熱學的研究對象和研究方法ppt課件

1、第第 9 章章 熱力學熱力學1熱學的研討對象和研討方法熱學的研討對象和研討方法2平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體形狀方程理想氣體形狀方程3 功功 熱量熱量 熱力學第一定律熱力學第一定律4 準靜態(tài)過程中功和熱量的計算準靜態(tài)過程中功和熱量的計算5 理想氣體的內能和熱容理想氣體的內能和熱容 6熱力學第一定律運用熱力學第一定律運用 7絕熱過程絕熱過程8 循環(huán)過程循環(huán)過程 9熱力學第二定律熱力學第二定律10 可逆與不可逆過程可逆與不可逆過程 11卡諾循環(huán)卡諾定理卡諾循環(huán)卡諾定理概概 述述1熱學的研討對象和研討方法熱學的研討對象和研討方法 一、一、冷熱冷熱 - 溫度溫度與溫度有關的物理規(guī)律與溫度有關的物理規(guī)律熱學的

2、意義：熱學的意義：1)大量存在大量存在 2)能量轉化能量轉化對象的特征：大量無規(guī)運動的粒子組成對象的特征：大量無規(guī)運動的粒子組成超人超人 與宇宙同時出生與宇宙同時出生(150(150億年前億年前) )每秒數每秒數10個分子個分子數到如今才數了數到如今才數了mol107地球上全部大氣約有地球上全部大氣約有1044個分子個分子一個人每次呼吸氣體大約是一個人每次呼吸氣體大約是1022個分子個分子比值接近比值接近1個摩爾的數值個摩爾的數值二、研討熱景象的兩大分支二、研討熱景象的兩大分支1. 熱力學熱力學 宏觀宏觀 實驗實驗 能量能量 可靠可靠2. 統(tǒng)計物理統(tǒng)計物理微觀微觀實際模型實際模型相輔相成、相互

3、補充相輔相成、相互補充普物的義務普物的義務開門、見識開門、見識物理的綠洲物理的綠洲經典粒子經典粒子量子粒子量子粒子牛頓力學規(guī)律牛頓力學規(guī)律量子力學規(guī)律量子力學規(guī)律先經典、后量子先經典、后量子概念、方法相通概念、方法相通 統(tǒng)計物理的根本思想統(tǒng)計物理的根本思想 宏觀上的一些物理量是組成系統(tǒng)的大量分子宏觀上的一些物理量是組成系統(tǒng)的大量分子 進展無規(guī)運動的一些微觀量的統(tǒng)計平均值進展無規(guī)運動的一些微觀量的統(tǒng)計平均值 宏觀量宏觀量 實測的物理量實測的物理量 如如 P T V 等等 微觀量微觀量 組成系統(tǒng)的粒子組成系統(tǒng)的粒子(分子、原子、或其它分子、原子、或其它) 的質量、動量、能量等等的質量、動量、能量等

4、等無法直接丈量的量無法直接丈量的量氣體分子系統(tǒng)的統(tǒng)計分布氣體分子系統(tǒng)的統(tǒng)計分布處理問題的普通思緒處理問題的普通思緒從單個粒子的行為出發(fā)從單個粒子的行為出發(fā)大量粒子的行為大量粒子的行為- 統(tǒng)計規(guī)律統(tǒng)計規(guī)律統(tǒng)計的方法統(tǒng)計的方法方式：假設方式：假設 結論結論 驗證驗證 修正修正 實際實際例如：微觀以為宏觀量例如：微觀以為宏觀量P 是大量粒子碰壁的平均作用力是大量粒子碰壁的平均作用力先看一個先看一個碰一次碰一次tiIifdd再看再看集體集體AfPii統(tǒng)計方法：統(tǒng)計方法：一個粒子的多次行為一個粒子的多次行為多個粒子的一次行為多個粒子的一次行為結果一樣結果一樣如：擲硬幣如：擲硬幣 看正反面出現的比例看正反

5、面出現的比例 比例接近比例接近1/2統(tǒng)計規(guī)律性：統(tǒng)計規(guī)律性：大量隨機事件從整體上表現出來的規(guī)律性大量隨機事件從整體上表現出來的規(guī)律性 量必需很大量必需很大(魔術師魔術師)統(tǒng)計規(guī)律性具有漲落性質統(tǒng)計規(guī)律性具有漲落性質(伽耳頓板演示伽耳頓板演示xx小球落入其中一小球落入其中一.分布服從統(tǒng)計規(guī)律分布服從統(tǒng)計規(guī)律大量小球在空間的大量小球在空間的格是一個偶爾事件格是一個偶爾事件 小球數按空間小球數按空間位置位置 x 分布曲線分布曲線伽耳頓板演示伽耳頓板演示什么叫統(tǒng)計規(guī)律？什么叫統(tǒng)計規(guī)律？在一定的宏觀條件下在一定的宏觀條件下 大量偶爾事件在整體上大量偶爾事件在整體上表現出確定的規(guī)律表現出確定的規(guī)律統(tǒng)計規(guī)律

