熱學(xué)總復(fù)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

熱學(xué)復(fù)習(xí)第1頁(yè)[重點(diǎn)]A.熱力學(xué)基本概念

理想氣體狀態(tài)方程、多方方程C.熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用D.熱力學(xué)第二定律及應(yīng)用F.輸運(yùn)現(xiàn)象及理論G.麥克斯韋速率分布率E.循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)第2頁(yè)[基本要求]1、掌握平衡態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程概念。2、掌握理想氣體內(nèi)能、做功和熱量概念及其普通計(jì)算方法。會(huì)計(jì)算理想氣體定容摩爾熱容與定壓摩爾熱容。3、掌握熱力學(xué)第一定律。掌握理想氣體三個(gè)等值過(guò)程和絕熱過(guò)程特征，會(huì)計(jì)算這四個(gè)經(jīng)典過(guò)程中功、內(nèi)能增量和熱量。4、了解循環(huán)過(guò)程特征，會(huì)計(jì)算簡(jiǎn)單循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)效率。第3頁(yè)5、了解可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程含義以及過(guò)程進(jìn)行方向性。了解熱力學(xué)第二定律兩種表述。6、輸運(yùn)過(guò)程及規(guī)律7、麥克斯韋速度分布律、能量均分定理第4頁(yè)A.熱力學(xué)基本概念一、熱力學(xué)系統(tǒng)與外界熱力學(xué)研究對(duì)象----熱力學(xué)系統(tǒng)它包含極大量分子、原子以阿伏伽德羅常數(shù)NA=6.022×1023計(jì)熱力學(xué)系統(tǒng)以外物體稱(chēng)為外界例：若汽缸內(nèi)氣體為系統(tǒng)，其它為外界第5頁(yè)開(kāi)放系統(tǒng)

孤立系統(tǒng)封閉系統(tǒng)系統(tǒng)與外界有m、E

交換與外界有E

交換，無(wú)m

交換與外界無(wú)E、m

交換二、平衡態(tài)與狀態(tài)參量在不受外界影響條件下，系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變狀態(tài)，稱(chēng)為平衡態(tài)。第6頁(yè)思索：1、什么是非平衡態(tài)？2、為何說(shuō)平衡態(tài)是理想模型？3、為何說(shuō)平衡態(tài)是動(dòng)態(tài)平衡？第7頁(yè)狀態(tài)參量描述熱力學(xué)系統(tǒng)平衡態(tài)宏觀性質(zhì)物理量：P、T、V、U、S...描述系統(tǒng)狀態(tài)宏觀量，普通能夠直接測(cè)量。V、U

等----能夠累加，稱(chēng)為廣延量。P、T等----不可累加，稱(chēng)為強(qiáng)度量。第8頁(yè)溫度

TABAB絕熱板導(dǎo)熱板A、B兩系統(tǒng)互不影響，各自到達(dá)平衡態(tài)A、B兩系統(tǒng)平衡態(tài)若有聯(lián)絡(luò)，在到達(dá)熱平衡時(shí)，A、B兩系統(tǒng)含有一個(gè)共同宏觀性質(zhì)，稱(chēng)為系統(tǒng)溫度

。第9頁(yè)溫度測(cè)量ABC設(shè)A和C、B和C分別熱平衡，則A和B一定熱平衡。（熱力學(xué)第零定律）CA和C熱平衡，TA=TC

；C<<A，A改變很小，TA基本是原來(lái)系統(tǒng)A溫度攝氏溫標(biāo)利用水銀或酒精熱脹冷縮特征標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，水冰點(diǎn)（0℃），水沸點(diǎn)（100℃），之間一百等份。A第10頁(yè)熱力學(xué)溫標(biāo)與任何物質(zhì)特征無(wú)關(guān)，與理想氣體溫標(biāo)等價(jià)。攝氏溫度

t

（℃）與熱力學(xué)溫度T（K）關(guān)系水三相點(diǎn)T=273.16K第11頁(yè)三、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程與相圖準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：（平衡過(guò)程）過(guò)程進(jìn)行得足夠遲緩，過(guò)程中系統(tǒng)每一個(gè)狀態(tài)都是平衡態(tài)非靜態(tài)過(guò)程：中間狀態(tài)不是平衡態(tài)SP第12頁(yè)以狀態(tài)參量為坐標(biāo)軸組成相空間相圖平衡態(tài)——

