热物理学基础课件

第七章热物理学基础

热力学是从能量守恒和能量转换的角度来研究热运动的规律。它不考虑物质内部的微观结构。研究方法是：根据观察和实验所总结出的基本规律（热力学第一定律、热力学第二定律）用逻辑推理的方法来研究物体的宏观性质以及宏观过程进行的方向和限度等问题。1感谢你的观看2019年8月25第七章热物理学基础热力学是从能量守恒和能量转换的角度§1.热力学第一定律(firstlowofthermodynamics)一.基本概念1.热力学系统(thermodynamicssystem)孤立系统、封闭系统、绝热系统、开放系统2.热力学过程(thermodynamicsprocess)观察活塞移动，见图：

活塞速度很小（趋近于零）和较大时气体状态变化有何不同？2感谢你的观看2019年8月25§1.热力学第一定律活塞速度很小（趋近于零）和较大时气体V→0，过程中的每一时刻气体能重新达到新的平衡态——准静态过程

特点：每一时刻均有确定的状态参量。

P—V图示：二.功、热量、内能1.功(work)（1）气体作功的计算，压力功，见图psdx3感谢你的观看2019年8月25V→0，过程中的每一时刻气体能重新达到新的平衡态——准静A＞0——系统对外作功

A＜0——外界对系统作功（2）几何意义：P—V图,AB为某一热力学过程。红色区域的面积：曲线下总面积：可由面积求功。4感谢你的观看2019年8月25A＞0——系统对外作功红色区域的面积：曲线下总面积：可由面积系统从状态a（P1V1）经不同的过程到达状态b（P2V2），系统对外界所作的功是不同的。功是过程量而不是状态量pvoabcdacb过程的功adb过程的功5感谢你的观看2019年8月25系统从状态a（P1V1）经不同的过程到达状态功是过程量而不是2.热量Q(quantityofheat)计算公式：Q=cm（T2

－T1）=νCmol（T2－T1）Cmol——摩尔热容量：单位摩尔质量的气体温度改变一度所吸收或放出的热量。仅与状态有关内能的变化：与过程无关。Cmol、Q均与过程有关，是过程量。3.内能——分子热运动能量的总和。理想气体：6感谢你的观看2019年8月252.热量Q(quantityofheat三.热力学第一定律1.定律：设系统从Ⅰ态→Ⅱ态，作功A，吸热Q，内能变化ΔU，则有：Q=A+ΔE能量守恒方程无限小过程：dQ=dA+dE2.Q、A

正负的约定

Q＞0→吸热Q＜0→放热

A＞0→系统作功A

＜0→外界作功7感谢你的观看2019年8月25三.热力学第一定律1.定律：设系统从Ⅰ态→Ⅱ态，作功A，吸§2热力学第一定律对理想气体的应用一.等容过程

(isometricprocess)1.过程方程：2.A、Q、ΔU

的计算

∵ΔV=0∴A=0

Q=νCV（T2—T1）而：Q=A+ΔE=ΔE

可得：i的取值？对其他过程是否成立？8感谢你的观看2019年8月25§2热力学第一定律对理想气体的应用一.等容过程(iso二.等压过程（isobaric）1.过程方程2.

A、Q、ΔE

的计算由：三.等温过程（isothermalprocess）1.过程方程2.

A、Q、ΔE

的计算

Q=νCP（T2

--T1）ΔE=νCV（T2

--T1）9感谢你的观看2019年8月25二.等压过程（isobaric）1.过程方程2.A、Q、∵ΔT=0∴ΔE=0Q=A=νRTlnV2/V1

等温过程Cmol=?

四.绝热过程1.

A、Q、ΔE

的计算Q=0A=-ΔE=-νCV（T2

-T1）2.过程方程10感谢你的观看2019年8月25∵ΔT=0∴ΔE=0Q=A=νR

dE=νCvdT=-dA=-PdV（1）

PdV+Vdp=νRdT（2）联立（1）（2）得

（CV+R）PdV=-CVVdp得：CpPdV=-CVVdp令则有解得由可得11感谢你的观看2019年8月25dE=νCvdT=-dA=3.绝热线与等温线pVpV0((pV,绝热线等温线KQKT绝热线较陡如何判别绝热线与等温线？12感谢你的观看2019年8月253.绝热线与等温线pVpV0((pV,绝热线等温线KQKT绝例题:m=2.8×10-3kgp=1atmt=270c氮气，经历如图所示的过程，V4=½

