第八热力学基础演示文稿

第八热力学基础演示文稿当前1页，总共90页。优选第八热力学基础当前2页，总共90页。作业P281-11,1218,19P282-14,16当前3页，总共90页。实验证明系统从A

状态变化到B

状态，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功和传热之和保持不变.一内能（状态量）2AB1**2AB1**8.1.1内能功和热量当前4页，总共90页。

系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关.

理想气体内能

:

表征系统状态的单值函数,理想气体的内能仅是温度的函数.2AB1**2AB1**当前5页，总共90页。改变系统内能的方法：

当前6页，总共90页。作机械功改变系统状态的焦耳实验AV作电功改变系统状态的实验当前7页，总共90页。二、功作功是与宏观位移相联系的。当热力学过程中发生作功这种相互作用时，则伴随着无规则的热运动与其他有规则的运动形态（如机械运动、电磁运动）之间的能量的转换，从而改变系统的内能。宏观运动能量热运动能量功：是作功过程能量传递和转换的量度。当前8页，总共90页。三、热量热传递则是与温度差的存在相联系的，主要是通过系统与外界接触边界处分子之间的碰撞完成的，是系统内、外分子的无规则热运动之间交换能量的过程，过程中没有热运动形态与其它运动形态之间的能量转换，只有能量的转移。

热量：通过传热方式传递能量的量度。当前9页，总共90页。1）过程量：与过程有关；2）等效性：改变系统热运动状态（内能）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

=4.18J，1J=0.24

卡功与热量的异同作功和热传递都是使内能发生变化的具体方式

当前10页，总共90页。8.1.2准静态过程热力学过程：热力学系统的状态随时间而变化的过程

热力学过程是由一系列的中间状态组成的。而实际的热力学过程都是非静态过程，过程中间的每一个状态都是非平衡态。

弛豫时间（）：系统由非平衡态到达平衡态所需的时间。

准静态过程：在过程进行中的每一时刻，系统的状态都无限接近于平衡态。

它是过程无限缓慢地进行的极限，是一种理想过程。当前11页，总共90页。准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程.气体活塞砂子12准静态过程的条件：t过程进行

>>当前12页，总共90页。1.体积功的计算注意：作功与过程有关.8.1.3准静态过程的功与热量

2.体积功的图示：是过程曲线与边界线所围成的面积

当前13页，总共90页。8.2.1热力学第一定律系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加,另一部分使系统对外界做功.准静态过程微小过程12**当前14页，总共90页。

1）能量转换和守恒定律.第一类永动机是不可能制成的.2）实验经验总结，自然界的普遍规律.+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第一定律的符号规定物理意义当前15页，总共90页。计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础（1）（理想气体的共性）（2）解决过程中能量转换的问题（3）（理想气体的状态函数）

（4）各等值过程的特性.

7.2.2热力学第一定律在理想气体等值过程中的应用当前16页，总共90页。单位一等体过程定体摩尔热容热力学第一定律特性常量

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,其定体摩尔热容为过程方程常量当前17页，总共90页。对于1摩尔的理想气体的内能：当前18页，总共90页。等体过程：

等体升压

12

等体降压

12当前19页，总共90页。物理意义：理想气体状态改变时，其内能的改变量总可以用和两条等温线之间的一个等容过程中系统所吸收的热量来量度，即无论任何两个状态之间的内能的改变量都可以用上式来计算。

当前20页，总共90页。12二等压过程定压摩尔热容过程方程常量热一律特性常量功W由理想气体状态方程可得：

当前21页，总共90页。

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，其定压摩尔热容为对

（1摩尔）求微分：

∵是等压过程，

∴

当前22页，总共90页。可得定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系摩尔热容比

等压过程：且：当前23页，总共90页。热容比热容12W等压膨胀12W等压压缩

W

W比热容当前24页，总共90页。三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当前25页，总共90页。12等温膨胀W12W等温压缩

W

W当前26页，总共90页。128.4.1绝热过程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当前27页，总共90页。若已知及12W从可得由热力学第一定律有当前28页，总共90页。8.4.2绝热过程方程的推导分离变量得12绝热

方程常量常量常量当前29页，总共90页。12W绝热膨胀12W绝热压缩

W

W当前30页，总共90页。绝热线和等温线绝热过程曲线的斜率等温过程曲线的斜率

绝热线的斜率大于等温线的斜率.常量常量ABC常量当前31页，总共90页。例1

设有5mol

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）氢气为双原子气体得，有12常量当前32页，总共90页。3）对等温过程对绝热过程,有12常量当前33页，总共90页。例8.1

