大学物理课件：热力学基础

热力学基础教学基本要求

一、掌握内能、功、热量、准静态过程等概念；二、掌握热力学第一定律的应用，及理想气体在等值过程中功、热量等物理量的计算；三、理解循环的意义，掌握卡诺循环和其他简单循环效率的计算；四、了解可逆、不可逆过程，及热力学第二定律和熵增加原理；1.热力学过程：系统由状态A随时间变化达到状态B，则称该系统经历了一个热力学过程。热力学系统的状态随时间的变化称为热力学过程。2.热力学过程可分为：a.准静态过程；

b.非静态过程；3.准静态过程：系统从一平衡态经一系列中间平衡态到另一平衡态的理想过程称为准静态过程。13.1.1准静态过程13.1热力学第一定律气体活塞细砂12注意：

a.准静态过程是热力学过程中的一种特殊过程，是相对缓慢的实际过程的近似；

b.准静态过程在P—V图中对应曲线；1.功：能量传递和转换的量度，可引起系统状态变化；2.准静态过程系统对外界的体变功为：注意：a.功是过程量；

b.本章仅讨论体变功；(1)(2)13.1.2功2.改变系统状态的两种方法：作功、传热；c.功与热量的物理本质不同；b.等效性：改变系统状态(1卡

=4.18J；1J=0.24

卡)；a.过程量：与热力学过程有关；讨论：功与热量的异同；1.热量：由于存在温差，外界与系统传递的能量称为热量；13.1.3热量2AB1**1.实验证明系统从状态A

变化到状态B

，可采用做功和传热的方法，但不管经过什么过程，只要始、末状态确定，做功和传热之和保持不变：13.1.4内能2.热力学系统的内能是由系统的热运动状态所决定的单值函数。内能的增量只与系统初、终态有关，与系统经历的过程无关：2AB1**3.理想气体内能:

其内能仅是温度的函数：(1)

我一生的乐趣在于不断地去探求未知的那个世界。如果我能够对其有一点点的了解，能有一点点的成就，那我就非常知足。

JamesPrescortJoule,1818-1889焦耳：对热力学第一定律的发现作出了杰出的贡献。该发现被视为十九世纪自然科学三大发现之首。焦耳一生没有受过正规的学校教育，可他竟然以一位酿酒商的身份于业余时间成为现代热力学的始祖。13.1.5热力学第一定律机械功改变系统状态的焦耳实验AV电功改变系统状态的实验1.热力学第一定律：系统从外界吸收热量，部分使系统内能增加,部分使系统对外界做功:12**(2)(3)准静态过程：(4)微小过程：13.1.5热力学第一定律

a.能量转换和守恒定律；

b.实验与经验的总结；

c.自然界的普遍规律;+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2.规定：3.第一定律的物理意义：2.该定律就是能量守恒与转换定律，是自然界最基本的规律之一：自然界物质的能量具有各种形式，并能从一种形式转换为另一种形式，由一个系统传递给另一个系统，但在传递与转换过程中，能量保持不变；关于热力学第一定律：3.第一类永动机是不可能造成的。1.该定律指出了功与热量之间的转换关系，是热力学的基本规律之一；13.2.1等体过程气体的摩尔定体热容2.摩尔定体热容：理想气体在等体过程中吸收的热量，使温度升高，其摩尔定体热容为：过程方程：(1)热力学第一定律：(2)(3)13.2.热力学第一定律对理想气体的应用1.等体过程的特征：

等体升压

12

等体降压

12(5)(4)(6)1213.2.2等压过程摩尔定压热容1.等压过程的特征：2.摩尔定压热容:理想气体在等压过程中吸收的热量，温度升高，其摩尔定压热容：过程方程：(1)体变功：(2)W(4)(3)热一律：(5)(6)Mayer公式：(7)3.摩尔热容比：

(8)12W等压膨胀12W等压压缩

W

W(11)(10)系统等压过程吸收的热量：系统等压过程内能的增量：(9)系统等压过程的体变功：4.比热容对任意物质组成的热力学系统，经历任意过程，则可定义对应于该过程的：热容：(12)比热容：(13)注意：

