大學(xué)物理下課件——熱學(xué)熱力學(xué)定律

1、*今天交作業(yè)今天交作業(yè)No.10。請分班收齊，。請分班收齊， 按照學(xué)號排列。按照學(xué)號排列。*請在本周以內(nèi)補交所缺作業(yè)。請在本周以內(nèi)補交所缺作業(yè)。同學(xué)們好同學(xué)們好！ 我們的目標(biāo)是超越工具主義者的發(fā)展模式，尋求一種全球的倫理學(xué)，在生態(tài)和文化兩個方面皆重視地球上的生命共同體，并把它看作是世界對這種倫理學(xué)的檢驗。 H.H.羅爾斯頓羅爾斯頓純羊毛標(biāo)志純羊毛標(biāo)志?1)1)統(tǒng)計物理統(tǒng)計物理物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)粒子的熱運動粒子的熱運動統(tǒng)計方法統(tǒng)計方法平均效果平均效果確定宏觀量與微觀量確定宏觀量與微觀量的聯(lián)系，描述熱現(xiàn)象的聯(lián)系，描述熱現(xiàn)象的規(guī)律和本質(zhì)的規(guī)律和本質(zhì)由基本假設(shè)由基本假設(shè)構(gòu)造性理論構(gòu)造性理論微

2、觀理論微觀理論熱學(xué)發(fā)展歷史的兩大特征：熱學(xué)發(fā)展歷史的兩大特征：技術(shù)技術(shù)物理物理技術(shù)模式技術(shù)模式兩種研究方法兩種研究方法兩種理論兩種理論前言前言第二十章第二十章 熱力學(xué)第一定律和第二定律熱力學(xué)第一定律和第二定律2)2)熱力學(xué)熱力學(xué)歸納歸納觀測觀測實驗實驗熱現(xiàn)象基本定律，宏觀過程進行熱現(xiàn)象基本定律，宏觀過程進行的方向和限度，不涉及微觀本質(zhì)的方向和限度，不涉及微觀本質(zhì)永動機是不可能成功的永動機是不可能成功的自然遵循什么法則自然遵循什么法則由現(xiàn)象出發(fā)由現(xiàn)象出發(fā)原理性理論原理性理論宏觀理論宏觀理論3)3)相互關(guān)系：相互關(guān)系： 互相補充，相輔相成互相補充，相輔相成統(tǒng)計物理統(tǒng)計物理熱力學(xué)熱力學(xué)宏觀理論，基本

3、結(jié)論來自實驗事實，宏觀理論，基本結(jié)論來自實驗事實，普遍可靠，但不能解釋其微觀本質(zhì)普遍可靠，但不能解釋其微觀本質(zhì)微觀理論，揭示熱現(xiàn)象本質(zhì)微觀理論，揭示熱現(xiàn)象本質(zhì)驗證驗證其理其理論論解釋解釋其理其理論論熱力學(xué)定律自然界中居支配地位的定律熱力學(xué)定律自然界中居支配地位的定律熱力學(xué)第二定律的創(chuàng)始人熱力學(xué)第二定律的創(chuàng)始人德德.18221888英英.18241907熱力學(xué)第一定律的創(chuàng)始人熱力學(xué)第一定律的創(chuàng)始人英英.18181889德德.18211894德德.18141878結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能變化的內(nèi)能變化的兩種量度兩種量度功功熱量熱量熱力學(xué)熱力學(xué) 第一定律第一定律熱力學(xué)熱力學(xué) 第二定律

4、第二定律等值過程等值過程絕熱過程絕熱過程循環(huán)過程循環(huán)過程卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)應(yīng)用應(yīng)用（理想氣體）（理想氣體）（對熱機效率（對熱機效率的研究）的研究）學(xué)時：學(xué)時： 8 820.1 20.1 熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)基本概念一、熱力學(xué)系統(tǒng)一、熱力學(xué)系統(tǒng) 外界外界大量粒子組成的宏觀、有限的體系。大量粒子組成的宏觀、有限的體系。其比鄰環(huán)境稱為其比鄰環(huán)境稱為外界外界開放系統(tǒng)開放系統(tǒng) 封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)與外界有與外界有 m、E 交換交換與外界有與外界有 E 交換，無交換，無 m 交換交換與外界無與外界無 E、m 交換交換1. 描述系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量描述系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量：p、T、V、E .廣延量