1mol单原子理想气体，由状态，先等体加热至压强增大1倍，再等压加热至体积增大1倍，最后再经绝热膨胀，使其温度降至初始温度，如图所示.试求：

(1)状态d的体积Vd；

(2)整个过程对外做的功；

(3)整个过程吸收的热量.解(1)根据状态方程，依题意

当前34页，总共90页。(2)先求各分过程的功得c点与d点在同一绝热线上，由绝热方程当前35页，总共90页。整个过程对外做的总功为(3)计算整个过程吸收的总热量有两种方法方法一：根据整个过程吸收的总热量等于各分过程吸收热量的和.先求各分过程热量为当前36页，总共90页。则依题意，由于，故方法二：对abcd整个过程应用热力学第一定律：所以当前37页，总共90页。热机：持续地将热量转变为功的机器.工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质.当前38页，总共90页。

系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程.热力学第一定律净功特征循环过程AB总吸热总放热（取绝对值）2Q当前39页，总共90页。热机8.5.1热机热机的效率热机效率高温热源低温热源热机（正循环）AB当前40页，总共90页。致冷机致冷系数致冷机（逆循环）致冷机高温热源低温热源AB8.5.2致冷系数当前41页，总共90页。冰箱循环示意图当前42页，总共90页。1423

例11mol

氦气经过如图所示的循环过程，其中,求1—2、2—3、3—4、4—1各过程中气体吸收的热量和热机的效率.解由理想气体物态方程得当前43页，总共90页。1423当前44页，总共90页。例8.3汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环)，其中AB和CD为绝热过程，求此循环效率.解吸放CDBApV1V2o当前45页，总共90页。又BC和DA是绝热过程：所以V吸放CDBApV1V2o压缩比其中：当前46页，总共90页。问题：①提高热机的效率的关键是什么？②热机效率的提高有没有一个限度？各种热机的效率液体燃料火箭柴油机汽油机蒸汽机当前47页，总共90页。卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成.8.5.3卡诺循环

低温热源高温热源卡诺热机WABCD

1824年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环—卡诺循环.给出了热机效率的理论极限值;他还提出了著名的卡诺定理.当前48页，总共90页。WABCD理想气体卡诺循环热机效率的计算

A—B

等温膨胀

B—C

绝热膨胀

C—D

等温压缩

D—A

绝热压缩卡诺循环A—B等温膨胀吸热当前49页，总共90页。C—D

等温压缩放热WABCD

D—A

绝热过程B—C

绝热过程

当前50页，总共90页。卡诺热机效率WABCD卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高.

当前51页，总共90页。WABCD高温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机致冷系数当前52页，总共90页。图中两卡诺循环吗？讨论当前53页，总共90页。例8.4

一卡诺致冷机从温度为－10℃的冷库中吸取热量，释放到温度27℃的室外空气中，若致冷机耗费的功率是1.5kW，求(1)每分钟从冷库中吸收的热量；(2)每分钟向室外空气中释放的热量.解(1)根据卡诺致冷系数有所以，从冷库中吸收的热量为(2)释放到室外的热量为当前54页，总共90页。不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化.第二定律的提出1

功热转换的条件第一定律无法说明.

2

热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第一定律无法说明.7.6.1开尔文表述

当前55页，总共90页。等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它非循环过程.12W

W低温热源高温热源卡诺热机WABCD卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.当前56页，总共90页。

永动机的设想图当前57页，总共90页。虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化.不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化.高温热源低温热源卡诺致冷机WABCD8.6.2克劳修斯表述当前58页，总共90页。注意

1

热力学第二定律是大量实验和经验的总结.

3热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性.

2

热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性.当前59页，总共90页。准静态无摩擦过程为可逆过程

可逆过程

:在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化,这样的过程叫做可逆过程.8.6.4可逆过程与不可逆过程当前60页，总共90页。非准静态过程为不可逆过程.

不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程.可逆过程的条件当前61页，总共90页。非自发传热自发传热高温物体低温物体热传导热功转换完全功不完全热自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.8.6.3自然过程的方向性无序有序自发非均匀、非平衡均匀、平衡自发当前62页，总共90页。实例：生命过程是不可逆的出生

童年

少年

青年中年

老年八宝山不可逆！

有人说:“什么是热力学第二定律呢?“那就是玻璃瓶摔碎了,它不会自动恢复原状”；“扩散到清水中的墨汁不会自动缩回去”；“时间一去不复返”；“人不会返老返童”等等，……这都是热力学第二定律。当前63页，总共90页。无序有序非自发传热自发传热高温物体低温物体热传导非均匀、非平衡均匀、平衡热功转换完全功不完全热扩散过程自发外力压缩

热力学第二定律的实质:自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.8.7.1热力学第二定律的微观意义当前64页，总共90页。不可逆过程的本质

系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程.