6、必然伴隨著漲落統(tǒng)計規(guī)律必然伴隨著漲落什么叫漲落？什么叫漲落？對統(tǒng)計規(guī)律的偏離景象對統(tǒng)計規(guī)律的偏離景象漲落有時大漲落有時大 有時小有時小 有時正有時正 有時負有時負例如：伽耳頓板實驗中例如：伽耳頓板實驗中 某坐標某坐標x附近附近x區(qū)間區(qū)間內分子數為內分子數為N 漲落的幅度：漲落的幅度：N漲落的百分比：漲落的百分比：NN如如610N漲落幅度漲落幅度漲落百分比漲落百分比100011000什么概念呢？什么概念呢？某次丈量落在這個區(qū)間的分子數是：某次丈量落在這個區(qū)間的分子數是：1001000999000假設在這個區(qū)間的分子數是：假設在這個區(qū)間的分子數是：1N漲落幅度漲落幅度和漲落百分比和漲落百分比%10

7、01結論：分子數愈多結論：分子數愈多 漲落的百分比愈小漲落的百分比愈小 漲落實例：微電流丈量時電流的漲落漲落實例：微電流丈量時電流的漲落電子器件中的電子器件中的“熱噪聲熱噪聲熱力學根底熱力學根底從實驗歸納總結從實驗歸納總結定律定律熱力學第一定律熱力學第一定律熱力學第二定律熱力學第二定律根底定律根底定律位置：位置：相當于力學中的牛頓定律相當于力學中的牛頓定律-能量轉化能量轉化-過程方向性過程方向性2平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體形狀方程理想氣體形狀方程 本課程中研討對象的理想特征本課程中研討對象的理想特征1.對象對象 理想氣體理想氣體 宏觀定義：宏觀定義：嚴厲遵守氣體三定律嚴厲遵守氣體三定律 實踐氣體理

8、想化：實踐氣體理想化：P 不太高不太高 T 不太低不太低微觀上也有定義微觀上也有定義實際框架主體是實際框架主體是理想氣體理想氣體1) 在理想氣體實際在理想氣體實際根底上加以修正根底上加以修正2) 閱歷閱歷假設高假設高壓壓 低溫？低溫？2.形狀形狀平衡態(tài)平衡態(tài)定義：定義：在不受外界影響的條件下在不受外界影響的條件下 對一個孤立對一個孤立系統(tǒng)系統(tǒng) 經過足夠長的時間后經過足夠長的時間后 系統(tǒng)到達系統(tǒng)到達一個宏觀性質不隨時間變化的形狀一個宏觀性質不隨時間變化的形狀用一組宏觀量描畫某時的形狀用一組宏觀量描畫某時的形狀11TP22TPTP非平衡態(tài)非平衡態(tài)實踐上的處置：實踐上的處置：1)能否可看作平衡態(tài)？能

9、否可看作平衡態(tài)？ 足夠長足夠長2)真實不行真實不行 - 分小塊分小塊3)遠離平衡態(tài)遠離平衡態(tài) - 非線性非線性 耗散構造耗散構造本課的主體：本課的主體：平衡態(tài)平衡態(tài)引見：引見： 遠離平衡態(tài)遠離平衡態(tài)恒高溫恒高溫恒低溫恒低溫溫度溫度 一、幾個根本概念一、幾個根本概念 1.溫度溫度處于熱平衡的系統(tǒng)所具有的共同的宏觀性質處于熱平衡的系統(tǒng)所具有的共同的宏觀性質 2.熱平衡定律熱平衡定律(熱力學第零定律熱力學第零定律)實驗闡明：假設實驗闡明：假設 A與與C熱平衡熱平衡 B與與C熱平衡熱平衡 那么那么 A與與B熱平衡熱平衡意義：互為熱平衡的物體必然存在一個一樣的意義：互為熱平衡的物體必然存在一個一樣的 特

