大學(xué)物理 熱力學(xué) 教學(xué)

.,同學(xué)們好,.,第三章熱力學(xué)基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)框圖,.,第一節(jié)熱力學(xué)第一定律,一、熱力學(xué)系統(tǒng)外界,.,平衡態(tài)：無(wú)外界影響時(shí)，孤立系統(tǒng)的宏觀(guān)性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，稱(chēng)為熱力學(xué)平衡態(tài)。此時(shí)，狀態(tài)參量有確定的值。,二、狀態(tài)參量平衡態(tài),（1）平衡態(tài)是一種理想模型，包括（力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)）平衡,（2）平衡態(tài)和穩(wěn)衡態(tài)平衡態(tài)：孤立系統(tǒng)，無(wú)外界影響，狀態(tài)不變穩(wěn)衡態(tài)：非孤立系統(tǒng)，受外界影響，狀態(tài)不變，是非平衡態(tài),.,三、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化的過(guò)程叫做熱力學(xué)過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程。按平衡性質(zhì)分，熱力學(xué)過(guò)程可分為：,非靜態(tài)過(guò)程：至少有一個(gè)態(tài)是非平衡態(tài)的過(guò)程。,1.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,.,2.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功,注意：非靜態(tài)過(guò)程不適用,示功圖：p-V圖上過(guò)程曲線(xiàn)下的面積,結(jié)論：在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)外做的功在數(shù)值上等于P-V圖上過(guò)程曲線(xiàn)下方的面積。,.,.,四、熱力學(xué)第一定律,如果一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程，其狀態(tài)的變化完全由于機(jī)械的或電磁的作用，則稱(chēng)此過(guò)程為絕熱過(guò)程。在絕熱過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)所做的功稱(chēng)為絕熱功。焦耳實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用各種不同的絕熱過(guò)程使物體升高一定的溫度，所需的功在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是相等的，如圖所示。,1.焦耳實(shí)驗(yàn),在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)所做的功僅取決于系統(tǒng)的初、末狀態(tài)。,.,2、系統(tǒng)的內(nèi)能熱量,（1）系統(tǒng)內(nèi)能E,狹義：所有分子熱運(yùn)動(dòng)能量和分子間相互作用勢(shì)能。,.,（2）熱量的計(jì)算,熱量：物體間由于溫度差別而轉(zhuǎn)移的能量,熱量的傳遞稱(chēng)為傳熱。傳熱有三種方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射。,.,摩爾熱容：,物質(zhì)的比熱容,摩爾熱容：1摩爾物質(zhì)在某一過(guò)程中溫度變化1K時(shí)，吸收或放出的熱量。,注意：熱量也是過(guò)程量,等體摩爾熱容：1摩爾理想氣體在等容過(guò)程中溫度變化1K時(shí)，吸收或放出的熱量。（無(wú)相變和化學(xué)反應(yīng)）,等壓摩爾熱容：1摩爾理想氣體在等壓過(guò)程中溫度變化1K時(shí)，吸收或放出的熱量。（無(wú)相變和化學(xué)反應(yīng)）,.,3.A與Q比較,.,3熱力學(xué)第一定律,準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：,理想氣體：,微變過(guò)程：,（1）熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形式,.,.,第二節(jié)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用,一、等容過(guò)程（dV=0，V=C),.,（2）熱力學(xué)第一定律的具體形式,（3）等體摩爾熱容,吸熱全部用于增加內(nèi)能：,注意：,適用于一切過(guò)程,.,二、等壓過(guò)程(dp=0p=C),（2）熱力學(xué)第一定律的具體形式,.,（3）等壓摩爾熱容,由,可得,.,.,三、等溫過(guò)程(dT=0T=C),（2）熱力學(xué)第一定律的具體形式,吸收的熱量全部用于對(duì)外做功,.,.,（1）過(guò)程方程,熱力學(xué)第一定律,.,令,有,兩邊同除以,有,兩邊積分，得,過(guò)程方程的推導(dǎo),.,（2）熱力學(xué)第一定律的具體形式,.,*五、絕熱線(xiàn)和等溫線(xiàn)的比較,a.比較斜率,b.比較壓強(qiáng)變化,使同一理想氣體從相同初態(tài)壓縮相同體積,.,*5.多方過(guò)程(一般情況),.,小結(jié)：,.,練習(xí)1,答案：不可能發(fā)生的有:(1),(2),(3),.,例1.討論理想氣體在如圖所示兩過(guò)程中,T,E,A和Q的正負(fù).,判定的正負(fù)：,由圖知:,.,.,例：有bmol理想氣體，其定容摩爾熱容為3R/2，若按如圖所示的無(wú)摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程由C狀態(tài)變到Z狀態(tài)，求它對(duì)外所做的功和吸收的熱量。,.,第三節(jié)熱力學(xué)第二定律,一、循環(huán)過(guò)程,1.定義：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后又回到初始狀態(tài)的過(guò)程叫循環(huán)過(guò)程。,參與循環(huán)的物質(zhì)稱(chēng)為工作物質(zhì)。,.,3.