大学物理下册第十一章 热力学基础

第十一章热力学基础精选ppt

§11—1内能功热量

二、内能

对于理想气体，由于分子间无相互作用力，所以，理想气体的内能等于所有气体分子的动能之和一.热力学系统（系统）需研究的对象——气、液、固，也称为工作物质。以理想气体为系统，与之相互作用的环境称为外界。１．内能：大量分子的平均动能与分子间相互作用的势能的总和．实际气体：E=E(T,V)精选pptVPoA（P１V１T１）C（P２V２T２）确定的状态确定的E确定的E确定的状态定T总能量＝机械能+内能（忽略）（热运动的内能）系统的内能取决于系统的温度，是系统温度的单值函数.精选ppt三．传热Q１．传热与过程相系，说某状态有多少热量是无意义的．２．热量传递是能量转换的形式．３．传热是通过分子间的相互作用来完成．四．作功W传热与作功均能改变系统的内能．行为方式上存在本质区别：作功是通过物体作宏观位移来完成的．传热是通过分子间相互作用来完成的．注意：内能是状态量，作功与传热是过程量精选ppt§11—2热力学第一定律一.热力学第一定律WQ改变系统内能通过大量的事实总结得出：１．热力学第一定律的形式：系统吸收的热量，一部分使自身内能改变，另一部分对外作功．精选ppt２．热力学第一定律中各量的符号：Q＋：系统吸热热量－：系统放出热量W＋：系统对外界作功－：外界对系统作功＋：系统内能增加－：系统内能减少３．热一定律是热学中能量的转换与守恒定律第一类永机：Q＝０W＞０知第一类永动机不可能实现精选ppt二．热一中各量在平衡过程中的表示：１．内能VPoA（P１V１T１）C（P２V２T２）对于理想气体，内能暗量只与始末态的温度有关，而与过程无关．精选ppt２.功的计算

以气体膨胀过程中气体作功为例.仍从功的定义出发.过程进行缓慢，认为活塞匀速向右运动，则当体从,气体所作的功为P与V有关P与V无关精选ppt

从数学上看,P-V图过程曲线下所围的面积=W由P－V图可知：功的大小与所经历的过程有关,即为所对应的过程曲线下的面积，因而功是过程量.

W３．吸热

从热力学第一定律知,热量与功有关,因而热量也是过程量.精选ppt２．p-V图:平行于p轴的直线.§11—3热力学第一定律对理想气体三等值过程及绝热过程的应用一．等体过程pOＶＶp1p2３．热一的具体形式:ａV=恒量

１．特征:即V=恒量或

一系列温度渐增热源p,TQV精选pptｂ４．定体摩尔热容CV:传热的多少，只取决于内能的增加，即温度的增加．在等体过程中,气体不对外作功,气体从外界吸收的能量全部转化为气体的内能.中学比热a．定体摩尔热容定义：在等体过程中，对1mol的气体，当其温度升高（或降低）1k时所吸收（或放出）的热量．精选pptb．表示及计算等体摩尔热容：对元过程来说，热一在等体过程中理想气体CV，只与气体自由度有关，与温度无关．5.过程方程精选ppt二．等压过程１．特征:

p=恒量或

.

pVOp２．p-V图:平行于V轴的直线.３．热一的具体形式:Q一系列温度渐增热源V，Tp精选ppt当气体从状态I(p,V1,T1)变到状态II(p,V2,T2)时在等压过程中增加系统内能系统从外界吸收的热量对外作功精选ppt可见吸收的热量一部分用来增加内能,一部分对外作功.4.等压摩尔热容：热一的元过程等压下，除吸放热外，还要作功.精选ppt５.过程方程迈耶公式泊松比精选ppt三．等温过程１．特征:

T=恒量或

.２．p-V图:双曲线的一支.VOpp1p2３．热一的具体形式:恒温热源TTV，pQ逐点取下砂粒等温膨胀精选ppt可见吸收的热量全部用来对外作功.４.过程方程四．绝热过程的应用１．特征:系统与外界无热量交换.２.过程方程记住精选ppt３．热一的具体形式:系统要对外做功，必须以牺牲自身的内能为代价．绝热线比等温线陡.4．P-V图:一条曲线.绝热线等温线pVOA精选ppt三、绝热线和等温线的比较绝热曲线的斜率等温曲线的斜率因为

＞1，绝热线斜率的绝对值比等温线的大，II

IO

V1

V2Vpp等温线绝热线所以绝热线要陡一些由pV=C和pV=C'得g

精选ppt由(PA,VA)膨胀同样体积微观解释：等温绝热故对相同的体积变化，绝热过程的压强变化更大O∆V

Vpp等温线绝热线∆pT精选ppt例题11-1(p.195)设一定质量的单原子理想气体,开始时压强为3.039×105Pa,体积为1L,先作等压膨胀到体积为2L,再作等温膨胀至体积为3L,最后被等体冷却到压强为

1.013×105Pa,求在全过程中内能的变化、所作有功和吸收的热量。OP(1.013×105Pa)

