热学学-第四章-热力学第一定律

第四章热力学第一定律目的：宏观描述的角度研究热力学第一定律§4.1可逆过程与不可逆过程准静态过程定义：指发生得无限缓慢的过程，以至于每一个中间过程都可以被近似地看成一个平衡态。例子：热传导(不等温传热)。例子：黏性。1例子：扩散。例子：迅速压缩气体例子：缓慢压缩气体。例子：等温传热。问题：如何判断系统的一个态是平衡态？回答：T，P，在各处相等。---平衡态，无过程问题：如何判断系统的一个态是近似平衡态？回答：---近平衡态，准静态过程2注意：准静态过程是一个理想过程(理想模型)。现实生活中无严格的准静态过程，但是有很多近似的准静态过程。类比：质点、点电荷、刚体、理想气体、理想流体、自由空间(完全真空)，等等，都是理想模型。关于缓慢的感性的例子：汽车的内燃机中气体的周期运动可以看成是缓慢的。那么气体经历的过程可以看成是准静态过程。非静态过程：不言而喻。静态和非静态过程的弛豫时间解释弛豫时间：系统从非平衡态演化到平衡态所花的时间。压强弛豫时间：准静态过程：过程经历的时间远大于弛豫时间32可逆与不可逆过程例子：a与生命有关的过程。

b由新到旧的过程。4

c真空中的单摆(无空气阻力)发生的过程。d空气中的单摆(有空气阻力)发生的过程。

e气体的自发(自由)膨胀。可逆过程：系统经历某个过程(A过程)由初态变化为末态，如果找得到另外一个过程，使得系统和外界都复原。那么该过程(过程A)就是可逆过程。如果找不到另外一个过程，使得系统和外界都复原。那么该过程(过程A)就是不可逆过程。例子：前面的三个例子。例子：功转化为热的过程是不可逆的。此结论是不可以证明。它是一个定律(热力学第二定律)5分析：6例子：热量由高温物体传到低温物体的过程是不可逆的。此结论不可以证明，它也是一个定律(热力学第二定律)例子：自由膨胀过程是不可逆的。此结论不可以证明，它是热力学第二定律。分析：压缩使系统复原。其他影响：功转化为热。例子：扩散过程是不可逆的。此结论不可以证明，它是热力学第二定律。结论：和热现象有关的所有的、实际的、宏观的过程都是不可逆的。和热现象有关的可逆过程(理想的过程)：无耗散的准静态过程是可逆过程。等温传热是可逆过程，不等温传热是不可逆过程。7§4.2功和热量1功的定义定义：在力学相互作用过程中系统和外界交换的能量。要点：1）力学相互作用，指系统和外界的相互作用或者是电磁的或者是机械的。---不是传热的。功的显著特点：给系统做功，系统一般会有宏观位移或者变形发生(广义位移)。或者给系统做功，系统一般有广义位移。例子：压缩气体做功，气体体积变化---广义位移。例子：重力给物体做功，物体位置变化---广义位移。例子：拉弹簧做功，弹簧发生形变---广义位移。82)功是一个过程量。不能说系统的一个平衡态具有多少功。

3)功的符号定义：外界给系统做功为正功；系统给外界做功为负功。4）系统经历的准静态过程时，功才可以计算。非静态过程的功，我们一般计算不出来，只能是实验测量。92体积变化功隐含：准静态过程!

