大学物理基础教程（全一册） 第3版 课件 第3章 热学-热力学基础

第3章

热学-热力学基础

教学内容：

4.1热力学第一定律的推导

4.2

几个典型的热力学过程4.3循环过程和卡诺循环4.4

热力学第二定律4.5

熵和熵增加原理

4.1

热力学第一定律

准静态过程功热量内能热力学第一定律摩尔热容非平衡态←快←无限缓慢接近平衡态1.准静态过程是理想化过程平衡即不变过程是变化一对矛盾？矛盾统一于“无限缓慢”

如何判断“无限缓慢”？

平衡态破坏新的平衡态

2.弛豫时间

:系统从一个平衡态变到相邻平衡态所经过的时间。

t过程

>>

：该过程就可视为准静态过程所以无限缓慢只是个相对的概念。4.1热力学第一定律气体活塞砂子124.1热力学第一定律2.准静态过程可用过程曲线来表示p－V图上一点代表一个平衡态，p－V图p0V等温线等压线等体线一条连续曲线代表一个准静态过程。4.1.2

功热量内能

系统状态(内能)改变的两种方式做功可以改变系统的状态热量传递可以改变系统的状态1.准静态过程功的计算注意：作功与过程有关.系统对外界作正功dA>0系统对外界作负功dA<0功（过程量）

功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化.4.1热力学第一定律2.热量（过程量）

通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递.（1）都是过程量：与过程有关；（2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；

（3）功与热量的物理本质不同.1cal=4.18J，1J=0.24

cal功与热量的异同4.1热力学第一定律3.内能（状态量）大量实验表明：系统从同一初态过渡到同一末态时，在各种不同的绝热过程（与外界没有热量交换的过程）中，外界对系统所做的功是一个恒量，该功与具体实施的绝热过程无关，仅由始、末状态决定。根据绝热功的特点，引入一个与系统的状态相对应的能量——内能，当系统绝热地从初态过渡到末态时，系统内能的增量等于外界对系统所做的绝热功。内能

E是一个由系统的状态确定的函数，是态函数。内能是状态量，内能的变化与经历过程无关。理想气体的内能只是温度的单值函数。4.1热力学第一定律

4.热力学第一定律

1）能量转化和守恒定律自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，从在转化和传递过程中其数量不变。物理意义a.包括热现象在内的能量守恒定律。第一类永动机是不可能制成的。b.实验经验总结，自然界的普遍规律。4.1热力学第一定律

永动机的设想图3）第一定律的符号规定+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

4）摩尔热容

在一定过程中，当系统的温度升高或降低1K（或1℃）时所吸收或放出的热量称为系统在该过程中的热容，单位为焦每开，符号为J/K。4.1热力学第一定律2）热力学第一定律

系统内能的增量等于系统从外界吸收的热量与外界对系统做功之和。元过程对理想气体3.第一定律的符号规定+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

4.摩尔热容

在一定过程中，当系统的温度升高或降低1K（或1℃）时所吸收或放出的热量称为系统在该过程中的热容，单位为焦每开，符号为J/K。摩尔热容：在一定过程中，1mol物质温度每升高或降低1K（或1℃）时所吸收或放出的热量。摩尔热容用表示，其定义式为：如果在过程中系统的体积不变，则此热容为定体热容，如果压强不变则为定压热容。4.1热力学第一定律物体的热容、摩尔热容、比热容的关系

4.2典型的热力学过程

1.等体过程

摩尔定容热容2.

等压过程摩尔定压热容3.等温过程4.

绝热过程

计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础.（1）（理想气体）

（2）解决过程中能量转换的问题（3）（理想气体的状态函数）（4）各等值过程的特征、

过程方程.4.2典型的热力学过程4.2.1等体过程摩尔定体热容由热力学第一定律得：特征常量过程方程常量p-V图功摩尔定体热容:

理想气体在等体过程中吸收热量，使温度升高,其摩尔定体热容为:单位理想气体4.2典型的热力学过程p-V图单位理想气体由热力学第一定律知则4.2典型的热力学过程4.2.2等压过程摩尔定压热容过程方程常量由热力学第一定律特性常量

功12Ap-V图

摩尔定压热容:

理想气体在等压过程中吸收热量，温度升高，其摩尔定压热容为：4.2典型的热力学过程

可得摩尔定压热容和摩尔定体热容的关系12Ap-V图三个量：摩尔热容比

4.2典型的热力学过程气体种类

实验值气体类别理论值Cp,mCv,mCp,m-Cv,mγCp,mCv,mγ单原子分子He20.7912.528.271.66单原子分子20.7812.471.67Ne20.7912.688.111.64Ar20.7912.458.341.67双原子分子H228.8220.448.381.41刚性双原子分子29.0920.781.40N229.1220.808.321.40O229.3720.988.391.40弹性双原子分子37.3929.091.39CO29.0420.748.301.40多原子分子CO236.6228.178.451.30刚性非线型多原子分子33.2424.931.33N2O36.9028.398.511.31H2S36.1227.368.761.32弹性非线型多原子分子58.1749.861.17H2O36.2127.288.391.30表3-1