1.热容是过程量，与系统经历的过程有关；

2.热容与系统的质量有关；

3.比热容仅与过程有关；例题13.2.1设气缸内储有1mol的氢气，在压强保持不变的条件下，其温度升高120K。试求：

（1）氢气吸收的热量；

（2）氢气的内能增量；

（3）氢气所做的功；解：分析由题意知为等压过程，将氢气视为刚性双原子构成的理想气体，则由相应关系式可解：（1）由其摩尔定压热容得到氢气等压过程吸收的热量为：（3）由热力学第一定律得到氢气等压过程对外界做的功为：（2）由其摩尔定体热容得到氢气等压过程内能的增量为：等温过程的特征：

恒温热源T12过程方程：常量(1)热力学第一定律：(2)(3)13.2.3等温过程等温过程有：12等温膨胀W12W等温压缩

W

W(4)1.绝热过程的特征：12绝热的汽缸壁和活塞(2)(3)(1)热一律：13.2.4绝热过程12W由(3)式及：可得：(4)(5)(6)2.绝热过程方程的推出：12(1)(2)分离变量得：(4)(3)由(2)式得：(5)(4)(6)绝热过程方程：(4)式整理得：12W绝热膨胀12W绝热压缩

W

W3.绝热线与等温线a.绝热过程曲线的斜率b.等温过程曲线的斜率常量(1)(2)(3)常量(4)ABC常量(5)(6)ABC常量结论：绝热线的斜率（绝对值）大于等温线的斜率。(7)例题13.2.2设有10mol的氧气，如图13.7所示初态的压强为、温度为，试求下列过程把氧气压缩为原来体积的时所做的功：（1）等温过程；（2）绝热过程；（3）两过程终态气体压强.解：分析由等温、绝热准静态过程功的关系式及过程方程可解：（1）等温过程外界对氧气做的功为：（2）将氧气视为刚性双原子分子，其摩尔定体热容及摩尔热容比为：经绝热过程氧气的终态温度为：则绝热过程外界对氧气所做的功为：（3）经等温过程、绝热过程，其终态压强由对应过程方程分别求得：1.热机发展简介：1698年萨维利、1705年纽可门先后发明了蒸汽机。但当时蒸汽机效率极低，1765年瓦特进行了重大改进，大大提高了蒸汽机效率。3.各种热机效率比较：液体燃料火箭：柴油机：汽油机：蒸汽机：2.研究目的：人们一直为提高热机效率而努力。从理论上研究热机效率问题，可指明提高热机效率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展。13.3热力学循环与卡诺定理1.

循环过程：系统经一系列中间变化又回到初态的过程称为热力学循环过程，简称循环。准静态循环过程在P—V图上对应一闭合曲线。13.3.1循环过程2.规定：P—V图中按顺时针进行的循环为正循环，对应热机；P—V图中按逆时针进行的循环为逆循环，对应致冷机。3.循环过程的功：P—V图中正循环所包围的“面积”是系统对外的净功；P—V图中逆循环所包围的“面积”是外界对系统的净功；AB总放热：（注意：取绝对值）总吸热：净功：(3)热一律：(2)循环特征：(1)AB(4)13.3.2热机和致冷机热机高温热源低温热源AB热机效率：(5)热机正循环AB致冷机高温热源低温热源致冷系数：(6)致冷机逆循环13.3.3卡诺循环

低温热源高温热源卡诺热机WABCD1.卡诺循环：由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成的循环。2.理想气体卡诺循环热机效率的计算

a—b

等温膨胀：吸热；

b—c

绝热膨胀：

c—d

等温压缩：放热；

d—a

绝热压缩：Wabcd卡诺循环对应的过程：a—b等温膨胀吸热:(1)(2)c—d

等温压缩放热：b—c

绝热过程：(3)

d—a

绝热过程：(4)(5)WABCD(3)、(4)(6)结论：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.