包含外部量准静态过程：外界给系统做的元功：评论：1)中的量都是系统的状态量。是很方便的。2）任意形状系统的元功也可以表示为这样的形式。103）有限过程的体积变化功，4）功的在PV图中的意义。PV图上的一点代表：平衡态PV图上的任意一条曲线代表：准静态过程。非静态过程、非平衡态能否在PV图上表示？循环过程的功在PV图上的意义？113理想气体在几个特殊过程中功的计算（1）等温过程。隐含(准静态过程)

温度为T的摩尔理想气体，体积由的等温过程。计算外界给系统的功。（2）等压过程。（3）等容过程。124其他形式的功A弹性棒系统的元功B表面系统的元功表面张力系数:对一个表面而言单位长度上一部分给另外一部分的力.C功的一般表达形式广延量:和系统的质量或者摩尔数成正比的量。强度量：和系统的质量或者摩尔数无关的量。

13例子：压强、温度、体积、摩尔数、内能、表面张力系数、弹簧的倔强系数。各是什么量5功的意义功是反应系统物性的量。可以说功和物态方程在某种程度上是等价的。6热量系统和外界在非功过程交换的能量，称为热量注意：1）热量过程量。2）系统和外界必须有温度差，才能交换热量。3）系统和外界交换能量的方式只有两种：功，热量。§4.3

热力学第一定律本质：能量转化和守恒定律在热学系统的表现。1历史14

焦耳(1818-1889),英国。热功当量15迈尔,德国(1814-1878).医生，物理学家

迈尔曾是一位随船医生，在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，发现热带地区血的颜色比温带地区的新鲜红亮。食物中含有的化学能，可转化为热能，在热带情况下，机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的氧。氧合血红蛋白为红色，脱氧血红蛋白为紫红色《论有机体的运动与物质代谢关系》1845

植物吸收了太阳能，把它转化为化学能。动物摄取植物，通过氧化把化学能转化为热和机械能。16亥姆霍兹德国物理学家（1821～1894）《力之守恒》化学、力学、电磁学、热学172内能内能：在热学参考系下，所有分子的无规则运动的能量之和。热学参考系：使系统宏观静止的参考系关于能量，有两点值得强调：（1）能量的绝对值没有意义，能量的相对值才是有用的物理量。例如：系统的动能总是相对于一个特定的参考系（或者坐标系）而言。例如：某点的势能是没有意义的，两点的势能差才有意义。（2）对于一个系统，一般只考虑它可以被运用的能量。对于热学系统，只研究在热学过程可以被运用的能量。而不能被运用的能量，在过程中保持为常数，因此可以省略。内能具体包含哪些能量---普遍分子的动能(包括平动、转动、振动)+分子内部的振动势能+分子间的势能18---原子核内的能量，不能被运用，省略。---系统整体运动的能量，不是内能，排除。(系统的整体平动、转动的动能)---对于理想气体，分子间势能在任何过程中始终保持为常数，可以省略。例子：单原子分子理想气体的内能。每个分子的动能之和。---热学坐标系。例子：刚性双(多)原子分子理想气体的内能。每个分子的平动动能之和，每个分子的转动动能之和。例子：非刚性双(多)原子分子理想气体的内能。每个分子的平动动能之和，每个分子的转动动能之和。每个分子的振动动能之和，每个分子的振动势能之和。例子：前面的例子都为非理想气体时。都要包含分子间的势能之和。19总结：系统的内能=系统的总能量-系统整体运动的能量(-过程中不能用到的能量(在过程中保持为常数的能量))。内能不是一种新的能量形式。普通物理中涉及的能量只有两种：动能和势能。内能只是热学系统分子的动能和势能之和而已。20内能的另外一种引入方式绝热过程外界给系统作的功与具体的绝热过程无关。而只与系统的初末态有关。必然可以引入一个状态函数类比：重力做功和路径(过程)无关。只与物体的初末位置有关。21必然可以引入态函数(重力势能)内能概念要点：1）态函数，或者状态量。问题：从绝热过程引入了内能的概念，那么内能的存在和绝热过程有关吗？2）只定义了内能的相对值。3）我们从数量上去定义能量，而不是从本质上去定义。根源于我们对能量概念的一些困惑、争议。何为能量？22试答：能量是物质的一种性质、属性。分析：1电子烟灭之后，光子产生之前，是否有能量？是否有物质？什么物质？2宇宙起源于一次大爆炸。爆炸之前，如没有物质，那么有能量否？爆炸之前，如有物质，那么是什么物质？爆炸之前，如有寻常物质，那么还爆炸做什么？233热力学第一定律1）外界和系统交换能量有两种方式2）那么系统由状态1经过任何过程变化到状态23）热一的意义、要点。A能量转化和守恒定律在热学系统的运用。B外界给系统作工为正，外界给系统传热为正。C，，是过程量。U是状态量。D第一类永动机不可能实现。不给机器输入能量，而机器可以源源不断地给外界作工。问题：一般而言作工的机器的特点？24