V3，求整个过程的内能的变化，功，热量。(Cv

=2.5R)pVo123v1v3v4解：P—V

图示求出各状态的参量=2.46x10-3m313感谢你的观看2019年8月25例题:m=2.8×10-3kgp=1aE4

－E1=νCV(T4－T1)=312J等容过程：A1=0等温过程：等压过程：A=A1+A2+A3=449JΔE=Q

－A=312JQ=Q1

+Q2+Q3

=761J14感谢你的观看2019年8月25E4－E1=νCV(T4－T1)=312J等容过§7.3循环过程卡诺循环一循环过程1热机的工作原理以蒸汽机为例特点：①工作物质（水蒸汽、液态水）②工作物质从外界吸热，增加内能，一部分对外作功③工作物质要回到原来状态，内能的另一部分以热量的形式放到一个温度较低的冷凝器里去。④以上过程循环不已地进行15感谢你的观看2019年8月25§7.3循环过程卡诺循环一循环过程1热机的工作原理以2定义：如果一系统从某一状态出发，经过任意的一系列过程，最后又回到原来的状态，则称此一系列过程为循环过程。3正循环及循环效率规定：顺时针循环→正循环ABCDA热机逆时针循环→逆循环ADCBA致冷机或热泵分析正循环和逆循环的特点。逆循环：体积膨胀系统对外作功。A

=?正循环：体积压缩，系统对外作负功。16感谢你的观看2019年8月252定义：如果一系统从某一状态出发，经过任意的一系列过程，最整个过程：ΔE=0由能量守恒：A净=Q

净=Q1－│Q2│循环效率：由于Q2不为零，Q1不能为无穷大，∴η＜117感谢你的观看2019年8月25整个过程：ΔE=0由能量守恒：A净=Q净=二卡诺循环准静态卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环过程。①1→2等温膨胀过程ΔU=0②2→3绝热过程③3→4等温压缩过程│Q2│18感谢你的观看2019年8月25二卡诺循环准静态卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成④4→1绝热压缩整个循环中内能不变A=Q1－│Q2│（2→3）19感谢你的观看2019年8月25④4→1绝热压缩整个循环中内能不变A=Q1－│Q2│（（4→1）或则有：→仅适用于卡诺循环说明：①η卡仅由T1、T2决定②T1越大、T2越小越高。η卡＜1③20感谢你的观看2019年8月25（4→1）或则有：→仅适用于卡诺循环说明：①η卡仅由T1、例题：1mol单原子理想气体作如图所示的循环，AB为等温线，求循环效率。

解ABCBCA净功：吸热：21感谢你的观看2019年8月25例题：1mol单原子理想气体作如图所示的循环，AB为等22感谢你的观看2019年8月2522感谢你的观看2019年8月25§7.4逆循环——致冷机和热泵一.制冷机特点：外界做功，从低温热源吸热Q2，向高温热源放热Q1。

C--毛细节流阀

B--冷凝器

D--冷库

E--压缩机制冷系数：23感谢你的观看2019年8月25§7.4逆循环——致冷机和热泵一.制冷机C--毛细节流阀卡诺制冷机（逆循环）：不同制冷温度时，冰箱的效率不同。例题一卡诺制冷机，从零度的水中吸取热量，向270C的房间放热，假定将50kg的00C的水变成了00的冰。试问（1）放于房间的热量有多少（2）使制冷机运转所需的机械功为多少？24感谢你的观看2019年8月25卡诺制冷机（逆循环）：不同制冷温度时，冰箱的效率不同。例题解：(1)Q2=3.35x105x50=1.665x107J(2)T2=263K多做的功为

2.34x106－1.65x106=6.9x105J25感谢你的观看2019年8月25解：(1)Q2=3.35x105x50二.热泵热泵是把热量由低温物体抽到高温物体的装置，它的工作原理与致冷机相同。致冷机是让工作物质从低温物体处吸热，使低温物体的温度更低；而热泵是让工作物质向高温物体放热，使高温物体的温度更高。热泵工作过程：压缩机将氨气或氟里昂进行压缩，使之变成高温高压的蒸汽，蒸汽被导入室内管道（冷凝器）中，氨蒸汽凝结成液体，同时放出热量使室内气流升温而供暖。液化后的氨经节流阀变成低温低压的液体，被导入室外管道（蒸发器）中，液体从室外的空气中吸热而迅26感谢你的观看2019年8月25二.热泵热泵是把热量由低温物体抽到高温物体的装置，它的工作原速蒸发，蒸发后的气体又回到压缩机中进行下一个循环。——供热效率如果上图中把压缩机的出口与室外管道相连，则此装置就可以用来给室内降温，这就是所谓的制冷空调，此时室内的管道就是蒸发器，而室外的管道就是冷凝器。27感谢你的观看2019年8月25速蒸发，蒸发后的气体又回到压缩机中进行下一个循环。——供热效§7.5热力学第二定律背景：第二类永动机的提出：将海水热量变为机械功。若将海水温度降低0.1K，可供全世界工厂用1万年以上。对热力学过程的方向是否有限制？实质上：热传导过程、功变热过程、扩散过程都具有不可逆性，自然界中对热力学过程的方向有这严格的限制。一.表述1.开尔文表述：不可能从单一热源吸热，使之完全变为有用功而不产生其他影响。外界与系统均未发生变化。否定了第二永动机。28感谢你的观看2019年8月25§7.5热力学第二定律背景：第二类永动机的提出：将海水热量2.克劳修斯表述：热量不可能自发的由低温热源向高温热源传递。3.两种表述的等效性开氏：？过程的方向性。功变热克氏：?过程的方向性。热传导证明：反证法设一热机－K，再设一制冷机：Q2T1T2Q1A=Q1联立两热机，有：－C29感谢你的观看2019年8月252.克劳修斯表述：热量不可能自发的由低温热源向高温热源传递。用同样的方法可证，当－C时，必有－K。从逻辑学可知：

