第九热力学基础

第九热力学基础第1页，课件共55页，创作于2023年2月研究方法优点：可靠，普遍。缺点：未揭示微观本质。------称为热力学1.宏观法------称为统计力学2.微观法对物质微观结构提出模型、假设

热现象规律

宏观的基本实验规律热现象规律逻辑推理优点：可揭示本质。缺点：受模型局限，普遍性较差。统计方法第2页，课件共55页，创作于2023年2月介绍作为热力学物理基础的几个基本定律，统计物理学的基本概念以及气体分子运动论的基本内容。

目录第九章热力学基础第十章气体动理论第3页，课件共55页，创作于2023年2月常见的一些现象：1、一壶水开了，水变成了水蒸气。2、温度降到0℃以下，液体的水变成了固体的冰块。3、气体被压缩，产生压强。4、物体被加热，物体的温度升高。热现象第4页，课件共55页，创作于2023年2月第九章热力学基础9-1热力学的基本概念9-2热力学第一定律9-3热力学第一定律的应用9-4循环过程9-5热力学第二定律第5页，课件共55页，创作于2023年2月9-1热力学的基本概念热力学系统系统：一些相对较大的，能为我们感官所察觉的物体。外界：系统以外的物体。孤立系统：与外界不发生任何能量和物质的热力学系统。封闭系统：与外界只有能量交换而没有物质交换的系统。第6页，课件共55页，创作于2023年2月对热力学系统有两种描述方法：1.宏观量

从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。例如：温度（T）：温度是表征在热平衡状态下系统宏观性质的物理量。两热力学系统相互接触，而与外界没有热量交换，当经过了足够长的时间后，它们的冷热程度不再发生变化，则我们称两系统达到了热平衡。第7页，课件共55页，创作于2023年2月热力学第零定律：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也处于热平衡。ABCABC温度的宏观定义：表征系统热平衡时宏观性质的物理量。温标——温度的数值表示法。第8页，课件共55页，创作于2023年2月摄氏温标：t℃热力学温标：

TK水的冰点——0℃水的沸点——100℃冰点和沸点之差的百分之一规定为1

℃。绝对零度：

T=0Kt=-273.15℃水三相点（气态、液态、固态的共存状态）273.16K第9页，课件共55页，创作于2023年2月热力学研究的对象包含极大量的分子、原子，以阿佛加德罗常数

NA=6×1023计。2.微观量描述系统中单个微观粒子的物理量,一般只能间接测量。分子的质量、速度、直径、动量、能量等。例如：微观量与宏观量有一定的内在联系。宏观量总是一些微观量的统计平均值。

例如，气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果，它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。第10页，课件共55页，创作于2023年2月平衡态准静态过程平衡态：一个孤立系统，其宏观性质在经过充分长的时间后保持不变（即其状态参量不再随时间改变）的状态。注意：如果系统与外界有能量交换，即使系统的宏观性质不随时间变化，也不能断定系统是否处于平衡态。第11页，课件共55页，创作于2023年2月

热力学过程：热力学系统的状态随时间发生变化的过程。P准静态过程：状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。准静态过程的过程曲线可以用P-V图来描述，图上的每一点都表示系统的一个平衡态。(PB,VB,TB)(PA,VA,TA)PVO(PC,VC,TC)第12页，课件共55页，创作于2023年2月理想气体状态方程m----质量；M----摩尔质量普适气体常量----摩尔数第13页，课件共55页，创作于2023年2月9-2热力学第一定律改变系统内能的两条途径热功当量内能：系统内分子热运动的动能和分子之间的相互作用势能之总和。理想气体内能：

理想气体的内能只与分子热运动的动能有关，是温度的单值函数。第14页，课件共55页，创作于2023年2月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。第15页，课件共55页，创作于2023年2月热量(Q)

：系统之间由于热相互作用而传递的能量。焦耳用于测定热功当量的实验装置。注意：功和热量都是过程量，而内能是状态量，通过做功或传递热量的过程使系统的状态（内能）发生变化。热功当量：1卡=4.186焦耳第16页，课件共55页，创作于2023年2月热力学第一定律的数学描述热力学第一定律：包括热现象在内的能量守恒和转换定律。