5、廣延量強度量強度量EV,m、如如有有可可加加性性， 無可加性，如無可加性，如 p、T平衡態(tài)平衡態(tài)狀態(tài)參量有確定的值狀態(tài)參量有確定的值絕絕熱熱例例開放系統(tǒng)開放系統(tǒng) 封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)二、狀態(tài)參量、二、狀態(tài)參量、 熱力學(xué)過程熱力學(xué)過程熱力學(xué)熱力學(xué): :研究熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及狀態(tài)變化研究熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及狀態(tài)變化2、系統(tǒng)狀態(tài)變化、系統(tǒng)狀態(tài)變化熱力學(xué)過程熱力學(xué)過程非靜態(tài)過程非靜態(tài)過程 中間狀態(tài)不是平衡態(tài)中間狀態(tài)不是平衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程（平衡過程）（平衡過程）過程進行得足夠緩慢過程進行得足夠緩慢中間狀態(tài)中間狀態(tài) 平衡態(tài)平衡態(tài)例：氣體自由膨脹例：氣體自由膨脹氣體等溫膨脹氣體等溫膨脹Ts

6、104 馳豫時間馳豫時間3. 3. 相平面相平面 相圖相圖以狀態(tài)參量為坐標(biāo)變量以狀態(tài)參量為坐標(biāo)變量 相平面、相平面、 相空間相空間相圖中的點相圖中的點對應(yīng)平衡態(tài)對應(yīng)平衡態(tài)相圖中的線相圖中的線對應(yīng)平衡過程對應(yīng)平衡過程例：例：等溫、等壓、等體過程的相圖等溫、等壓、等體過程的相圖V非靜態(tài)過程不能在非靜態(tài)過程不能在相圖中描述。相圖中描述。三、系統(tǒng)內(nèi)能三、系統(tǒng)內(nèi)能熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換規(guī)律熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換規(guī)律1.系統(tǒng)內(nèi)能系統(tǒng)內(nèi)能 E狹義：狹義：所有分子熱運動能量和分子間相互作用勢能所有分子熱運動能量和分子間相互作用勢能的總和。的總和。例：例：實際氣體實際氣體)V,T(EE 理想氣體理想氣體

7、(剛性分子剛性分子)T(ERTiME 2 2. 內(nèi)能內(nèi)能 是狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)函數(shù) 內(nèi)能變化內(nèi)能變化 只與初末狀態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)過的過程無只與初末狀態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)過的過程無關(guān)，關(guān)，可以在初、末態(tài)間任選最簡便的過程進行計算?？梢栽诔?、末態(tài)間任選最簡便的過程進行計算。EE四、功和熱量四、功和熱量 21dVVVpA注意：注意：非靜態(tài)過程不適用非靜態(tài)過程不適用1. 準(zhǔn)靜態(tài)過程的體積功準(zhǔn)靜態(tài)過程的體積功VplpSlFAdddd 3. 內(nèi)能變化方式內(nèi)能變化方式做功做功熱傳遞熱傳遞示功圖：示功圖： p - V 圖上過程曲線下的面積圖上過程曲線下的面積 21dVVVpAAd系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功

8、外界對系統(tǒng)做功循環(huán)過程的凈功循環(huán)過程的凈功思考：思考：?AVV02112 的的任任何何過過程程則則由由是是否否0d0d AV若若0d0d AV0d0d AV注意：注意：功是過程量功是過程量過程不同，曲線下面積不同過程不同，曲線下面積不同（可正、可負(fù)、可零）（可正、可負(fù)、可零）2. 2. 熱量熱量中學(xué)中學(xué)TcM)TT(cMQ 12比熱比熱熱容熱容TCQcMC 摩爾熱容摩爾熱容TCMQcC 0ddd VV)TQ(C等體摩爾熱容等體摩爾熱容0ddd pp)TQ(C等壓摩爾熱容等壓摩爾熱容熱量是過程量熱量是過程量注意注意摩爾數(shù)摩爾數(shù)該過程該過程摩爾熱容摩爾熱容溫度差溫度差3. A 與與 Q 比較比較E

9、改變改變方式方式特點特點能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換量度量度做功做功熱傳遞熱傳遞與宏觀位移相聯(lián)系與宏觀位移相聯(lián)系通過非保守力做功通過非保守力做功實現(xiàn)實現(xiàn)機械機械運動運動熱運動熱運動A與溫差相聯(lián)系與溫差相聯(lián)系通過分子碰撞實現(xiàn)通過分子碰撞實現(xiàn)熱運動熱運動熱運動熱運動Q在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，A、Q、E 間數(shù)量關(guān)系間數(shù)量關(guān)系包含熱運動和機械運動范圍的能量守恒定律包含熱運動和機械運動范圍的能量守恒定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律20.2 20.2 熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用一一. . 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)dQ=dE+pdV理想氣體理想氣體VpTRiMQdd

