(2024年)大学物理《热力学基础》课件

大学物理《热力学基础》课件12024/3/26热力学基本概念与定律热量传递与热机效率熵增原理与热力学第二定律理想气体状态方程及应用相变与临界点现象实际气体性质及近似方法contents目录22024/3/2601热力学基本概念与定律32024/3/26热力学系统及其分类孤立系统封闭系统开放系统与外界有能量交换但无物质交换的系统。与外界既有能量交换又有物质交换的系统。与外界既无物质交换也无能量交换的系统。42024/3/26在不受外界影响的条件下，系统各部分的宏观性质长时间内不发生变化的状态。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态的经过。热力学平衡态与过程热力学过程平衡态52024/3/26热力学第零定律与温度概念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，那么这两个系统之间也将达到热平衡。温度概念表征物体冷热程度的物理量，是物体分子热运动的平均动能的标志。62024/3/26热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。热力学第一定律在一个孤立系统中，不论发生何种变化或过程，其总能量始终保持不变。能量守恒热力学第一定律与能量守恒72024/3/2602热量传递与热机效率82024/3/26热传导物体内部或相互接触的物体之间，由于温度差异引起的热能传递现象。特点是无物质迁移，仅通过微观粒子的热运动传递能量。热对流流体中由于温度差异引起的热能传递现象。特点是伴随着流体的宏观运动，热量通过流体质点的位移来传递。热辐射物体通过电磁波的形式向外发射能量的过程。特点是无需介质，能量以光速传播，且温度越高，辐射越强。热量传递方式及特点92024/3/26固体中的热传导、液体中的热传导、气体中的热传导等。热传导现象傅里叶定律描述了热传导过程中热流密度与温度梯度之间的关系，即热流密度正比于温度梯度，比例系数称为热导率。热传导规律热传导现象与规律102024/3/26对流换热原理牛顿冷却定律描述了对流换热过程中热流密度与温差之间的关系，即热流密度正比于温差，比例系数称为对流换热系数。对流换热应用自然对流和强制对流是两种常见的对流换热方式，广泛应用于散热器设计、电子设备冷却等领域。对流换热原理及应用112024/3/26VS所有物体都会向外发射热辐射，同时也会吸收和反射来自其他物体的热辐射。黑体辐射黑体是一种理想化的物体，能够完全吸收所有波长的辐射能量，没有反射和透射。黑体辐射的规律由普朗克辐射定律描述，即黑体辐射的能量密度与温度的四次方成正比。热辐射现象热辐射现象及黑体辐射122024/3/2603熵增原理与热力学第二定律132024/3/26熵增原理在一个孤立系统中，熵（代表系统的无序程度）总是趋向于增加，即系统总是向着更加无序的方向发展。熵增原理的意义揭示了自然界中不可逆过程的普遍性和必然性，为热力学第二定律提供了理论基础。熵增原理及意义142024/3/26克劳修斯表述不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。开尔文表述不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其它影响。熵增表述在孤立系统中，熵总是增加的，即系统的无序程度总是增加的。热力学第二定律表述152024/3/26可逆过程01系统经过某一过程从状态1变到状态2后，如果能使系统和环境都完全复原（即不留下任何永久性的变化），则这样的过程称为可逆过程。不可逆过程02系统经过某一过程从状态1变到状态2后，无论采用何种方法都不能使系统和环境都完全复原的过程称为不可逆过程。可逆过程与不可逆过程的区别03可逆过程是理想化的过程，实际中不存在；而不可逆过程是实际过程中普遍存在的现象。可逆过程与不可逆过程162024/3/26卡诺循环与卡诺定理由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环称为卡诺循环。卡诺循环是一种理想化的循环，用于研究热机效率的理论极限。卡诺循环在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关；在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。