循环过程E热一定律适用于任何过程。§4.4

热容量与焓1等容热容量25意义：1）。是把V看成常数，U对T求导数。2）。对于等容过程：物体在等容过程吸收的热量等于物体内能的增加。2定压热容量1）定义焓：要点：a）H是状态量，或者态函数。b)H的量纲是能量。c）H是广延量。d)态函数的任意函数是态函数2）定压热容量26由热一定律得：意义：1）。是把P看成常数，H对T求导数。2）。对于等压过程：27等压过程吸收的热量＝系统焓的增加。例子：1个大气压下，100度的水和水蒸汽的单位质量的焓分别为419.06和2676.3。计算此时水的汽化热。§4.5

第一定律对气体的运用1一般气体的内能。内能＝热运动动能(T)+分子内部的振动势能(T)

＋分子间的势能(V)。2理想气体的内能a）一般理解理想气体忽略分子间的作用力，无分子间势能28b）焦耳定律理想气体的自由膨胀过程：实验测量结果：实验分析：实验结论：理想气体的内能和V无关，只是T的函数。定义理想气体：满足。满足道尔顿分压定律。满足阿伏加德罗定律。满足焦耳定律的气体。293热一定律对理想气体的运用A等容热容量与内能理气理气B等压热容量与焓理气30同理：理气C理想气体的迈耶公式：

314理想气体的几个特殊过程的特点(1)等体过程

等体特点理气

定义：（2）等压过程：

等压特点：

定义

理气：

32（3）等温过程等温理气：等温理气（4）理想气体的准静态绝热过程A物态方程B理想气体准静态绝热过程的特点

普适

理气绝热准静态过程33理气：

不定积分得

34设

那么理气在绝热过程满足的方程。因为C理想气体等温过程和绝热过程在PV图上的表示。等温过程准静态绝热过程35问题：假设图中1条曲线是等温，另一条是绝热过程，问哪条是等温，哪条是绝热。解决：等温线的斜率：绝热线的斜率：

36D准静态绝热过程温度的变化(1）理气

结论：膨胀

压缩（2）一般气体不具有上边的性质普适绝热理气：非理气：

37（5）理想气体的多方过程A定义：理想气体满足的过程称为多方过程。讨论m=1等温；m=0等压；m=无穷大等容；

绝热。38问题：求理想气体在多方过程的热容量。

普适

理气准静态过程

39整理得讨论：a），；b）c)m=1,;d)

，多方负热容过程。？为何如此

吸热降温

放热升温

40141例子恒星演化幼年恒星，收缩势能降低势能放出热量＋热运动动能增加（）例子：见书4.7。理想气体经历的过程。(1)当系统体积扩大一倍时，系统对外作工多少？(2)该过程的热容量？解：（1）（2）42理气准静态理气特定过程434.6热机1热机的特点定义：源源不断地把热能转化为功的机器，称为热机。蒸汽机44蒸汽机45内燃机46蒸汽机1排气口，2高温高压蒸汽入口，3滑动阀，4阀杆，5气缸，6活塞，7活塞推杆，8十字头导杆，9十字头，10传动杆，11轮子，12连杆。http://www.sungangedu.net:81/lsxjm2/show.aspx?id=155&cid=43