V(L)bacd132123解:作出过程曲线,各状态分别标以a、b、c、d。各点状态参量如下：a点：pa=

3.039×105Pa，Va=1L，Ta=？b点：pb=3.039×105Pa，Vb=2L，Tb=Tc=？c点：pc=？，Vc=3L，Tb=Tc=？d点：pd=1.013×105Pa,

，Vd=3L，Td=？全过程内能的变化精选pptOP(1.013×105Pa)

V(L)bacd132123全过程所作的功

W=Wp+WT+WV从热力学第一定律得精选pptII

IO

V

2VVp等温线绝热线300K解作

p

–V图例题11-21.2×10-2kg的氦气原温度为300K，作绝热膨胀至原体积的2倍，求氦气所作的功。氦气从同一初态作等温膨胀到相同的体积气体作的功将此结果与绝热过程中的功作比较，并说明其原因。气体在绝热过程中所作的功为把氦气当作单原子理想气体，i=3，

=1.67由绝热过程方程得精选ppt=3×12.5×111.4J=4177J如果氦气作等温膨胀至体积为原来的2倍由此可以看出WT

>WQ因为绝热线比等温线陡从同一初始态开始膨胀到同一体积的条件下等温线下的面积大于绝热线下面的面积之故II

IO

V

2VVp等温线绝热线300K精选ppt什么过程能将热持续的转变为功?等体过程：W=0等压过程：等温过程：绝热过程：Q=0可以，但需机械尺度无限大，无实际意义§11—4循环过程卡诺循环热机的效率精选ppt一、循环过程1.定义：系统经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程。准静态循环过程~p-V图中的闭合曲线顺时针：正循环逆时针：逆循环OpV正逆2.共同特征热力学第一定律：精选ppt3.正循环及其效率特征：OpV正abcdV1V2正功负功净功WT1T2精选ppt实例：蒸汽机的循环效率:蒸汽机工作原理示意图锅炉冷凝器冷水蒸汽排气阀进气阀高温热源低温热源作功精选ppt热机的能量转换:从高温热源吸热（可能不止一个）向低温热源放热（可能不止一个）对外做功效果代价热机效率:精选ppt4.逆循环及致冷系数外界对系统做功——系统向外界放热致冷机的循环：OPV逆abcV1V2净功d特点：Q1Q2W高温热库T1低温热库T2工质精选ppt实例：电冰箱能量转换：从低温热源吸热（效果）外界对系统做功W（代价）向高温热源放热致冷系数：注意：这里的Q2仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量——衡量致冷的效力Q1W开始精选ppt

例2.(书习题7-18)1双原子分子理想气体,原来压力2,体积20L.先等压膨胀至原来体积2倍,再等容冷却到原温度,最后等温压缩至初态.(1)作出p-V图.(2)求各过程W.(3)求.

解:(1)先求出各点的参量

1点:2点:3点:)8.487,20,2(8.487111\==KRVpT)6.975,40,2(6.97521212\===KTRVpTh)8.487,40,1(1211213\===atmpVRTpmolatmVpO213121V12V(atm)精选ppt-2806JLatm=-==-7.27ln21113VVRTWò====-=--0405240)()2(321221VpWVVpWdJLatm精选ppt精选ppt1.研究循环过程的理想模型——卡诺循环二、卡诺循环卡诺循环：工质只与两个恒温热源交换能量的准静态循环卡诺正循环或卡诺逆循环1)与两个恒温热源交换能量（两个等温过程）2)不与其它热源交换能量（两个绝热过程）特点：简单：只需要两个热源重要：可以组成任何一种循环精选ppt高温T1低温T2高温T1低温T2Q1Q2W=Q1-Q2Q2WQ1=W+Q2

卡诺循环过程：精选ppt正循环2.理想气体的卡诺循环p精选ppt正循环效率等温过程：p精选ppt绝热过程：p精选ppt等温过程：

逆循环致冷系数p精选ppt注意：对一切循环适用只对卡诺循环适用精选ppt练习1.如图两个卡诺循环,下列表述正确的是：（1）（2）（3）（4）答案：（4）正确c1abcd2abcd精选ppt将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在求做一盘冰所需的功、所需的时间和所要求的电功率各为多少？练习2解：致冷系数精选ppt例：通过绝热过程把标准状态下0.014kg氮气压缩到原体积的一半。求：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，且解：精选ppt§11-7热力学第二定律热力学第一定律：能量转换和守恒定律凡违反热力学第一定律的过程不可能发生。——第一类永动机不可能成功！是否凡遵从热力学第一定律的过程一定发生？热力学第二定律：描述自然界能量转换的方向和限度。精选ppt一.热力学第二定律的两种典型表述及其等效性1.开尔文表述(K)不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。2.克劳修斯说法(C)

不可能把热量从低温物传到高温物体而不引起其他变化。热力学第二定律是在研究热机效率和制冷系数时提出的，是大量实验事实的概括与总结，是物理学的基本定律之一对热机，不可能将吸收的热量全部用来对外作功对制冷机，无外界作功热量不可能从低温物体传到高温物体