10、2d 微小過程：微小過程：dQ=dE +dA增量增量微小量微小量微小量微小量1. 1. 數(shù)學(xué)形式數(shù)學(xué)形式A)EE(Q 12系統(tǒng)從外界吸熱系統(tǒng)從外界吸熱= =內(nèi)能增量內(nèi)能增量+ +系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)對外界做功1E2EAQ2. 2. 物理意義物理意義涉及熱運動和機械運動的能量轉(zhuǎn)換及守恒定律。涉及熱運動和機械運動的能量轉(zhuǎn)換及守恒定律。3.3.其它表述：其它表述：第一類永動機是不可能制成的。第一類永動機是不可能制成的。第一類永動機：第一類永動機：系統(tǒng)不斷經(jīng)歷狀態(tài)變化后回到初態(tài)，系統(tǒng)不斷經(jīng)歷狀態(tài)變化后回到初態(tài)，不消耗內(nèi)能，不從外界吸熱，只對外做功不消耗內(nèi)能，不從外界吸熱，只對外做功蓄水槽蓄水槽發(fā)電機發(fā)電

11、機泵泵電池電池蓄水槽蓄水槽重力型重力型浮力型浮力型毛細(xì)型毛細(xì)型子母型子母型流水落差的永動機流水落差的永動機亨內(nèi)考的永動機亨內(nèi)考的永動機達芬奇的永動機達芬奇的永動機浮力型的永動機浮力型的永動機第一類永動機：第一類永動機：系統(tǒng)不斷經(jīng)歷狀態(tài)變化后回到初態(tài)，系統(tǒng)不斷經(jīng)歷狀態(tài)變化后回到初態(tài)，不消耗內(nèi)能，不從外界吸熱，只對外做功不消耗內(nèi)能，不從外界吸熱，只對外做功000 AQE違反熱力學(xué)第一定律違反熱力學(xué)第一定律即：即：第一類永動機是不可能制成的。第一類永動機是不可能制成的。EA二二. . 對理想氣體的應(yīng)用對理想氣體的應(yīng)用等值過程等值過程 等體過程等體過程 等壓過程等壓過程 等溫過程等溫過程0d V0d

12、p0d T絕熱過程絕熱過程0d Q1 1）過程方程）過程方程2121TTpp 查理定律查理定律1. 等體過程等體過程 （dV=0 V=c )2 2） 熱力學(xué)第一定律的具體形式熱力學(xué)第一定律的具體形式3 3） 等體摩爾熱容等體摩爾熱容單原子分子氣體單原子分子氣體雙原子分子（剛性）雙原子分子（剛性）-1-1KmolJ51223 .RCV1-1KmolJ82025 .RCV 0dVpATCMQV TRiME 2 TCMQEV 吸熱全部用于增加內(nèi)能吸熱全部用于增加內(nèi)能TCMTRiMV 2RiCV2 由由得得適適用用于于一一切切過過程程。TCMEV 注意注意2. 等壓過程等壓過程 （ dp=0 p=c

13、)1) 過程方程過程方程2121TTVV 蓋蓋.呂薩克定律呂薩克定律2) 熱力學(xué)第一定律的具體形式熱力學(xué)第一定律的具體形式TRM)VV(pVpAVV 1221dTCMQp TCMEV EVpQ 3) 3) 等壓摩爾熱容等壓摩爾熱容得得：由由TRMTCMTCMVp RCCVp 邁耶公式邁耶公式RiRRiCp222 12 iiCCVp 泊松比泊松比單原子分子氣體單原子分子氣體1-1KmolJ82025 .RCp671. 雙原子剛性分子雙原子剛性分子1-1KmolJ12927 .RCp401. 討論討論?CCVp 為為什什么么相相同同。無無論論何何種種過過程程，設(shè)設(shè)系系統(tǒng)統(tǒng)由由E)TT(TT 122

14、1 EQAcV 10若若1200QAEQAVcp 若若VpCC 理論值與實驗值差異（理論值與實驗值差異（P648 P648 ）注意注意顯示經(jīng)典理論缺陷，是導(dǎo)致近代物理革命原因之一顯示經(jīng)典理論缺陷，是導(dǎo)致近代物理革命原因之一實驗結(jié)果：實驗結(jié)果：CV隨溫度變化隨溫度變化理論值與實驗值差異的原因：理論值與實驗值差異的原因：經(jīng)典理論認(rèn)為能量連經(jīng)典理論認(rèn)為能量連續(xù)分布，實際上只有續(xù)分布，實際上只有 近似連續(xù)，近似連續(xù)， 均是量子均是量子化的。隨化的。隨T升高，轉(zhuǎn)動、振動能量相繼解凍（被激升高，轉(zhuǎn)動、振動能量相繼解凍（被激發(fā)），曲線出現(xiàn)三個臺階。發(fā)），曲線出現(xiàn)三個臺階。sr ,t 3. 等溫過程等溫過程

