第06章 热力学基础

引言

研究一切与温度有关的各种宏观现象——热现象，以及这些现象的微观机制。1．热学的研究对象2.3宏观与微观的关系：微观粒子的热运动与系统的各种宏观热现象之间存在着内在的联系。宏观量等于微观量的统计平均值。2.宏观与微观2.1宏观现象与宏观量：宏观现象即一个系统所表现出来的各种物理性质以及这些性质的变化规律。描述一个系统宏观性质的物理量称为宏观量。例：P、V、T、E、C等。2.2微观运动与微观量：微观运动即系统内部的微观粒子的热运动。描述微观粒子热运动的物理量称为微观量。例：m、v、

等。3．热学的两种研究方法宏观方法：把系统看成一个整体，从基本的热力学定律（这些定律是从观察、实验中总结出来的）出发，通过严密的逻辑推理的方法研究系统的各种宏观性质及其变化规律——热力学。微观方法：依据微观粒子热运动所满足的力学定律，通过统计的方法研究系统的宏观性质，并揭示各种热现象的本质——统计物理学。第六章热力学基础§6-1热力学第一定律§6-2热力学第一定律对理想气体的应用§6-3循环过程§6-4热力学第二定律卡诺定理§6-5热力学第二定律的统计意义熵的概念§6-1热力学第一定律1．热力学过程1.1热力学过程1.2准静态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p12一个点：表示一个平衡态一条曲线：表示一个准静态过程O2(p2,V2,T)V

1(p1,V1,T)p

内能是状态量：实际气体：理想气体：内能是温度的单值函数：

内能不包括系统整体的机械能2.1内能

系统内分子热运动的动能和分子之间相互作用势能的总和。1.改变系统内能的两种途径热功当量做功：通过宏观力的作用使系统与外界之间产生能量交换，从而使系统的状态发生改变。做功的大小等于此过程中系统与外界之间交换的能量。pF钻木取火2.2改变系统内能的两种途径与热功当量热传递：通过热相互作用使系统与外界之间产生能量交换，从而使系统的状态发生改变的方式。此过程中系统与外界之间交换的能量，称为热量。Q热量当量：热量与其它形式的能量（机械能、电能、化学能等）可以相互转换。一定热量的产生（消失）总是伴随着其它形式的能量的消失（产生）。热功当量为：3.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：

QAp1E1p2E24.准静态过程中的功与热量4.1准静态过程中的功pFdl12mnVV2V1Op4.2准静态过程中的热量热容准静态过程中的热量：12mnVV2V1Op热容、比热容和摩尔热容：使物质温度升高单位温度所需的热量称为热容：C、c和Cm与过程有关使单位质量的物质温度升高单位温度所需的热量称为比热容：使单位摩尔的物质温度升高单位温度所需的热量称为摩尔热容：热量与热容：作业：9-4§6-2热力学第一定律对理想气体的应用V＝const.Q1(p1,V1,T1)2(p2,V1,T2)pOV(p1/T1=p2/T2)1．等容过程2．等压过程p＝const.QW1(p1,V1,T1)2(p1,V2,T2)pOV(V1/T1=V2/T2)3．等温过程T＝const.QW(p1V1=p2V2)1(p1,V1,T1)2(p2,V2,T1)V

Op4.1绝热过程的过程方程－－泊松公式4．绝热过程Q＝0W

绝热线与等温线绝热线

等温线O

V

pA(pA,VA,TA)

