系统所传递的热量来度量；(2) 作功和传热效果一样，本质不同；(3) 内能是系统状态的单值函数，是状态量；功和热量是过程量，不属于任何系统。二. 热力学第一定律外界与系统之间不仅作功，而且传递热量，则有系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分则用以对外界作功 热力学第一定律对于无限小的状态变化过程，

7、热力学第一定律可表示为(1) 热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒 与转换定律。说明(2) 第一类永动机是不可能实现的。这是热力学第一定律的 另一种表述形式。(3) 此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经历的各状态则不一定是平衡态。(4) 适用于任何系统（气、液、固）。热学的研究对象、方法 热力学系统开放系统、封闭系统、孤立系统平衡态状态参量： 温度T 、压强p、体积V热力学过程理想气体的状态方程准静态过程、非准静态过程功(A) 、热量(Q) 、内能(E )热力学第一定律对于无限小的状态变化过程11.4 准静态过程中功和热量的计算一.准静态过程中功的计算SV1V2热力学

8、第一定律可表示为 OVp 功是一个过程量12 适合于任何的准静态过程二. 准静态过程中热量的计算比热 (c):摩尔热容 (C):1. 热容 热容 比热容 摩尔热容注意: 热容是过程量，与具 体过程有关。式中的下标 x 表示具体的过程。例：绝热过程、等温过程2. 定体摩尔热容CV 和定压摩尔热容Cp （1 摩尔物质） (1) 定体摩尔热容CV(2) 定压摩尔热容Cp 3. 热量计算若Cx与温度无关时，则 一般情况下Cx，是温度的函数。11.5 理想气体的内能和CV ，Cp一. 理想气体的内能 气体的内能是 p, V, T 中任意两个参量的函数，其具体形式如何？如 1. 焦耳实验 问题：(1) 实

9、验装置温度一样 实验结果膨胀前后温度计的读数未变气体绝热自由膨胀过程中气体绝热自由膨胀过程中(2) 分析说明 (1) 焦耳实验室是在1845完成的。温度计的精度为 0.01水的热容比气体热容大的多，因而水的温度可能有微小变化，由于温度计精度不够而未能测出。通过改进实验或其它实验方法（焦耳汤姆孙多孔塞实验）,证实仅理想气体有上述结论。理想气体的内能仅是其温度的函数。这一结论称为焦耳定律 (2) 焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。理想气体二. 理想气体的摩尔热容CV 、Cp 和内能的计算 1. 定体摩尔热容CV 和定压摩尔热容Cp 定体摩尔热容CV 定压摩尔热容Cp 压强不变时，将状态方程两边对T

10、求导，有迈耶公式 比热容比 2. 理想气体内能的计算单原子 双原子 多原子 根据热力学第一定律，有解因为初、末两态是平衡态，所以有如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为 p0，右边一半为真空。 例求把中间隔板抽去后，达到新平衡态时气体的压强绝热过程自由膨胀过程思考 11.6 热力学第一定律对理想气体 在典型准静态过程中的应用 一. 等体过程 功 吸收的热量 内能的增量OVpV1等体过程中气体吸收的热量，全部用来增加它的内能，使其温度上升。注意:1.热力学第一定律2. 焦耳定律 3.状态方程+ 具体过程二. 等压过程功吸收的热量内能的增量在等压

11、过程中理想气体吸收的热量，一部分用来对外作功，其余部分则用来增加其内能。 p1OVp恒温热源S l 三. 等温过程 内能的增量 功 吸收的热量在等温膨胀过程中 ，理想气体吸收的热量全部用来对外作功，在等温压缩中，外界对气体所的功，都转化为气体向外界放出的热量。SOVpV1V2质量为2.8g，温度为300K，压强为1atm的氮气， 等压膨胀到原来的2倍。氮气对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量 解例求根据等压过程方程，有因为是双原子气体11.7 绝热过程一. 绝热过程系统在绝热过程中始终不与外界交换热量。 良好绝热材料包围的系统发生的过程 进行得较快，系统来不及和外界交换热量的过程1. 过程方

12、程 对无限小的准静态绝热过程 有利用上式和状态方程可得准静态过程中理想气体理想气体的内能等体过程 等压过程等温过程绝热过程2. 过程曲线微分A绝热线等温线绝热线要比等温线陡一些VpO 物理意义？思考? 什么情况下，气体的摩尔热容为零？为正、负值？为无限大？绝热过程中 ，理想气体不吸收热量，系统减少的内能，等于其对外作功 。 3. 绝热过程中功的计算温度为25，压强为1atm 的1mol 刚性双原子分子理想气体经等温过程体积膨胀至原来的3倍。 (1) 该过程中气体对外所作的功；(2) 若气体经绝热过程体积膨胀至原来的3 倍，气体对外所 作的功。解例求VpO(1) 由等温过程可得(2) 根据绝热过程方程，有有二. 多