几种气体的的理论值和实验值4.2典型的热力学过程4.2.3.等温过程由热力学第一定律特征常量过程方程常量12p-V图内能4.2典型的热力学过程4.2.4

绝热过程与外界无热量交换的过程1.特征2.内能变化12p-V图由热力学第一定律有12Ap-V图4.2典型的热力学过程3.功由热力学第一定律有12Ap-V图若已知及由可得4.2典型的热力学过程3.功4.绝热过程方程的推导12p-V图分离变量得常量绝热

方程常量常量常量4.2典型的热力学过程5.绝热线和等温线比较1.绝热过程曲线的斜率常量2.等温过程曲线的斜率常量

绝热线的斜率大于等温线的斜率.ABC常量p-V图4.2典型的热力学过程例题4-1一气缸中储有氮气，质量为1.25kg.在标准大气压下缓慢地加热，使温度升高1K.试求气体膨胀时所作的功A,气体内能的增量△E,以及气体所吸收的热量Qp,（活塞的质量以及它与气缸壁的摩擦均可略去）.解：由于过程等压，所以内能的变化为气体吸收的热量为4.2典型的热力学过程例4.2

设有1mol

的氢气，最初温度，压强，求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？12常量解（1）等温压缩过程（2）氢气为双原子气体

已知：

由表查得，有4.2典型的热力学过程（3）对等温过程对绝热过程，有12常量4.2典型的热力学过程

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.由热力学第一定律特征

1.循环过程

ABp-V图净功总吸热净吸热总放热（取绝对值）2Q4.3循环过程和卡诺循环

1.

循环过程2.

热机效率3.

制冷系数4.

卡诺循环4.3循环过程和卡诺循环热机热机效率高温热源低温热源AB2.热机效率1)热机（正循环）4.3循环过程和卡诺循环致冷机致冷系数致冷机AB高温热源低温热源3.致冷机（逆循环）4.3循环过程和卡诺循环

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AABCD卡诺热机低温热源T2高温热源T121TT>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.4.卡诺循环

4.3循环过程和卡诺循环a.理想气体卡诺循环热机效率的计算

A—B

等温膨胀卡诺循环AABCD

D—A

绝热压缩过程B—C

绝热膨胀过程

所以C—D

等温压缩卡诺热机效率4.3循环过程和卡诺循环

D—A

绝热过程B—C

绝热过程

所以卡诺热机效率

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.

4.3循环过程和卡诺循环AABCDb.卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机致冷系数高温热源T1卡诺致冷机低温热源T24.3循环过程和卡诺循环例题4.3

一定量的某单原子分子理想气体，经历如图所示的循环，其中AB为等温线.已知求热机效率.解：循环由3个分过程组成：⑴A→B为等温膨胀过程，

吸收热量⑵

B→C为等压压缩降温过程，＜0

放出热量⑶

C→A为等体增压升温过程，A=0，

吸热：由B→C的（等压）过程方程知所以有4.3循环过程和卡诺循环

放出热量⑶

C→A为等体增压升温过程，A=0，吸热由B→C的等压过程方程知所以有单原子分子理想气体的摩尔定容热容循环中，系统从高温热源吸热向低温热源放热热机效率为4.3循环过程和卡诺循环4.4热力学第二定律4.4.1

热力学第二定律的内容4.4.2

可逆过程与不可逆过程4.4.3热力学第二定律的实质4.4.4卡诺定理一、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.4.4.1

热力学第二定律的内容

二、热力学第二定律的两种表述

1.开尔文表述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，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何变化.

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,但它是非循环过程.12A

A等温膨胀过程低温热源高温热源卡诺热机AABCD卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.

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.高温热源低温热源卡诺致冷机AABCD2.克劳修斯表述

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.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.4.4.2可逆过程与不可逆过程可逆过程和不可逆过程的定义：

一个系统，由某一状态出发，经历某一过程达到另一状态，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原（系统回到原来状态并消除了原来过程对外界的一切影响），则原来的过程称为可逆过程；

反之，如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则称为不可逆过程.克劳修斯表述：

说明了热量的传递过程是不可逆的。

如要把热量由低温物体传递给高温物体，非要由外界对它做功不可，而由于外界做功的结果，外界的环境就要发生变化.

高温物体能自动地把热量传递给低温物体，而低温物体不可能自动地把热量传递给高温物体.

例如摩擦做功可以把功全部转化为热量，而热量却不能在不引起其它变化的情况下全部转化为功.

如果把功转为热作为正过程，热转化为功作为逆过程，那么在不引起其它变