即克劳修斯表述与开尔文表述完全等效。二.热一律与热二律的作用30感谢你的观看2019年8月25用同样的方法可证，当－C时，必有－K。从逻辑学可知：三.统计意义：（微观实质）例：理想气体自由膨胀（扩散过程），见图：AB抽去隔板：一个分子回到A部的概率为½。两个分子回到A部的概率为1/22

。三个分子回到A部的概率为1/23

。N0个分子回到A部的概率为可以看出扩散过程的不可逆性。31感谢你的观看2019年8月25三.统计意义：（微观实质）例：理想气体自由膨胀（扩散过程）AB

分析过程的进行方向，以三个分子为例：见图abc分子可能出现的分布：ABABABABabc0(1)abcbcacab(2)bcabaccab(3)abc0(4)32感谢你的观看2019年8月25AB分析过程的进行方向，以三个分子为例：见图abc分哪一个状态出现的概率大？过程进行的方向？微观态：分子的每一种可能分布的状态。宏观态：仅考虑分子个数，不考虑分子标号的状态。过程进行方向：含微观态少的宏观态含微观态多的宏观态不均匀→均匀热力学概率ω：某宏观态所含微观态数目。热力学概率小的宏观态热力学概率大的宏观态33感谢你的观看2019年8月25哪一个状态出现的概率大？过程进行的方向？微观态：分子的每一种§7.6熵与熵增原理一.可逆过程与卡诺定理1.可逆过程：若发生的某过程，能找到另一过程使外界与系统全都复原，此过程称可逆过程。2.卡诺定理定理一：在相同高温热源（T1）与低温热源（T2）之间工作的一切可逆热机，其效率与工作物质无关均为：定理二：不可逆热机的效率

η’＜1–T2/T1

34感谢你的观看2019年8月25§7.6熵与熵增原理一.可逆过程与卡诺定理1.可逆过程：二.熵的引入1.克劳修斯公式：由卡诺定理2：考虑：Q2＜0，有：若系统与多个热源接触，则有：若热源可视为连续分布，则有：35感谢你的观看2019年8月25二.熵的引入1.克劳修斯公式：由卡诺定理2：考虑：Q2＜0，2.态函数熵S：设可逆循环：见图由克劳修斯公式有：此式说明什么？与路径无关。x0x2136感谢你的观看2019年8月252.态函数熵S：设可逆循环：见图由克劳修斯公式有：此式说明什S的定义：设初态的熵为S0，末态的熵为S，则有：仅对可逆过程成立。若为不可逆过程，设上图中，1为不可逆、2为可逆。对不可逆：即：又：综合：37感谢你的观看2019年8月25S的定义：设初态的熵为S0，末态的熵为S，则有：仅对可逆过程对无限小过程：TdS≥dQ或

TdS≥PdV+dE二.熵增原理∵Tds≥dQ∴若

dQ=0→

ds≥01.原理：绝热过程中，系统的熵永不减少。可逆绝热：ΔS=0，不可逆绝热：ΔS

＞0。孤立系统：从S小→S大进行，平衡态：S=Smax2.S的物理意义：分子运动无序程度的量度。何状态熵最大?平衡态。38感谢你的观看2019年8月25对无限小过程：TdS≥dQ或TdS3.熵的波尔兹曼定义反映系统含微观态多少，表征无序度的高低。热力学概率三.熵变的计算1.理想气体的熵变ΔS1mol理想气体，从（T0V0）→（TV），求ΔS解：可逆过程与经历的过程无关。39感谢你的观看2019年8月253.熵的波尔兹曼定义反映系统含微观态多少，表征无序度的高低。2.不可逆过程熵变的计算？原则：设一可逆过程，要求初态、终态与不可逆过程相同，计算此可逆过程的ΔS即可。