15、（ dT=0 T=c )1） 過程方程過程方程2211VpVp 玻意耳玻意耳 馬略特定律馬略特定律2）熱力學(xué)第一定律的具體形式）熱力學(xué)第一定律的具體形式0 E12lndd2121VVRTMVVRTMVpAVVVV 21221211lnlnppVpVVVp AQ 吸熱全部用于對外做功吸熱全部用于對外做功3 3） 摩爾熱容摩爾熱容12lnVVRTMTCM:AQT 由由 TCT04. 4. 絕熱過程絕熱過程特點：特點：dQ=0絕熱材料絕熱材料快速進行快速進行 （如氣體自由膨脹）（如氣體自由膨脹）1 1） 過程方程過程方程熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律0ddd AEQ條件條件準(zhǔn)靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)理想氣體理想氣體

16、0dd VpTCMV RTMpV TRMpVVpddd 消去消去dTRCCVp VpCC 恒恒量量 pV恒恒量量 Tp1恒量恒量 TV1 2） 絕熱線絕熱線絕熱線絕熱線恒恒量量 pV1 比等溫線陡比等溫線陡A等溫線等溫線 ： pV=恒量恒量 雙曲線雙曲線過過pV圖中某點（圖中某點（A)壓壓縮縮同同樣樣體體積積由由（)V,pAA微觀解釋微觀解釋nKTp 等溫等溫 pnV絕熱絕熱 pnV pTV0d Q0d0d TQpp0d Qp0d TP3)3)熱力學(xué)第一定律的具體形式熱力學(xué)第一定律的具體形式TCMEQV 0)TT(RiMTCMEAV122 1222112211 VpVp)VpVp(i4) 4)

17、 摩爾熱容摩爾熱容0 TCMQ 0 絕熱絕熱CVVVpCRCCC i21 pVo00d np等壓過程：等壓過程：0 n5. 5. * * 多方過程多方過程( (一般情況一般情況) ) 常量常量 npV CCCCnVnpn0：為多方指數(shù)，取值范圍為多方指數(shù)，取值范圍其中其中 nV:0d等體過程等體過程 n10d nT等溫過程：等溫過程：1 n nQ0絕絕熱熱過過程程： n小結(jié)：小結(jié)：1. P651表表 理想氣體典型過程比較理想氣體典型過程比較0d V0d p0d T0d QCTp CTV CpV 1CpV 21CTV 31CTp EQV VpEQp AQT EA 過過程程特特點點過程方程過程方程

18、熱一律熱一律過程過程等等體體等壓等壓等等溫溫絕熱絕熱內(nèi)能增量內(nèi)能增量TCMEV TCMEV TCMEV 00Vp 12lnVVRTM 21lnppRTM TCMV 12211 VpVp12lnVVRTM 21lnppRTM 0TCMV TCMp RiCV2 RiCp22 TC0QCA功功Q熱熱量量過過程程等等體體等等壓壓等等溫溫絕絕熱熱摩摩爾爾熱熱容容單單雙雙多多泊松比泊松比ii2 R23R25R3R25R27R4355734小結(jié)：小結(jié)：2. 2. 求求法法Q,A,E ETCMV AQ A準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程 21dVVVpAEQA 非靜態(tài)過程非靜態(tài)過程Q等體等體TCMQV TCMQp 絕熱絕熱 Q=0等溫（準(zhǔn)靜態(tài)）等溫（準(zhǔn)靜態(tài)）12lnVVpVAQ 等壓等壓AEQ 或或練習(xí)練習(xí)1.1. 理想氣體絕熱自由膨脹，去掉隔板實現(xiàn)平衡后壓強理想氣體絕熱自由膨脹，去掉隔板實現(xiàn)平衡后壓強 p p=?=?由絕熱方程由絕熱方程 2200pppV)V(p 解解1.1.解解2.2.00 AQ自自由由膨膨脹脹絕絕熱熱過過程程1200TTTE 2022211ppVpVp 哪一個解對？為什么？哪一個解對？為什么？* *絕熱方程對非靜態(tài)過程不適用絕熱方程對非靜態(tài)過程不適用 一定量的理想氣