卡诺定理172024/3/2604理想气体状态方程及应用182024/3/26理想气体状态方程表达式pV=nRT，其中p为压强，V为体积，n为物质的量，R为气体常数，T为热力学温度。理想气体状态方程的适用条件适用于稀薄气体或高温低压下的真实气体，此时分子间相互作用力可忽略不计。理想气体状态方程的意义揭示了气体的压强、体积和温度之间的内在联系，为热力学分析提供了基础。理想气体状态方程030201192024/3/2603等温过程应用利用等温过程可以计算气体在等温条件下的状态变化，如等温膨胀、等温压缩等。01等温过程定义在等温条件下，气体发生状态变化的过程。02等温过程特点在等温过程中，气体的内能不变，吸收的热量全部用于做功。理想气体等温过程分析202024/3/26在绝热条件下，气体与外界没有热量交换的过程。绝热过程定义在绝热过程中，气体的内能发生变化，但无法通过热传递与外界交换能量。绝热过程特点利用绝热过程可以分析气体在绝热条件下的状态变化，如绝热膨胀、绝热压缩等。绝热过程应用理想气体绝热过程分析212024/3/26理想气体多方过程分析在多方条件下，气体发生状态变化的过程，其中多方指数n不等于1。多方过程特点在多方过程中，气体的内能、体积和压强均发生变化，且满足pV^n=常数的关系。多方过程应用利用多方过程可以分析气体在多方条件下的状态变化，如多方膨胀、多方压缩等。同时，多方过程也是连接等温过程和绝热过程的桥梁。多方过程定义222024/3/2605相变与临界点现象232024/3/26物质从一种相态转变为另一种相态的过程，如固-液、液-气、固-气等相变。根据相变过程中热力学性质的变化，可分为一级相变和二级相变。一级相变伴随着热量的吸收或释放，体积发生变化；二级相变则不伴随热量的吸收或释放，体积不发生变化。相变现象分类相变现象及分类242024/3/26临界点现象在特定的温度和压力下，物质的气态和液态之间的差别消失，形成一个单一的、高密度的流体状态，称为超临界状态。特点在临界点附近，物质的密度、粘度、扩散系数等物理性质发生显著变化；超临界流体具有类似气体的扩散性和类似液体的溶解能力。临界点现象及特点252024/3/26熔化物质从固态转变为液态的过程，需要吸收热量，破坏晶格结构，使分子或原子的振动幅度增大，最终导致物质熔化。要点一要点二凝固物质从液态转变为固态的过程，需要释放热量，分子或原子重新排列形成晶格结构。固-液相变过程分析262024/3/26123物质从液态转变为气态的过程，发生在液体表面，分子从液体表面逸出，进入气相。蒸发物质在液体内部和表面同时发生的剧烈的汽化现象，需要吸收大量热量，使液体内部形成气泡并上升至液面破裂。沸腾物质从气态转变为液态的过程，需要释放热量，气相中的分子聚集成团，最终形成液滴。凝结液-气相变过程分析272024/3/2606实际气体性质及近似方法282024/3/26实际气体的压缩性实际气体在受到压力作用时，体积会发生变化，表现出压缩性。实际气体的热膨胀性实际气体在吸收或放出热量时，体积也会发生变化，表现出热膨胀性。实际气体与理想气体的差异实际气体分子间存在相互作用力，且分子本身具有一定体积，这使得实际气体的性质与理想气体有所不同。实际气体性质简介292024/3/26范德华方程及应用范德华方程虽然比理想气体方程更精确，但仍然是一种近似方法，对于某些特殊情况可能不够准确。范德华方程的局限性范德华方程是描述实际气体状态的一个方程，它考虑了分子间的相互作用力和分子本身的体积，能够更准确地描述实际气体的性质。范德华方程的形式及意义范德华方程适用于中低压、中低温的实际气体，对于高压、高温或极低温的情况，需要使用更精确的方程来描述。范德华方程的应用范围302024/3/26对应态原理的内容对应态原理指出，不同气体在相同的对应状态下具有相似的性质。这里的对应状态是指具有相同的对比压力、对比温度和对比体积的状态。对应态原理的应用利用对应态原理，可以通过已知某种气体的性质来推测其他气体在相同对应状态下的性质，从而简化实际问题的处理。对应态原理的局限性对应态原理是一种近似方法，其准确性受到气体种类和对比状态参数范围的影响。在某些情况下，可能需要使用更精确的方法来描述气体的性质。010203对应态原理及应用312024/3/26近似处理方法的种类根据实际需要和精度要求，可以选择不同的近似处理方法来描述实际气体的性质，如范德华方程、对应态原理等。近似处理方法的适用条件不同的近似处理方法有不同的适用条件，需要根据实际情况进行选择。