4.2绝热过程的E、W、Q和Cmp

O

V1(p1,V1,T1)2(p2,V2,T2)V(10－3m3)2

a

b1p(105Pa)26O

作业：9-5、9-8§6-3循环过程1．循环过程

系统由某一状态出发，经过一系列变化过程后又回到原来的状态，这样的过程称为循环过程：

p~V曲线为闭合曲线

p

O

V

abmn

顺时针：W=Wamb－Wbna>0——热机循环

逆时针：W=Wanb－Wbma<0——致冷循环

2．热机与致冷机2.1热机循环及其效率热机：能够不断地把热转变成功的装置。

热机通过循环过程不断地把热转变成功

热机循环为正循环

p

O

V

锅炉冷却器水泵气缸WQ1Q2

蒸汽机工作简图

热机的效率：

WQ2Q1工作物质T1T2

2.2致冷机及其致冷系数致冷机：使热量从低温热源向高温热源传递的装置。

致冷循环为负循环

p

O

V

致冷机通过循环过程不断地使热量从低温热源向高温热源传递热交换器蒸发器节流阀压缩机WQ1Q2

致冷机工作简图致冷机的致冷系数

WQ2Q1工作物质T1T2

3.1卡诺循环3214OV

pT=T1绝热T=T2绝热3.卡诺循环及其效率由两个等温过程和两个绝热过程组成:3.2卡诺热机的效率3(p3,V3,T2)2(p2,V2,T1)1(p1,V1,T1)4(p4,V4,T2)OV

pQ1Q2

WQ2Q1工作物质T1T2

结论：1）只与T1和T2有关，而与工质无关2）=1-T2/T1<100%3.3卡诺致冷机的致冷系数WQ2Q1工作物质T1T2

3(p3,V3,T2)2(p2,V2,T1)1(p1,V1,T1)4(p4,V4,T2)OV

pQ1Q2结论：2）1）e只与T1和T2有关，而与工质无关萨迪-卡诺（SadiCarnot）,1796～1832,法国物理学家。1824年，他（28岁）创立理想热机理论，“卡诺热机”、“卡诺循环”和“卡诺定理”，已是大家所熟悉的科学名词。但卡诺的理论在创立后长期未能得到应有的重视。

VV2V1p

Oacb作业：9-10、9-11§6-4热力学第二定律问题的提出

是否满足热力学第一定律的过程就一定会发生？

热力学过程必须满足热力学第一定律。T1W=QQEQT1ET2Q1.热力学第二定律的两种典型表述1.1开尔文表达

不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不产生其它影响。

理解“不产生其影响”的含义W=Q1-Q2Q2Q1ET1T2T2T1Q2W=Q1-Q2T1W=QQE

单热源热机（第二类永动机）是不可能制成的

实际热机最少要有两个高低温热源（T1，T2），热机的效率<100%WQ2Q1ET1T2

表明了热功转化的不可逆性fv01.2克劳修斯表达

热量不可能从低温物体传给高温物体而不引起其它变化。WQ2Q1＝Q2＋WET1T2T2T1Q2W=Q1-Q2

理解“不产生其影响”的含义

要使热量从低温物体传给高温物体，必须有外界做功。即致冷机的致冷系数不可能无限大。WQ2Q1ET1T2

表明了热量传递的不可逆性T1T2Q(T1>T2)T1T2Q(T1>T2)2.两种表述的等效性1.1如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立Q2Q1+Q2EW=Q1EQ1高温热源T1低温热源T2Q2Q2高温热源T1低温热源T22.2如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立Q2W=Q1-Q2Q2Q1E高温热源T1低温热源T2W=Q1-Q2EQ1-Q2高温热源T1低温热源T2开尔文Kelvin，WilliamThomson，Lord（1824～1907）克劳修斯（RuelolfClausius,1822--1888）,

设在某一过程L中，系统从状态A变化到状态B。如果能使系统从状态B逆向回复到初状态A，而同时外界也恢复原状，过程L就称为可逆过程。

如果系统不能回复到原状态A，或者虽然能回复到初态A，但外界不能恢复原状，那么过程L称为不可逆过程。3.自然过程的不可逆性3.1可逆过程与不可逆过程3.2自然过程的不可逆性热功转换的方向性：AQ100％AQ100％T1T2Q(T1>T2)T1T2Q(T1>T2)热传递的不可逆性：气体绝热自由膨胀的不可逆性：墨水扩散是一个不可逆过程泼水难收破镜难圆楼倒塌是一个不可逆过程生命过程是一个不可逆过程结论：

大量事实表明：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，热力学第二定律的实质在于揭示了自然过程的不可逆性。???君不见黄河之水天上来奔流到海不复回君不见高堂明镜悲白发朝如青丝暮成雪不可逆过程4.卡诺定理1）在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切可逆机，不论用什么工作物质，效率相等。2）在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切不可逆机的效率小于可逆机的效率。=:对应可逆机

<:对应不可逆机AQ2Q1ET1T2AQ2Q1ET1T2

可逆热机与不可逆热机AQ2Q1ET1T2可逆热机:AQ