物理-课件第三章热力学

Chapter3热力学热力学是以能量转换的观点研究物质系统在状态变化过程中内能、功和热量等热学性质及其转换规律的科学。引言热力学与气体动理论是一对姊妹学科热力学的核心是热力学第一定律和热力学第二定律热力学第一定律及在等值过程的应用

本章的重点热力学第二定律及其微观本质

§1热力学的基本概念1、热力学系统(系统)指热力学的研究对象，分为三类：（1）开放系统（opensystem）系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。开放系统（2）封闭系统（closedsystem）体系与环境之间无物质交换，但有能量交换（3）孤立系统（isolatedsystem）体系与环境之间既无物质交换，又无能量交换封闭系统孤立系统3、热力学过程：21122、平衡状态：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。系统从某平衡态开始经历一系列的中间状态到达另一平衡态的过程。2)非准静态过程：说明：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。S1)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。从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所经历的中间状态是非平衡态过程。p－V图P1V1P2V2P1V1P2V2P1V1P2V2OVp12OVp12VOp123）可逆过程：若系统经历了一个过程，而过程的每一步都可沿相反的方向进行，同时不引起外界的任何变化，那么这个过程就称为可逆过程。例：无能量耗散的准静态过程是可逆过程（理想过程）。热传导不可逆;自由膨胀过程不可逆;扩散不可逆;热功转换不可逆;如对于某一过程，用任何方法都不能使系统和外界恢复到原来状态，该过程就是不可逆过程。4）不可逆过程：例如：4、内能(E)（Internalenergy）

：理想气体:是系统中分子无规则热运动能量和分子间相互作用势能的总和，是状态量（态函数）。内能是状态的单值函数。当系统状态变化时内能的变化只由初、末状态所决定，与过程无关。系统从某一状态经历一系列变化回到原来的状态，则说明:改变系统内能的两种不同方法：钻木取火

——通过做功的方式将机械能转换为物体的内能。烤火

——通过热量传递提高物体内能。5、功(W）（Work）：是能量转化的量度，是过程量系统对外界作功：外界对系统作功：OVp12SV1V2气体由状态1变化至状态2所做的功的大小等于P-V图上过程曲线下的面积（几何意义）；功是一个过程量，不仅取决于系统的始末状态，而且与系统所经历的过程有关。说明:OVp121OVp21OVp2系统吸热：系统放热：传热的微观本质是：分子热运动的能量通过分子间的碰撞发生传递，从而改变了系统的内能。6、热量(Q)（Heatquantity）

：是传热过程中所传递能量的量度，是过程量。+系统吸热系统放热内能增加内能减少系统对外界做功外界对系统做功7、热容(C)（Heatcapacity）：

某一物质或系统温度升高（降低）1K所吸收（释放）的热量。摩尔热容：比热容：单位：单位：

等体摩尔热容:等压摩尔热容:§2热力学第一定律

热力学第一定律

由热力学第一定律可知，第一类永动机是无法制成的。理想气体等值过程1.等体过程(1)特征:

(2)能量转化:OVpⅠⅡV1物理意义：等体过程中系统吸收的热量，全部用来增加其内能，使其温度上升。

1、等体摩尔热容:对于理想气体:2、理想气体能量转化:

讨论:2.等压过程(1)特征:(2)能量转化:OVⅠⅡp物理意义：在等压过程中系统吸收的热量，一部分用来对外做功，其余部分则用来增加其内能。p

1、等压摩尔热容：比热容比:(J.Mayer)迈耶公式讨论:2、理想气体能量转化:3.等温过程(1)特征:(2)能量转化:OVⅡⅠ物理意义：在等温过程中，系统所吸收的热量全部转化为对外所做的功。p4.绝热过程(1)特征:(2)能量转化:OVⅡⅠ物理意义：在绝热过程中系统对外做功完全是通过内能的减少完成的。（1）理想气体绝热方程（泊松方程）：（2）在P—V图中绝热线比等温线陡峭。讨论:A特征等体过程等压过程等温过程绝热过程例:分别通过下列准静态过程把标准状态下0.014kg氮气压缩到原体积的一半。1)等温过程；2)等压过程；3)绝热过程。求：在这些过程中，气体内能的改变，传递的热量和外界对气体所做的功。(设氮气为理想气体)1)等温过程解：氮气为双原子刚性分子理想气体，其2)等压过程3）绝热过程:§3热力学第二定律如果循环是准静态过程，在P–V图上就构成一闭合曲线(系统对外所作的净功)VpOca特征:bd循环过程

