大学物理热力学教学课件.ppt

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1、结构框图结构框图热力学系统热力学系统内能变化的内能变化的两种量度两种量度功功热量热量热力学热力学 第一定律第一定律热力学热力学 第二定律第二定律等值过程等值过程绝热过程绝热过程循环过程循环过程卡诺循环卡诺循环应用应用（理想气体）（理想气体）（对热机效率（对热机效率的研究）的研究）一、热力学系统一、热力学系统 外界外界大量粒子组成的宏观、有限的体系。大量粒子组成的宏观、有限的体系。与热力学系统比邻的周围环境称为与热力学系统比邻的周围环境称为外界。外界。与外界有与外界有 m、E 交换交换与外界有与外界有 E 交换，无交换，无 m 交换交换与外界无与外界无 E、m 交换交换开放系统开放系统 孤立系统

2、孤立系统封闭系统封闭系统系统系统绝绝热热例例开放系统开放系统 封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统热力学：热力学：研究热力学系统的状态及其变化的规律。研究热力学系统的状态及其变化的规律。1. 描述系统宏观性质的物理量：描述系统宏观性质的物理量：p、T、V、E .广延量广延量强度量强度量EVm、如如有有可可加加性性，,无可加性，如无可加性，如 p、T平衡态：平衡态：无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为间变化的状态，称为热力学平衡态热力学平衡态。此时，状态参量。此时，状态参量有确定的值。有确定的值。二、状态参量二、状态参量 平衡态平衡态（1）平

3、衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡（2）平衡态和稳衡态）平衡态和稳衡态 平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变 稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态三、准静态过程三、准静态过程初态、末态及中间态无限接近平衡态初态、末态及中间态无限接近平衡态的过程。这是一种进行得非常缓慢的的过程。这是一种进行得非常缓慢的过程（判据：弛豫时间）。过程（判据：弛豫时间）。准静态过程：准静态过程： 热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简

4、热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简称过程。按平衡性质分，热力学过程可分为：称过程。按平衡性质分，热力学过程可分为：非静态过程：非静态过程：至少有一个态是非平衡态的过程。至少有一个态是非平衡态的过程。1.准静态过程准静态过程2.准静态过程的功准静态过程的功注意注意：非静态：非静态过程不适用过程不适用示功图：示功图： p - V 图上过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积FpSdAFdlpSdlpdV21dVVAp VAd结论：在准结论：在准静态过程中，静态过程中，系统对外做系统对外做的功在数值的功在数值上等于上等于P-V图图上过程曲线上过程曲线下方的面积。下方的面积。思考：?021

5、12AVV的的任任何何过过程程则则由由是是否否d00VA注意：注意：功是过程量功是过程量过程不同，曲线下面积不同过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）（可正、可负、可零）pVod00VAd00VA四、热力学第一定律四、热力学第一定律 如果一个系统经过一个过程，如果一个系统经过一个过程， 其状态的变化完全由于其状态的变化完全由于机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程。在绝热过机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程。在绝热过程中外界对系统所做的功称为绝热功。程中外界对系统所做的功称为绝热功。 焦耳实验结果表明：焦耳实验结果表明： 用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，用各种不同的绝热

6、过程使物体升高一定的温度， 所需的功所需的功在实验误差范围内是相等的，在实验误差范围内是相等的， 如图所示。如图所示。1.焦耳实验焦耳实验 在绝热过程中，外在绝热过程中，外界对系统所做的功仅取界对系统所做的功仅取决于系统的初、末状态。决于系统的初、末状态。2 2、系统的内能、系统的内能 热量热量（1 1）系统内能）系统内能 E广义：广义： 系统内所有粒子各种能量总和。系统内所有粒子各种能量总和。 包括平动、转动、振动能量、化学能、原子能、包括平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能核能.等，等，但不包括系统整体运动的机械能。但不包括系统整体运动的机械能。狭义：狭义：所有分子热运动能量和分子间

7、相互作用势能。所有分子热运动能量和分子间相互作用势能。实际气体实际气体),(VTEE 理想气体理想气体:2:MM iERTiRT理想气体质量理想气体摩尔质量其中理想气体分子的自由度理想气体普适恒量理想气体绝对温度 内能内能 是状态函数是状态函数 内能变化内能变化 只与初末状态只与初末状态有关，与所经过的过程无关，有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。的过程进行计算。EE 改变内能的方式改变内能的方式做功做功热传递热传递（2） 热量的计算热量的计算热量：热量：物体间由于温度差别而转移的能量物体间由于温度差别而转移的能量热量的传递称为传热。传

8、热有三种方式：热量的传递称为传热。传热有三种方式： 热传导、对流、热辐射。热传导、对流、热辐射。摩尔热容：摩尔热容：TCMdTCMQcCTT21TcMTTcMQ)(12c物质的比热容物质的比热容摩尔热容：摩尔热容：1摩尔物质在某一过程中温度变化摩尔物质在某一过程中温度变化1K时，时，吸收或放出的热量。吸收或放出的热量。注意：热量也是过程量注意：热量也是过程量等体摩尔热容：等体摩尔热容：1摩尔理想气体在等容过程中温度变化摩尔理想气体在等容过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）等压摩尔热容：等压摩尔热容：1摩尔理想气体在等压过程中温度