http://bbs..cn/archiver/tid-2507197.htmlhttp://www.baobaosuo.com/ViewFlash.Aspx?guid=dfb95172-30bd-4cac-9469-95b1666b7775a47转子发动机481）构成热机的要素和热机热学性质的表现

a作工装置b工作物质

c热源(2个以上的热源)机器工作的特点：循环过程。研究方法1：机械如何构成(工程师的工作)研究方法2：机器的热学性质(我们所关心的)问题：什么反应了热机的热学性质？回答：工作物质的循环过程反应热机的热学性质。那么工作物质的循环过程就代表了整个热机。2)热机的工作原理49一般热机的做功的原理在高温高压时工作物质给外界做功，在低温低压时外界给工作物质做功(保证热机进行的是循环过程)，因而可以向外界输出净功，把热能转化为机械能。因此我们可以用一个非常简化的热机模型来深入讨论热机的具体的工作原理，这个热机模型就是卡诺热。50工作物质：理想气体循环过程：ABCDA。假设：AB等温过程温度T1；CD等温过程温度T2;BC和DA是绝热过程。热源：AB和CD过程，系统要和外界交换热量。那么必然要和外界热源接触。每一个等温线就表示系统要和一个热源接触。详细讨论此循环过程：(1)AB过程

结论：此过程系统要从外界热源吸收热量51(2)CD过程结论：此过程系统要给外界传热。(3)ABCDA循环过程就是ABCDA循环曲线围的面积结论：此循环过程，从高温热源T1吸收热量，把此热量一部分转化为功，另外一部分在低温热源T2放出。所以ABCDA循环代表一个热机。结论:PV图上，任意的一个顺时针循环过程都代表一个热机。52例子：右图注意：此循环过程有无穷多个热源。2热机的效率热机把热能转化为功的能力。对于只有2个热源的热机定义：对于一个循环而言讨论：a

越小，热机效率越高。问题：热机效率能否等于1？分析：如果效率等于1，那么。也就是热源T2等效于没有。那么此循环过程只有1个热源T1。这永远也不可能。b对于有多个热源的循环。53定义：其中是指在所有高温热源吸收的热量之和是指在所有低温热源放出的热量之和3卡诺热机卡诺（1796―1832年）法国军事工程师、物理学家卡诺循环：由两个绝热过程和两个等温过程组成的循环。计算卡诺循环的效率：12过程

5434过程(3)效率(4)绝热过程41过程：23过程：

55提高热机效率的手段：a提高高温热源温度；b降低低温热源温度；c减少摩擦；d减少漏热。例子：已知理想气体经历如图所示的循环过程，试计算该过程的效率。分析：知道和就可以计算效率。解：23过程，吸热过程41过程，放热过程效率：12过程，绝热34过程，绝热56那么：例子：已知理想气体经历如图所示的循环过程，试计算该过程的效率。绝热容积压缩比定压容积压缩比分析：知道和就可以计算效率。解：23过程，吸热?41过程，放热？

57效率：12过程，绝热34过程，绝热23过程，等压584制冷机1）工作原理ADC等温过程，吸热BBA等温过程，放热CDCBAD循环过程结论：此循环过程从低温热源T2，吸收热量，外界给系统作工，在把它们全部转化为热量在高温热源T1放出。推广：PV图上任意的逆时针循环都是制冷机2)制冷系数59定义：3)可逆卡诺制冷机的制冷系数：

aBA过程：bDC过程：60制冷系数：

AD绝热CB绝热可逆热机：无耗散的准静态的顺时针可逆循环。可逆制冷机：无耗散的准静态的逆时针可逆循环。614.7焦耳---汤姆孙效应此效应是获得低温的一种重要手段。1回顾获得低温的一些手段：a和更低温度的物体接触，热传递；b制冷机；c理想气体准静态绝热膨胀；d汽化，液化，相变；e节流过程。2节流过程1)概念绝热条件下，气体通过多空塞由高压端流向低压端的过程。节流过程。2)节流过程的特点62初态P1,V1,