热力学第二定律的两种表述形式解决了物理过程进行的方向问题精选ppt注意理解(k)：热力学第一定律和第二定律是互相独立的。比较：第一类永动机：第二类永动机：不耗能，只做功违反热力学第一定律违反热力学第二定律精选ppt热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功关键词：“无其它影响”热完全转变为功，而且系统和外界均复原是不可能的。例：理想气体等温膨胀不违反热力学第一定律其它影响精选ppt热力学第二定律指出了热功转换的方向性功自发热100%转换热非自发功不能100%转换注意理解(C)：热力学第二定律并不意味着热量不能从低温物体传到高温物体关键词：“自动”即热量从低温物体传到高温物体不能自发进行，不产生其它影响。例：电冰箱精选ppt热力学第二定律指出了热传导方向性：高温自动低温低温非自动高温（外界做功）练习：判断正误热量不能从低温物体传向高温物体热不能全部转变为功精选ppt能够用某种方法使系统回到原状态而不引起其他变化二.可逆过程和不可逆过程卡诺定理1.可逆过程不可逆过程

不可逆过程自然界中发生的一切热力学过程都是不可逆过程a.热传导过程热传导过程的不可逆性是热力学第二定律克氏说法的直接结果高温物体低温物体传热

可逆过程

不可能用任何方法使系统回到原状态而不引起其他变化精选pptb.功热转换过程其不可逆性是功转变为热c.气体的自由膨胀过程d.气体迅速膨胀的过程自由膨胀抽掉隔板回到原状态要压缩作功，内能增加绝热p>p'p'p<p'p'膨胀压缩开氏说法的直接结果精选pptn-1过程可逆与否与系统所经历的中间状态是否为平衡状态有关

没有耗散力作功，即没有摩擦发生可逆过程的条件:

过程无限缓慢，为准静态过程以上条件在实际情况中是不可能实现的123n123n-1逐个外移缓慢上移质量无限小一个理想可逆过程精选ppt2.卡诺定理a.利用温度为T1和T2两个热源工作的一切可逆热机，不论用什么工作物质，具有相同的效率

b.利用温度为T1和T2两个热源工作的不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺机的效率卡诺定理指出了提高热机效率的途径：尽量提高两热源的温度差≤使热机尽量接近可逆热机精选ppt3.热力学第二定律的实质从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律功自发热100%转换热非自发功不能100%转换开尔文表述：克劳修斯表述：热传导不可逆高温自动低温低温非自动高温（外界做功）溶解、扩散、生命…一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，其自发进行具有单向性。精选ppt单向性：什么方向？功：与宏观定向运动相联系，有序运动热：与分子无规则运动相联系自动非自动热传导高温低温差别无序性自动低温高温差别无序性非自动单向性：无序性增大的方向实际自发热力学过程都向无序性增大的方向进行从微观角度讨论无序性的意义自由膨胀体积可能位置无序性自动体积可能位置无序性非自动真空精选ppt三、热力学第二定律的统计意义1.无序性的量度——热力学概率以理想气体自由膨胀为例设分子数：4真空抽去隔板后的可能情况如下表：精选ppt16种微观态，5种宏观态。精选ppt每秒放映1亿张，（普通电影24/秒）理想气体自由膨胀分子数可能微观态数宏观态数每种微观态出现概率234N345精选ppt等概率原理：系统的每种微观态出现的概率相同。由此，包含微观态越多的宏观态出现的概率越大。定义：宏观态中包含的微观态的数目叫做该宏观态的热力学概率意义：该宏观态所包含的微观态数越多，确定系统的微观态越困难，系统无序性越高。热力学概率是系统无序程度的量度比较：统计学概率w与热力学概率精选ppt比较：统计学概率w与热力学概率宏观态出现的概率W=每种微观态出现的概率w×热力学概率w，W：小于1；大于1由等概率原理：精选ppt2.热力学第二定律的统计意义实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统热力学概率（无序性）增加的方向进行。无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发生的可能性趋于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品……)热力学第二定律是一个统计规律，对大量粒子体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。精选ppt比较：热力学第一定律：严格成立，不能违反热力学第二定律：统计规律，违反的概率太小对大量的分子体系适用练习：热力学第二定律的典型思想方法：反证法1.证明两条绝热线不相交设两个绝热线交于B，可作一等温线与两条绝热线构成一循环，形成单热源热机，违反热力学第二定律。原假设不成立，两绝热线不能相交。精选ppt2.证明一条等温线和一条绝热线不能有两个交点卡诺定理2)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切不可逆热机，其效率不可能大于可逆热机的效率。1)在相同的高温热源和相同的低温热源间工作的一切可逆热机，其效率相等，与工作物质无关。设等温线与绝热线有两个交点，则形成单热源热机，违反热力学的二定律。精选ppt热力学第一定律：第一类永动机不可能实现定量化引入系统状态函数E

从不同角度，引入系统状态函数S克劳修斯玻尔兹曼热力学第二定律：第二类永动机不可能实现普遍的数学形式定量化？§11-8熵精选ppt1.熵公式：系统无序性的