9、变摩尔理想气体在等压过程中温度变化化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）21TVVVTMMCCQC dTCT21TPPPTMMCCQC dTCT3. A 与与 Q 比较比较改变改变E的的方式方式特点特点能量转换能量转换量度量度做功做功热传递热传递与宏观位移相联系与宏观位移相联系通过非保守力做功通过非保守力做功实现实现机械机械运动运动热运动热运动A与温差相联系与温差相联系通过分子碰撞实现通过分子碰撞实现热运动热运动热运动热运动Q在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中，A、Q、E之之 间满足一定数量关系间满足一定数量关系 这种关系就是包含热运动

10、和机械运动范围的能量守恒与转这种关系就是包含热运动和机械运动范围的能量守恒与转化定律化定律热力学第一定律热力学第一定律准静态过程：准静态过程：理想气体：理想气体：ddd2M iQR TP V微变过程：微变过程：,0,0QQ系统从外界吸收热量时反之0, 0,AA反之系统对外界作功时0, 0,1212EEEE反之系统的内能增加时（1） 热力学第一定律的数学形式热力学第一定律的数学形式AEEQ)(12dddQEAdddQEP V(2) 物理意义：物理意义：热力学第一定律热力学第一定律是涉及热运动和机械运动的能量是涉及热运动和机械运动的能量转换和守恒定律。转换和守恒定律。(3) 其它表述：其它表述：第

11、一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的第一类永动机第一类永动机：系统不断经历状态变化回到初态，：系统不断经历状态变化回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。000AQE违反热力学第一定律违反热力学第一定律即：即：AE第二节第二节 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用等值过程等值过程 等体过程等体过程 等压过程等压过程 等温过程等温过程0dV0d p0dT绝热过程绝热过程0dQ（1） 过程方程过程方程PT常数查理定律查理定律一、等容过程一、等容过程（ dV = 0 ，V = C )VVp1p2p),(222TVp),( 111TVpO

12、（2） 热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式（3）等体摩尔热容）等体摩尔热容21d0VVAp VTCMQVTRiME2TCMQEV吸热全部用于增加内能：吸热全部用于增加内能：TiRME2注意：注意：-1-1-1100-11312.5J molK25()()20.8J molK22624.9J molK2VVdVdVVVCRQEiCRCRMMTTCR适用于一切过程适用于一切过程二、等压过程二、等压过程 ( dp = 0 p = C)（1） 过程方程过程方程VT常数盖盖. .吕萨克定律吕萨克定律（2 2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式TRMVVpVpAVV)(d12

13、21TCMQpTCMEVEVpQV1V2Vppo（3）等压摩尔热容）等压摩尔热容RCRiTMQCVdPp22)(0TRMTiRMTCMQp2由由可得可得-11-11-11520.8J molK22729.1J molK22833.2J molK2ppppCRiCRCRCR讨论：讨论：?VpCC为什么为什么相同。相同。无论何种过程，无论何种过程，设系统由设系统由ETTTT)(1221EQAcV10若若1200QAEQAVcp若若VpCC 三、等温过程三、等温过程 ( dT = 0 T = C )（1）过程方程）过程方程2211VpVp玻意耳玻意耳 马略特定律马略特定律（2）热力学第一定律的具体形

14、式）热力学第一定律的具体形式0E2112lnlndd2121PPRTMVVRTMVVRTMVpAVVVV21221211lnlnPPVPVVVPAQ 吸收的热量全部用于对外做功吸收的热量全部用于对外做功Vp1V2V1p2po四、绝热过程四、绝热过程特点：特点： dQ = 0绝热材料绝热材料快速进行快速进行（如气体自由膨胀）（如气体自由膨胀）（1） 过程方程过程方程热力学第一定律热力学第一定律0dddAEQ条件条件准静态：准静态：理想气体：理想气体：0ddVpTCMVRTMpVTRMpVVpddd消去消去dTRCCVpVpCC恒量恒量pV恒恒量量Tp1恒恒量量TV10ddVpTCMVTRMpVV

15、pddd消去消去dTddVpdVp VV pRC d (1)d0VRp VV pCVpCC令令有有dd0p VV p两边同除以两边同除以pV有有dd0VpVp两边积分，得两边积分，得0lnlnVpc 过程方程的推导过程方程的推导0lnpVc 0cpVe常数（2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式00VVQMMECTCTA )(212TTRiMTCMEAV1)(222112211VpVpVpVpi21=pVVVCCRCCi 2111221VVPVPVAPdV*五、绝热线和等温线的比较五、绝热线和等温线的比较绝热线：绝热线：恒量pV1比等温线陡比等温线陡等温线等温线 ： pV=恒量

16、恒量 双曲线双曲线过过p-V图中某点（图中某点（A) )A0dQ0dTP0d Qpa.比较斜率比较斜率 VPdVdPkTTVPdVdPkQQQTkk b.比较压强变化比较压强变化 有由RTMPVnkTTNRVNMP00使同一理想气体从相同初态压缩相同体积使同一理想气体从相同初态压缩相同体积dVTQdPdP)()(pVo00dnp等压过程：等压过程：0n*5. 多方过程多方过程( (一般情况一般情况) ) TRMpVVpdddAEQdddVpTCMTCMVnddd常量常量npV,0 npnVCCnnCC其中称为多方指数， 在之间取值。nV0d:等体过程等体过程n10dnT等温过程：等温过程：1nnQ0绝热过程：绝热过程：n()/(1)nVCnCn小结：小结：求法求法QAE,ETCMVAQA：准静态过程准静态过程21dVVVpAEQA非静态过程非静态过程Q：等体等体TCMQVTCMQp绝热绝热 Q = 0等温（准静态）等温（准静态）12lnVVpVAQ等压等压AEQ或练习练习1 1理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？(1) 等体加热，内能减少，压