Q表示系统吸收的热量，W表示系统所作的功，E表示系统内能的增量。热力学第一定律微分式：第17页，课件共55页，创作于2023年2月符号规定：1、系统吸收热量Q为正，系统放热Q为负。2、系统对外作功W为正，外界对系统作功W为负。3、系统内能增加E为正，系统内能减少E为负。第一类永动机：不需要外界提供能量，但可以继续不断地对外做功的机器。热力学第一定律：“不可能制造出第一类永动机”。第18页，课件共55页，创作于2023年2月准静态过程中热量、功和内能(1)准静态过程中功的计算dl(PB,VB,TB)(PA,VA,TA)PV0dlVAVB第19页，课件共55页，创作于2023年2月结论：系统所做的功在数值上等于P-V图上过程曲线以下的面积。

若W>0

系统对外界作功若W<0

外界对系统作功（2）准静态过程中热量的计算热容：系统温度升高1度所吸收的热量即：单位：比热：单位质量物质热容量。单位：第20页，课件共55页，创作于2023年2月摩尔热容：1mol物质的热容量。定体摩尔热容：

1mol理想气体在体积不变的状态下，温度升高一度所需要吸收的热量。第21页，课件共55页，创作于2023年2月定压摩尔热容：

1mol理想气体在压强不变的状态下，温度升高一度所需要吸收的热量。（i为分子的自由度数）单原子气体：i=3,氦、氖双原子气体：i=5，氢、氧、氮多原子气体：i=6，水蒸汽、二氧化碳、甲烷第22页，课件共55页，创作于2023年2月微过程的热量计算式：热量计算式：（3）准静态过程中内能变化的计算设想一个状态变化过程，过程中系统的体积不变。第23页，课件共55页，创作于2023年2月即有内能增量：内能：结论：理想气体的内能只是温度的单值函数。注意：内能是状态量，内能的增量与过程无关，因此上式适合于任意过程。第24页，课件共55页，创作于2023年2月9-3热力学第一定律的应用热力学的等值过程（1）等体过程3.对外作功4.吸收热量2.过程曲线1.过程方程OpVⅠⅡp2p1V5.内能增量第25页，课件共55页，创作于2023年2月3.对外作功4.吸收热量2.过程曲线（2）等压过程1.过程方程5.内能增量OpVⅠⅡV2V1p第26页，课件共55页，创作于2023年2月定体摩尔热容与定压摩尔热容的关系迈耶公式：结论：

同一状态下1摩尔的理想气体温度升高1K，等压过程需要吸收的热量比等体过程吸收的热量多8.31J。比热容比：单原子分子：双原子分子：第27页，课件共55页，创作于2023年2月3.对外作功4.吸收热量2.过程曲线1.过程方程5.内能增量（3）等温过程OpVV1V2Ⅰ(E1)Ⅱ(E2)等温线第28页，课件共55页，创作于2023年2月[例]一定量的理想气体,由状态a经b到达c。求此过程中(1)气体对外做的功；(2)气体内能的增量；(3)气体吸收的热量。(2)(3)解：(1)气体对外做的功第29页，课件共55页，创作于2023年2月绝热过程多方过程绝热过程：系统和外界没有热量交换的过程。特点：（1）理想气体准静态绝热过程1.过程方程热力学第一定律dWdE第30页，课件共55页，创作于2023年2月理想气体状态方程第31页，课件共55页，创作于2023年2月泊松公式（绝热过程方程）或2.过程曲线理想气体的绝热线比等温线“更陡”第32页，课件共55页，创作于2023年2月3.对外作功4.吸收热量5.内能增量绝热功第33页，课件共55页，创作于2023年2月间接法绝热过程靠减少系统的内能来对外做功。第34页，课件共55页，创作于2023年2月（2）绝热自由膨胀特征：Q=0非准静态过程，无过程方程。只能靠普遍的定律。真空绝热刚性壁隔板T1T2器壁绝热：Q=0向真空膨胀：W=0热一律E1=E2（是否等温过程？）对理想气体：T1=T2第35页，课件共55页，创作于2023年2月注意：这里只是初态、末态的温度相等而已，不是准静态等温过程！所以准静态等温过程与这里的绝热自由膨胀过程是不同的！对于一个准静态等温过程：也有ΔE=0------但是系统对外作功并且要吸热第36页，课件共55页，创作于2023年2月主要公式理想气体、各种准静态过程热一律摩尔定压热容量摩尔定体热容量准静态过程、系统对外作的功第37页，课件共55页，创作于2023年2月准静态绝热过程方程(泊松方程)准静态绝热过程的功泊松比第38页，课件共55页，创作于2023年2月9-4循环过程循环过程循环过程：