一切自发过程的普遍规律

概率小的状态概率大的状态讨论个粒子在空间的分布问题可分辨的粒子集中在左空间的概率8.7.2热力学概率与玻尔兹曼熵1.热力学概率当前65页，总共90页。粒子集中在左空间的概率粒子均匀分布的概率可分辨粒子总数N=4

各种分布的状态总数第种分布的可能状态数

N

124

N

0（左）当前66页，总共90页。2.玻尔兹曼熵Ω热力学概率（微观状态数）、无序度、混乱度.2）熵是孤立系统的无序度的量度.（平衡态熵最大）（Ω愈大，S愈高，系统有序度愈差.）

1）熵的概念建立，使热力学第二定律得到统一的定量的表述.负熵熵

有序度生命科学：熵的高低反映生命力的强弱.信息论：负熵是信息量多寡的量度.当前67页，总共90页。综合前面的讨论，自然过程的方向性是：由有序无序(微观定性表示)

S小

S大(宏观定量表示)

小大(微观定量表示)当前68页，总共90页。

书本整整齐齐地列放在书架上非常有序，对应于低熵态，书本凌乱地摊放在书桌上、椅子或地上，对应于高熵状态；此外，一只玻璃杯碎了，衣服脏了，木头腐烂了，金属生锈了，人长出皱纹了，甚至一个人掌握的知识隔一段时间就忘了，等等，这些都是从无序度较小向无序度较大方向过渡。

摩檫生热就是从定向的有序运动自发地转化为无规则的无序运动当前69页，总共90页。向无序度增大方向过渡是孤立系统内部自发过程的必然趋势。

例如：要把十分凌乱的书本再整齐地放回到书架上，这就需要人去整理并花费一定的精力，人需要补充营养，并会产生一定的废料从而增加了环境的熵。实际上人们处处都在与无序和混乱作斗争，也不过是维持局部的有序和整齐，而在更大的范围内产生了更多的无序和混乱。当前70页，总共90页。现代化的生产给人类生活带来极大的享受和方便，但它消耗了许多的有效能量，产生了更多的熵，更多的混乱，即产生了更多的废料、垃圾和污染，这不能不令人忧虑。因此，提倡节约能源、节制消耗是防止我们这个世界过早地蜕变为混乱世界的有效举措。当前71页，总共90页。环境学：负熵流与环境.玻尔兹曼墓碑为了纪念玻尔兹曼给予熵以统计解释的卓越贡献，他的墓碑上寓意隽永地刻着.这表示人们对玻尔兹曼的深深怀念和尊敬.当前72页，总共90页。生物体是与周围不断进行物质、能量、信息交流的开放系统。实际宇宙万物充满了无序到有序的发展变化.宇宙真的正在走向死亡吗？

当前73页，总共90页。

十八世纪末到十九世纪以热机发展为主导的第一次工业革命，用机器将人从繁重的体力劳动中解放出来，“能”的确处于重要的地位，可以说这一场工业革命是“能”的革命。而今人类社会正进入以信息为主的第二次工业革命，充发挥信息技术的功能，对现代生产的过程进行计算、控制和操纵，从而取代人的非创造性的脑力劳动。熵理论不仅在自然科学领域中得到广泛的运用，而且也发展到社会科学的政治、经济、历史、语言、伦理的各个领域。可以毫不夸张地说，当代的工业革命是一场熵(或负熵)的革命。

可见熵的重要地位随着科学技术和社会的发展，熵的重要性将与日俱增，发挥越来越大的作用。当前74页，总共90页。解:因为绝热自由膨胀时系统温度不变，影响系统微观状态数只需考虑分子的位置分布.每一个分子在体积内各处的概率是相等的，则一个分子按位置分布的可能状态数应与体积成正比，即.对个分子，所以有例8.5用热力学概率方法计算νmol理想气体向真空自由膨胀时的熵增加.设体积从膨胀到，且初末态为平衡态.由于，则.当前75页，总共90页。

1）

在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相同的效率.

8.8.1卡诺定理

2）工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率.(不可逆机)（可逆机）以卡诺机为例，有当前76页，总共90页。

结论：

可逆卡诺循环中,热温比总和为零.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8.8.2克劳修斯等式与不等式

如何判断孤立系统中过程进行的方向？此称为克劳修斯等式当前77页，总共90页。任一微小可逆卡诺循环对所有微小循环求和当时，则任意的可逆循环可视为由许多可逆卡诺循环所组成

结论:

对任一可逆循环过程,热温比之和为零.当前78页，总共90页。

对于不可逆机

由卡诺定理克劳修斯不等式当前79页，总共90页。在可逆过程中，系统从状态A改变到状态B,其热温比的积分只决定于始末状态，而与过程无关.据此可知热温比的积分是一态函数的增量，此态函数称熵.8.8.3克劳修斯熵**ABCD可逆过程可逆过程克劳修斯熵公式（1865年）

当前80页，总共90页。无限小可逆过程

热力学系统从初态A

变化到末态B

，系统熵的增量等于初态A和末态

B之间任意一可逆过程热温比（）的积分.物理意义熵的单位**ABCDE可逆过程当前81页，总共90页。熵变的计算

1）熵是态函数，当始末两平衡态确定后，系统的熵变也是确定的,与过程无关.因此,可在两平衡态之间假设任一可逆过程，从而可计算熵变.

2）当系统分为几个部分时，各部分的熵变之和等于系统的熵变.在热力学中：

以熵的大小

S

描述状态的无序性；

以熵的变化