10、征特征- 它們的溫度一樣它們的溫度一樣二、理想氣體形狀方程二、理想氣體形狀方程RTMPV M - 質量質量 - mol 質量質量V - 理氣活動空間理氣活動空間J/K.mol31. 8RR-普適氣體恒量普適氣體恒量第零定律第零定律 不僅給出了溫度的概念不僅給出了溫度的概念 而且指而且指 出了判別溫度能否一樣的方法出了判別溫度能否一樣的方法 熱力學溫標T單位：K 開爾文，攝氏溫標與熱力學溫標的換算關系：15.273TtRTMPV 常用方式常用方式系統(tǒng)內有系統(tǒng)內有 N個分子個分子每個分子質量每個分子質量 mNmM mNAmol10023623/.NATNRVNPAnkTP 常用方式常用方式RTMP

11、V nkTPVNn ANRk 分子數密度分子數密度 mol10023623/.NAJ/K1038123 .kJ/K.mol318.R 玻耳茲曼常數玻耳茲曼常數理想氣體形狀方程理想氣體形狀方程熱力學系統(tǒng)由大量粒子組成熱力學系統(tǒng)由大量粒子組成1) 標況標況KT273a5P10013. 1atm1PkTPn 2731038. 110013. 1235325m10692/.十億億億十億億億2) 高真空高真空mmHg1013PKT273kTPn 2731038.176010013.1102351339m10543/.十億十億 大量、無規(guī)大量、無規(guī) 統(tǒng)計方法統(tǒng)計方法 數學根底數學根底-概率論概率論1.理氣

12、形狀方程理氣形狀方程nkTPRTMPVRTPV2.不漏氣系統(tǒng)不漏氣系統(tǒng)各形狀的關系各形狀的關系CTPV討論討論3. P-V 圖圖TVP.TVP.通常還畫通常還畫 P - T、P - VT - V 、T E 圖圖PVP V 圖上一個點代表一個平衡態(tài)圖上一個點代表一個平衡態(tài)一條線代表一個準靜態(tài)過程一條線代表一個準靜態(tài)過程3 3 功功 熱量熱量 熱力學第一定律熱力學第一定律保守系系統(tǒng)在其質心參考系中的機械能守恒定律intint,int,EEEAABext系統(tǒng)的內能等于系統(tǒng) 的內動能及各質點間的勢能的總和pkEEEint,int改動熱力學形狀的兩種能量交換方式改動熱力學形狀的兩種能量交換方式熱力學過程

13、熱力學過程 系統(tǒng)形狀發(fā)生變化的過程系統(tǒng)形狀發(fā)生變化的過程 外界對系統(tǒng)作功外界對系統(tǒng)作功 宏觀功宏觀功 2.從外界吸收熱量從外界吸收熱量 微觀功微觀功21TT 結論：結論： 1) 1)改動系統(tǒng)形狀改動系統(tǒng)形狀(E)(E)的方式有兩種的方式有兩種作功作功傳熱遞傳熱遞2)作功、傳熱是一樣性質的物理量作功、傳熱是一樣性質的物理量 均是均是 過程量過程量AQAEQAEQddd適用一切過程適用一切過程 一切系統(tǒng)一切系統(tǒng)初末態(tài)是平衡態(tài)初末態(tài)是平衡態(tài)熱力學第一定律熱力學第一定律 對系統(tǒng)做的功對系統(tǒng)做的功QAAextEQAA那么以 表示系統(tǒng)對外界做的功，那么 AA熱力學第一定律熱力學第一定律l每一時辰系統(tǒng)都處于

14、平衡態(tài)每一時辰系統(tǒng)都處于平衡態(tài)l實踐過程的理想化實踐過程的理想化-無限緩慢無限緩慢(準準)l“無限緩慢：系統(tǒng)變化的過程時間無限緩慢：系統(tǒng)變化的過程時間馳豫時馳豫時間間l例例1 氣體的準靜態(tài)緊縮氣體的準靜態(tài)緊縮過程時間過程時間 1 秒秒準靜態(tài)過程準靜態(tài)過程s103馳豫馳豫時間時間0 = 0 oPV等溫線2V1V21絕熱線絕熱過程的過程方程例11.327頁了解記憶了解記憶3030頁表頁表11.211.2二、二、 自在膨脹自在膨脹 特點：迅速特點：迅速 來不及與外界交換熱量來不及與外界交換熱量 那么那么Q = 0 非靜態(tài)過程非靜態(tài)過程 無過程方程無過程方程 方法：只能靠普遍的定律熱方法：只能靠普遍的