系统经历了一系列状态变化过程以后，又回到原来状态的过程。

第39页，课件共55页，创作于2023年2月（2）正循环（顺时针）吸热，对外作功--热机循环逆循环（逆时针）放热，对系统作功--致冷循环（1）循环过程在P-V图上有什么特点？如果循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用状态图（如pV图）上的闭合曲线表示。做功：W=曲线包围面积热机：工作物质作正循环的机器。致冷机：工作物质作逆循环的机器。第40页，课件共55页，创作于2023年2月热机循环(正循环)2)热流图高温低温3)热循环效率制冷循环(逆循环)1)PV图2)热流图高温低温3)制冷系数目的：吸热对外作功目的：通过作功吸热1)PV图热机和制冷机第41页，课件共55页，创作于2023年2月卡诺循环及其效率卡诺（法国人、

1796-1832）他出色地、创造性地用“理想实验”的思维方法，提出了最简单，但有重要理论意义的热机循环——卡诺循环，并假定该循环在准静态条件下是可逆的，与工质无关，创造了一部理想的热机（卡诺热机）。卡诺的目标是揭示热产生动力的真正的、独立的过程和普遍的规律。1824年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，指出了提高热机效率的有效途径，揭示了热力学的不可逆性，被后人认为是热力学第二定律的先驱。

法国青年工程师、热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来的人。第42页，课件共55页，创作于2023年2月卡诺循环卡诺循环：只和两个恒温热库传递热量并对外作功的准静态、无摩擦循环。设系统是理想气体：2341等温T1等温T2绝热绝热V1V4V3V2PV高温热库T1低温热库T2卡诺循环卡诺循环能流图两个等温过程和两个绝热过程构成的理想化循环。第43页，课件共55页，创作于2023年2月2341等温T1等温T2绝热绝热V1V4V3V2PV理想气体工质1→2：3→4：

等温过程绝热过程2→3：4→1：卡诺循环的效率第44页，课件共55页，创作于2023年2月卡诺循环的效率：卡诺致冷机的致冷系数：可以证明:在相同的高温热库和低温热库之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质种类无关。第45页，课件共55页，创作于2023年2月9-5热力学第二定律热力学过程的方向性热一律：一切热力学过程都应满足能量守恒。但满足能量守恒的过程是否一定都能进行？问题：热二律：满足能量守恒的过程不一定都能进行！过程的进行还有个方向性的问题。

设在某一过程中，系统从状态A变化到状态B。如果能使系统进行逆向变化，从状态B回复到初态A，而且在回复到初态A时，周围的一切也都恢复原状，则该过程称为可逆过程。第46页，课件共55页，创作于2023年2月自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，所谓可逆过程只是一种理想过程。

----存在着时间箭头可逆机：能产生可逆循环过程的机器。不可逆机：不能产生可逆循环过程的机器。如果系统不能回复到原状态A，或者虽能回复到初态A，但周围一切不能恢复原状，则该过程称为不可逆过程。生命过程是不可逆的:

出生“今天的你我怎能重复昨天的故事!”少年青年中年老年……童年——不可逆！第47页，课件共55页，创作于2023年2月气体自由膨胀过程的不可逆性F第48页，课件共55页，创作于2023年2月过程的唯一效果能否发生热功转换功热功热√热传导高温热量低温高温热量低温√气体扩散分离混合分离混合√一些自然过程的方向：全部全部第49页，课件共55页，创作于2023年2月热力学第二定律开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响。第二类永动机不可能制成。克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。第50页，课件共55页，创作于2023年2月证明热力学第二定律两种表述的一致性：高温热源T1低温热源T2ABQQ=WWQ2Q+Q2Q2Q2如果开尔文表述不成立，则克劳修斯表述也不成立。第51页，课件共55页，创作于2023年2月高温热源T1低温热源T2ABWQ2Q1=QQQQ-Q2W如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立。第52页，课件共55页，创作于2023年2月