例1.理想气体绝热向真空自由膨胀（扩散），体积由V1→V2，求：ΔS。解：找可逆过程：Q=0，A=0，∴ΔT=0等温：初态（T、V1），末态（T、V2）40感谢你的观看2019年8月252.不可逆过程熵变的计算？原则：设一可逆过程，要求初态、终态例2.热传导的ΔS。见图T1T2Q不可逆过程，分开计算。高温热源等温放热：（可逆）则有：低温热源等温吸热：（可逆）41感谢你的观看2019年8月25例2.热传导的ΔS。见图T1T2Q不可逆过程，分开计算。高四.负熵热寂说1.负熵：生命系统的熵变单细胞→多细胞，由无序→有序，即生命系统的热力学过程熵在减少。与熵增原理是否矛盾？生命系统为开放系统，其熵变为：

ds=dis+desdis——系统内不可逆过程的熵变，称为熵产生。des——系统与外界交换能量、质量引起的熵变，称为熵流。孤立系统：des=0ds=dis

＞0——熵增原理开放系统：des≠0若des＜0且ldesl＞dis则：ds

＜0即由无序→有序

des

＜0称为负熵。42感谢你的观看2019年8月25四.负熵热寂说42感谢你的观看2019年8月25自组织现象：经典热力学指出，在孤立系中，即使初始存在某种有序或差别，随着时间的推移，由于不可逆过程的进行，这种有序将被破坏，任何的差别将逐渐消失，有序状态将转变为最无序的状态——平衡态，此时的熵达到最大。热力学第二定律又保证了这种最无序的状态的稳定性，它再也不能自发的逆向转变为有序的状态了。对封闭系统，例如某恒温定体的系统，平衡态时自由能最小

F=U－TS

在低温情况下内能的贡献可能成为主要因素，当温度下降时，由分子排列的某种有序化引起的内能的下降对自由能的贡献，有可能超过由熵下降而造成的自由能的增加，于是系统有可能处于一种低内能低熵的某种相对有序状态，但无论有序无序其出现的概率都是最大的。这是平衡态统计理论的基本假设——等概率假设决定的。43感谢你的观看2019年8月25自组织现象：43感谢你的观看2019年8月25

按照上述观点解释液体和固体中有序结构的形成的理论称为波尔兹曼有序原理。低温下在液体和固体中出现的这种有序结构称为平衡结构。波尔兹曼有序原理无法解释生物中的有序现象。自然界中约有20种不同的基本氨基酸，若按等概率观点，那么形成某种特定的氨基酸残基排列方式的蛋白质分子的概率是极小的。例如一个具有100个氨基酸残基的蛋白质分子，20个不同种类的氨基酸残基可有10130种排列方式，若按等概率观点，要想得到某种特定结构的蛋白质分子的概率为10-130，不可能出现。假设蛋白质分子中氨基酸残基的排列方式可以自动调整，每秒可以变换106次排列方式，也要等待10124S，地球的年龄为1017S，与实际情况不符。44感谢你的观看2019年8月25按照上述观点解释液体和固体中有序结构的形成的理论称为

实际上，在生命过程中，从分子和细胞到有机个体和群体的不同水平上，无论在空间上还是在时间上都呈现出了有序现象。概括起来，一个系统内部由无序自发变为有序，使其中大量分子或单元按一定规律运动的现象，称为自组织现象。按照达尔文的生物进化学说及社会学家关于人类社会进化学说，发展过程总是趋于种类繁多，结构和功能变的复杂，生物体系和社会体系趋于更加有序更加有组织，而不是象经典热力学对于孤立体系所描述的那样，总是趋于平衡或无序。人们曾经把这种不一致解释为，生命现象与非生命现象由不同规律支配。45感谢你的观看2019年8月25实际上，在生命过程中，从分子和细胞到有机个体和群体的

无生命世界中的自组织现象：天空中的云会排列成整齐的鱼鳞状（细胞云）或带状间隔排列（云街），高空中的水蒸汽凝结会形成非常有规则的六角形雪花，火山岩浆形成的花岗岩中，有时会发现非常有规则的环状或带状结构。激光的发明生命世界中与无生命世界中的自组织现象促使人们认识到，这两个世界在这方面遵循相同的规律。耗散结构与非平衡态热力学自组织现象说明，系统在外界持续的作用下，被驱使到远离平衡的状态，当外界作用超过一定的临界值时，系统的状态将发生突变，从而进入一种空间或时间有序状态。由于这种有序的结构是靠不断消耗外界的能量和物质的条件形成和维持的，