卡诺热机效率：(7)Wabcd高温热源低温热源卡诺致冷机3.卡诺致冷机（卡诺逆循环）Wabcd卡诺致冷机致冷系数：(8)

图中两卡诺循环吗？讨论：例题13.3.11mol氧气经历如图13.13所示循环过程，其中，试求：(1)，和各过程气体吸收或释放的热量；

(2)该循环对应的热机效率。解：分析由理想气体物态方程、过程方程及热机效率关系式可求：为等体升压过程，该过程吸收的热量为：为等压膨胀过程，该过程吸收的热量为：

为等容降压过程，该过程释放的热量为：

为等压压缩过程，温度降低释放热量为：(2)循环过程气体对外做的功及热机效率：

整个循环过程吸收总热量为：

解：分析由卡诺热机效率可直接求解，于是得到锅炉的效率为：例题13.3.2设蒸汽机车的锅炉温度为，其冷却器温度为，若将锅炉的循环视为理想气体准静态卡诺正循环，试求锅炉的效率。

注意：实际蒸汽机的效率远小于上述结果。由于锅炉内燃料燃烧的热量只有部分转变为蒸汽的热能，、再加上各种损耗，蒸汽机车的最高效率只有8%～9%。目前效率较低的蒸汽机车已被内燃机车、电力机车、动车组取代。例13.3.3设电冰箱置于室温的房间内，冷藏室的温度维持在，由于冰箱老化密封性能欠佳，每天有热量传递到电冰箱内。设电冰箱的制冷题系数为卡诺制冷机制冷系数的55%，若要使冷藏室的温度维持在，试求电冰箱压缩机每天做的功及功率。解：分析由题意已知电冰箱制冷系数，故由卡诺制冷机制冷系数及制冷系数定义，带入已知数据可求对应功及功率如下：2.开尔文说法（热机表述）：不可能从单一热源吸取热量，使其完全变为有用功而不产生任何其它影响。13.4.1热力学第二定律的两种表述提出问题：违背热力学第一定律的热力学过程一定不会发生，符合该定律的热力学过程一定会发生吗？13.4热力学第二定律1.第二类永动机：从单一热源吸热，将其全部用来对外作功而不放出热量到低温热源的热机，效率可达百分之百！12W

WWABCD低温热源高温热源卡诺热机卡诺循环等温膨胀过程卡诺致冷机：虽然该机能把热量从低温物体转移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化。3.克劳修斯说法（致冷机表述）：不可能把热量由低温物体传到高温物体而不产生任何其它影响。高温热源低温热源卡诺致冷机WABCD

1.热力学第二定律是大量实验、经验的总结；

3.热力学第二定律可有多种等效说法；

2.热力学第二定律的两种说法具有等效性；注意：13.4.2热力学第二定律两种表述的等效性可以证明：开尔文表述与克劳修斯表述等效。1.可逆过程:在系统状态变化过程中，若其逆过程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化,这样的过程叫做可逆过程。13.5可逆过程与不可逆过程卡诺定理准静态无摩擦过程为可逆过程13.5.1可逆过程与不可逆过程3.不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或虽能重复但必然引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程。2.可逆过程的条件：无摩擦的准静态过程；注意：自然界一切与热现象有关的实际过程都是不可逆过程；4.热力学第二定律的实质：指出自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。指出实际宏观过程自发进行的方向。结论：珍惜时间，爱护生命！充实自我，天天向上！1.在相同高、低温热源间工作的任意工质的可逆机都具有相同的效率；13.5.2卡诺定理2.工作在相同高、低温热源间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率；以卡诺机为例：结论：一切循环中：

a.可逆卡诺正循环效率最高；

b.可逆卡诺逆循环致冷系数最大；卡诺定理的意义：为提高热机效率指明了方向；要提高热机效率：向可逆卡诺正循环逼近！1.结论：可逆卡诺循环中,热温比总和为零。热温比等温过程中吸收或放出的热量与热源温度之比。可逆卡诺机：问题：如何判断孤立系统中过程进行的方向？(1)(2)13.6熵和熵增加原理13.6.1克劳修斯等式对所有微小循环求和：2.任意可逆循环：可视为许多可逆卡诺循环所组成；结论：

对任一可逆循环过程,热温比之和为零。该结论称为克劳修斯等式。任一微小可逆卡诺循环：(3)当时，则：(4)熵：在可逆过程中，系统从状态A到状态B

，其热温比的积分只决定于始末状态，而与过程无关。据此可知热温比的积分是一态函数的增量，此态函数称熵。3.熵(Entropy)是态函数**ABCD对可逆过程：由：故对于可逆过程有：(5)无限小可逆过程：

热力学系统从初态A

变化到末态B，系统熵的增量等于初态