1、正循环过程

(顺时针)ⅠⅡQ1Q2abVpO（系统对外净做正功）高温热源低温热源热机热机效率：根据热力学第一定律：2、逆循环过程（逆时针）

（系统对外净做负功）ⅠⅡQ1Q2abVpO高温热源低温热源制冷机根据热力学第一定律：制冷系数:如何提高热机的效率？问题:热机效率低的原因：(1)散热、漏气、摩擦等损耗;(2)一部分热量在低温热源放出。Carnot(法国）热机的效率应取决于高温热源和低温热源之间。卡诺提出：卡诺循环

1-2等温膨胀(吸热):3-4等温压缩(放热):2-3绝热膨胀:4-1绝热压缩:T1T22.实际循环的效率比卡诺循环低。3.卡诺循环的逆循环可以制造制冷机。

讨论:增大两热源的温度差是提高热机效率的有效途径。(卡诺定理)图中两卡诺循环吗？例：理想气体作准静态卡诺循环，当热源温度为100℃，冷却器的温度是0℃时，作净功为800J，如果维持冷却器温度不变，提高热源的温度，使净功增加到1600J，设该两个循环都在相同的两条绝热线之间工作。求（1）热源的温度是多少？（2）效率增加到多少？分析：因为该两个循环都在相同的两条绝热线之间工作，且冷却器温度不变，因此在“3-4”等温压缩的过程中所释放的热量是没有改变的。解：(1)(2)遵守热力学第一定律的热力学过程一定能够发生吗？问题:高温物体低温物体Q高温物体低温物体Q会自动发生不会自动发生会自动发生不会自动发生自发过程的方向性：一切与热现象有关的实际宏观过程都具有方向性，其相反过程不可能自然发生。（1）热传导过程具有方向性。（2）气体绝热自由膨胀的过程具有方向性。（3）功热转换的方向性。举例：

1.克劳修斯表述(1850)

热量不可能自动地从低温物体传到高温物体，而不引起其他的变化。非自发传热自发传热高温物体低温物体热传导热力学第二定律的实质：揭示了自然界的一切自发过程都是单方向进行的不可逆过程。热力学第二定律2.开尔文表述（1851）不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功，而不引起其他影响。开尔文表述说明第二类永动机不可能制成。

Kelvin英国(1824~1907)热功转换完全功不完全热热力学第二定律的两种表述是等价的:卡诺热机W1T高温热源低温热源2T假想的自动传热装置Q2QQ等价于等价于1T高温热源Q2QQ2WQ2低温热源2T1T高温热源低温热源2TQ2Q2热机3W1T高温热源2TQQ热机12Q1QW2低温热源制冷机23.统计意义(1)自发的扩散（以四个分子的分布为例）AB宏观态：A、B

容器中各有多少分子的状态。微观态：A、B

容器中各有哪些分子的状态。

(2)热力学概率：系统在某一宏观态包含的微观态数目。01234564个粒子分布左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4总状态数161/164/166/164/161/16几率热力学概率的本质：代表了系统的丰富程度或无序程度。一个不受外界影响孤立系统，内部所发生的过程总是从热力学概率小的宏观态向热力学概率大的宏观态进行，即从有序向无序状态发展。(3)热力学第二定律的统计意义:平衡态相应于一定宏观条件下热力学概率最大的状态4.熵与墒增加原理热温比:

等温过程中吸收或放出的热量与热源温度之比.可逆卡诺机:如何判断孤立系统中过程进行的方向？结论：可逆卡诺循环中,热温比总和为零.任一微小可逆卡诺循环对所有微小循环求和当，则结论:对任一可逆循环过程,热温比之和为零.任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循