15、定律熱律律EAddEA自在膨脹自在膨脹22V2V絕熱熱一定律絕熱熱一定律自在膨脹自在膨脹22V2V0A210EEE0T理氣理氣形狀方程形狀方程P能量能量守恒守恒EA由由由于自在膨脹由于自在膨脹 所以系統(tǒng)對外不作功所以系統(tǒng)對外不作功 即即得得 自在膨脹自在膨脹22V2V0A0E能量能量守恒守恒思索：絕熱自在膨脹思索：絕熱自在膨脹初態(tài)和末態(tài)溫度一樣初態(tài)和末態(tài)溫度一樣內能不變，溫度復原內能不變，溫度復原21TT 理氣理氣222121112RTVpRTVpVp1221pp 1.循環(huán)過程循環(huán)過程系統(tǒng)閱歷一個熱力學過程后系統(tǒng)閱歷一個熱力學過程后 又回到初態(tài)又回到初態(tài)0EPVababEEAQba11baEE

16、AQab222121AAQQ凈凈AQ循環(huán)凈凈SAQ2.能量特點能量特點8 循環(huán)過程熱機循環(huán)與制冷循環(huán)循環(huán)過程熱機循環(huán)與制冷循環(huán)1. 熱機循環(huán)熱機循環(huán)目的：吸熱對外作功目的：吸熱對外作功1) PV 圖圖正正2)熱流圖熱流圖高溫熱源高溫熱源低溫熱源低溫熱源1Q2Q凈A3)目的目的-效率效率吸凈QA121QQQ 2.制冷循環(huán)制冷循環(huán)目的：經過外界作功目的：經過外界作功 從低從低溫熱源吸熱溫熱源吸熱1) PV 圖圖逆逆2)熱流圖熱流圖高溫高溫低溫低溫外凈A2Q1Q3)制冷系數制冷系數外凈吸AQw212QQQ0凈凈QA0凈凈QA 重要闡明：重要闡明：在熱機、制冷機部分在熱機、制冷機部分 由于實踐中的需求

17、或由于實踐中的需求或說是習慣說是習慣 無論是吸熱還是放熱一概取正值無論是吸熱還是放熱一概取正值那么熱機效率和制冷系數寫成：那么熱機效率和制冷系數寫成：212121211QQQwQQQQQ例題11.5，11.6 ，11.7見33，34頁11 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 只與兩個恒溫熱源交換能量的無摩擦的只與兩個恒溫熱源交換能量的無摩擦的 準靜態(tài)循環(huán)準靜態(tài)循環(huán)1.卡諾熱機卡諾熱機1T2T1Q凈A2Q熱流圖熱流圖P V 圖圖pOV1p2p3p4pADBC1Q2QW1V4V2V3V2T1TPabcdA1211lnVVRTQba4322lnVVRTQcb132121VTVTcb142111VTVTad恒溫熱源過程

18、恒溫熱源過程 吸吸 放熱放熱絕熱過程方程絕熱過程方程pOV1p2p3p4pADBC1Q2QW1V4V2V3V2T1TPabcdA121QQC121TTC1243VVVV由兩個絕熱過程得循環(huán)閉合條件由兩個絕熱過程得循環(huán)閉合條件卡諾熱機效率卡諾熱機效率代入數據得代入數據得只與只與T1和和T2有關有關與物質種類、膨脹的體積無關與物質種類、膨脹的體積無關21TTc提提高高提高高溫熱源的溫度現實些提高高溫熱源的溫度現實些2 ) 實際指點作用實際指點作用 討論討論1 )卡諾熱機效率卡諾熱機效率121TTC1c進一步闡明進一步闡明熱機循環(huán)不向低溫熱源放熱是不能夠的熱機循環(huán)不向低溫熱源放熱是不能夠的熱機循環(huán)至少需求兩個熱源熱機循環(huán)至少需求兩個熱源3)實際闡明低溫熱源溫度實際闡明低溫熱源溫度T2 0 闡明熱機效率闡明熱機效率且只能且只能1C留意留意:0S0S三、三、 熵與熱量熵與熱量1.克勞修斯熵公式克勞修斯熵公式1T2T1Q2Q由熱力學溫標由熱力學溫標02211TQTQ卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)0iiiTQ可逆循環(huán)中有可逆循環(huán)中有可逆循環(huán)可逆循環(huán)QTQTiiii11220恣意可逆過程恣意可逆過程(準靜態(tài)、無摩擦準靜態(tài)、無摩擦)PVQi1Qi2Ti1T