程守洙《普通物理学》 第6章 热力学基础学习资料

国内外经典教材名师讲堂程守洙《普通物理学》第六章热力学基础主讲老师：宋钢学习指导：

通过对热力学过程的描述，了解热力学的基本定律，以及各种循环过程。一、热力学第零定律与第一定律

1．热力学第零定律;

如果两个物体都与处于确定状态的第三个物体处于热平衡，则该两个物体彼此处于热平衡。

2．热力学过程

从一个平衡态到另一个平衡态就称为热力学过程。如果过程中间任意一个状态都可以看作是平衡态那么这个过程就称为准静态过程，也称平衡过程。

3．功热量内能

能量交换的方式是通过宏观的有规则运动

(如机械运动、电流等)来完成的，称为宏观功。

交换能量的方式是通过分子的无规则运动来完成的（如热传递）称为微观功。

热力学系统在一定状态下，应具有一定的能量，称做热力学系统的内能。内能的改变量只决定于初末两个状态，而与经历过程无关。

在这里需要记住对气体做功的表达式

4．热力学第一定律

设有一系统，外界对它传热为Q，使系统内能由|同时。系统对外界又作功为A，那么用数学式表示上述过程，有：

对于微小变化：

第一类永动机违反了热力学第一定律。

积分表示阴影区面积

二、热力学第一定律在理想气体准静态过程中的应用

1．等体过程

过程中气体体积不发生变化。PV=nRT可知，P增加T增加。

外界传给气体的热量，全部用来增加气体内能气体对外作功=0。根据热量公式我们可知道：

Cv为摩尔定体热容，将上式与上面的做以比较，可得Cv的表达式：

2．等压过程气体摩尔定压热容

过程中气体压强不发生变化。PV=nRT可知，T增加V增加。

气体吸收的热量一部分转换为

内能另一部分转换为对外作功。

利用求Cv的方法，可以求得此时的热容—摩尔定压热容Cp

热容比或者称为绝热系数

单原子分子：5/3

双原子分子：7/5

热容反应热惯性，也就是到达平衡的时间长度，热容越大，所需要的能量越多，到达平衡的时间越长

3．等温过程

过程中气体温度不发生变化。PV=nRT可知，P增加V减小。

气体吸收的热量全部用来对外作功，气体内能不变。

4．绝热过程

在不与外界作热量交换的条件下，系统的状态变化过程叫做绝热过程。

等温线与绝热线的交点

等温

绝热

斜率比较

绝热线比较陡

绝中体积压缩，气体被做功所以改变量就大。

三、循环过程卡诺循环

1．循环过程：

系统经过一系列状态变化

过程又回到原状态。

2．卡诺循环：1824年法国工程师卡诺提出

在两个温度恒定的热源之间循环（一高、一低）

其中包括两个绝热过程与两个等温过程。

研究过程只取绝对值：

说明：

（1）完成一次卡诺循环必须有高温与低温两个热源；

（2）效率只有热源温度有关。两个温度差值越大，从高温热源吸收的热量利用价值越大；

（3）效率始终小于1。

按反方向循环，从低温吸取热量，则产生致冷效果：

致冷系数：

卡诺机的致冷系数四、热力学第二定律

1．两个表述：

开尔文表述（开氏表述）：不可能从单一热源吸取热量，使它完全变为有用功而不引起其它变化。

说明：1）其它变化：指热源和作功对象以外的物体的变化。

2）从一个热源吸热并将热量全部变为有用功的热机（效率=100%），称做第二类永动机。它不同于第一类永动机，因为它不违反热力学第一定律。有人计算过，如果能制造第二类永动机，使它从海水这一单一热源吸热而完全变为有用功，那么海水的温度只要降低0.01K，所做的功就可供全世界所有工厂一千多年之用。但是由热力学第二定律知，第二类永动机是一种幻想。因此开尔文表述可等价说成“第二类永动机是不可能制造出来的。”

3）开氏说法并不是说热量不能完全变成功，只是说在不引起其它变化的情况下，热量不能完全变成有用功。如：气缸中理想气体等温膨胀时,气体从热源吸热，热量全部用来对外界作功，但此时气体的体积增加了，气体不能回到原状态，这就是其它变化。

克劳修斯表述（克氏表述）：热量不能自动地从低温物体传到高温物体。

注意：克氏说法并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，而是不能自动地传到高温物体。如：致冷机，在外界对系统做功的情况下，低温物体才能向高温物体传热，但是这种热传导不是自动的，是在外界做功条件下进行的。

2．证明这两个是相同的

假设开尔文叙述不成立，亦即允许有一循环可以只从高温热源T1取得热量Q1，并把它全部转

变为功。这样利用一个逆卡诺循环接受这些功，使它从低温热源T2取得热量Q2，输出热量Q1+Q2给高温热源。所得的结果是外办没有对它做功而它却把热量Q2从低温热源传给了高温热源。这也就说明开尔文叙述不成立，则克劳修斯叙述也不成立。五、可逆过程不可逆过程卡诺定理

一个过程，每一步都可能在相反的方向进行而在外界不引起其他变化，这个过程叫做可逆过程，否则称为不可逆过程。

1．可逆过程：如：无摩擦的准静态过程。

不可逆过程：如：热传导、功热转换、气体自由膨胀、扩散等。

结论：一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的。

2．卡诺定理

（1）在同样高低温热源（高为T1，低为T2）之间工作的一切可逆机，不论用什么工作物，效率都第于（1-T2/T1）

（2）在同样高低温热源之间工作的一切不可逆机的效率，不可能高于可逆机，即六、熵玻耳兹曼关系

1．熵

直白的讲熵是从状态1

变为状态2的结果，这个变

化与过程无关。

在可逆卡诺机中，有

2．自由膨胀不可逆

原因：熵变不为0

3．玻耳兹曼关系

W为热力学概率，表示热运动无序性的程度七、熵增加原理热力学第二定律的统计意义