正循環(huán)及其效率,凈功,整個(gè)過(guò)程吸的凈熱,整個(gè)過(guò)程對(duì)外做的凈功,d,和取絕對(duì)值,由于,所以,.,熱機(jī)的能量轉(zhuǎn)換:,熱機(jī)效率:,熱機(jī)及其效率,熱機(jī)：利用工作物質(zhì)的正循環(huán)不斷把熱轉(zhuǎn)化為功的裝置。,.,實(shí)例：蒸汽機(jī)的循環(huán),.,4.逆循環(huán)及致冷系數(shù),和取絕對(duì)值,由于,所以,外界對(duì)系統(tǒng)做的凈功,.,注意：這里的Q2僅是循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)從冷庫(kù)吸收的熱量衡量致冷的效力,致冷機(jī)及致冷系數(shù),致冷機(jī)：利用工作物質(zhì)的逆循環(huán)獲取低溫的裝置。,致冷系數(shù),.,實(shí)例：電冰箱,.,（1）高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩词窍鄬?duì)的。,注意：對(duì)于熱機(jī)和致冷機(jī)：,正循環(huán)中，把熱量傳遞給工作物質(zhì)的熱源叫高溫?zé)嵩矗环粗褪堑蜏責(zé)嵩?。逆循環(huán)與正循環(huán)正好相反。,（2）熱量,逆循環(huán),（3）功,正循環(huán),逆循環(huán),正循環(huán),.,.,二、卡諾循環(huán),18世紀(jì)末19世紀(jì)初，蒸汽機(jī)的效率很低，不能滿(mǎn)足資本主義大工業(yè)的需要。提高熱機(jī)效率，解決動(dòng)力問(wèn)題就成了當(dāng)時(shí)的首要任務(wù)。法國(guó)工程師卡諾認(rèn)為：“要最完整地研究由熱得到動(dòng)力的道理，必須不依賴(lài)于任何特定機(jī)構(gòu)和任何特殊的工作物質(zhì)，必須使所進(jìn)行的討論不僅適合于蒸汽機(jī)，而且可以應(yīng)用于一切可以想象的熱機(jī)，不管它們用的什么物質(zhì)，也不管它們?nèi)绾蝿?dòng)作”。在此思想的指導(dǎo)下，提出了一個(gè)十分重要的循環(huán)-卡諾循環(huán)。,.,1.卡諾循環(huán)及其特點(diǎn)：,卡諾正循環(huán)或卡諾逆循環(huán)與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q能量（兩個(gè)等溫過(guò)程）2）不與其它熱源交換能量（兩個(gè)絕熱過(guò)程）,如何在P-V圖中表示？,卡諾循環(huán)：工質(zhì)只與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q能量的循環(huán)過(guò)程。,.,卡諾循環(huán)過(guò)程：,正循環(huán),逆循環(huán),.,2.理想氣體的卡諾循環(huán),1)卡諾正循環(huán)的效率,等溫過(guò)程：,絕熱過(guò)程：,.,一般地，對(duì)于一個(gè)由個(gè)分過(guò)程構(gòu)成的循環(huán)有：,注意：,.,等溫過(guò)程：,2)逆循環(huán)致冷系數(shù),.,注意：,.,.,練習(xí)1:,20-16,.,解：1-2:,.,等溫壓縮,3-1:,.,練習(xí)2.,解：,.,(2)效率,.,(3)與A內(nèi)能相同的點(diǎn)必與A在同一條等溫線(xiàn)上，而過(guò)A的等溫線(xiàn)必然與CD相交。設(shè)交點(diǎn)為F，則,所以，與A內(nèi)能相同F(xiàn)點(diǎn)的狀態(tài)為：,.,.,.,三、熱力學(xué)第二定律,是否不違反熱力學(xué)第一定律的過(guò)程就一定能發(fā)生？,1.自然現(xiàn)象的不可逆性,（1）可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程,定義：,設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷,過(guò)程,.,自然界中存在大量不可逆過(guò)程：例如生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程、日月星辰的運(yùn)行過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等。,大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀(guān)過(guò)程都是不可逆的。,.,2.熱力學(xué)第二定律的兩種典型表述及其等效性,從熱機(jī)角度（熱功轉(zhuǎn)換角度）說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換的方向和限度。,*不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。,*單熱源熱機(jī)是不可能制成的。,*,1.開(kāi)爾文表述(K),.,注意理解：,.,熱力學(xué)第二定律并不意味著熱不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?.,熱力學(xué)第二定律指出了熱功轉(zhuǎn)換的方向性,熱力學(xué)第二定律與能源危機(jī),.,從致冷機(jī)角度（熱傳導(dǎo)角度）說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換的方向和限度。,*熱量不能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。,2.克勞修斯表述(C),.,注意理解:,.,3.兩種表述的等效性,用反證法證明后兩項(xiàng),可以證明，熱力學(xué)第二定律的兩種表述是完全等效的。,.,假設(shè)K表述不成立。則存在單熱源熱機(jī)，可以將熱量完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它影響。建立如圖聯(lián)合循環(huán)，,.,假設(shè)C不成立。則存在A=0的致冷機(jī)，可以將熱量從低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩炊灰鹌渌绊?。建立如圖聯(lián)合循環(huán),總效果：,.,.,二.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì),從可逆、不可逆過(guò)程的角度看熱力學(xué)第二定律,溶解、擴(kuò)散、