對(duì)應(yīng)相空間中點(diǎn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程——

對(duì)應(yīng)相空間中線PVV1V2Po第13頁(yè)

理想氣體狀態(tài)方程對(duì)于一定質(zhì)量理想氣體，

理想氣體是理想模型。在壓強(qiáng)不太高和溫度不太低情況下，實(shí)際氣體可看成理想氣體。第14頁(yè)理想氣體狀態(tài)方程其中：m

為氣體總質(zhì)量，M

為氣體摩爾質(zhì)量——摩爾數(shù)R——普適氣體常數(shù)第15頁(yè)1mol理想氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)

下體積為第16頁(yè)C.熱力學(xué)第一定律一、內(nèi)能功熱量?jī)?nèi)能

熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)全部分子熱運(yùn)動(dòng)能量（分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)能量）和分子間相互作用勢(shì)能。不包含系統(tǒng)整體機(jī)械能。內(nèi)能是狀態(tài)量。第17頁(yè)實(shí)際氣體理想氣體

理想氣體內(nèi)能是溫度單值函數(shù)。造成系統(tǒng)內(nèi)能改變兩種能量傳遞方式：做功熱傳遞第18頁(yè)功

有規(guī)則運(yùn)動(dòng)與無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）之間能量轉(zhuǎn)換，與宏觀位移相聯(lián)絡(luò)。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外界所做功SPdl第19頁(yè)

系統(tǒng)所做功等于P-V圖上過(guò)程曲線下面積。PV12PV12第20頁(yè)P(yáng)V12IIIPV12注意：功是過(guò)程量第21頁(yè)熱量

系統(tǒng)與外界之間熱運(yùn)動(dòng)能量傳遞，經(jīng)過(guò)分子碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)，與溫差相聯(lián)絡(luò)。摩爾熱容量：

1mol物質(zhì)溫度升高一度所需要吸收熱量。

系統(tǒng)從外界吸收熱量用Q

表示，單位為J。Q

是過(guò)程量。第22頁(yè)定壓摩爾熱容量：

1mol氣體在壓強(qiáng)不變過(guò)程中，溫度升高一度所需要吸收熱量。定容摩爾熱容量：1mol氣體在體積不變過(guò)程中，溫度升高一度所需要吸收熱量。第23頁(yè)二、熱力學(xué)第一定律1.數(shù)學(xué)形式：對(duì)于微小過(guò)程，注意：*系統(tǒng)吸熱Q>0，系統(tǒng)放熱Q<0。*系統(tǒng)對(duì)外界作功W>0，外界對(duì)系統(tǒng)作功W<0。第24頁(yè)2.物理意義：包括熱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換及守恒定律。3.其它表述：第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)。第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)改變后回到初態(tài)，不消耗內(nèi)能，不從外界吸熱，只對(duì)外做功。第25頁(yè)熱力學(xué)第一定律應(yīng)用一、等容過(guò)程僅討論理想氣體幾個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程QPVVoV=const.第26頁(yè)過(guò)程方程系統(tǒng)對(duì)外界不做功系統(tǒng)吸收熱量全部用來(lái)增加系統(tǒng)內(nèi)能第27頁(yè)吸收熱量?jī)?nèi)能增量因?yàn)槔硐霘怏w內(nèi)能是溫度單值函數(shù)，所以上式也適合用于理想氣體其它過(guò)程。第28頁(yè)二、等壓過(guò)程PQPVV1V2PoP=const.過(guò)程方程第29頁(yè)系統(tǒng)對(duì)外界所做功吸收熱量?jī)?nèi)能增量第30頁(yè)等壓過(guò)程中系統(tǒng)吸收熱量一部分增加系統(tǒng)內(nèi)能，一部分用于對(duì)外界做功，所以CP

>CV?！~耶公式——泊松比第31頁(yè)單原子分子（如He）雙原子分子（如H2）多原子分子（如CO2）CVCP第32頁(yè)V1V2PVPQQ=W三、等溫過(guò)程T=const.過(guò)程方程第33頁(yè)等溫過(guò)程系統(tǒng)內(nèi)能不變系統(tǒng)對(duì)外界所做功吸收熱量第34頁(yè)例題、將500J熱量傳給標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下2mol氫。（1）V

不變，熱量變?yōu)楹危繗錅囟葹槎嗌?？?）T不變，熱量變?yōu)楹?？氫P、V各為多少？（3）P不變，熱量變?yōu)楹?？氫T、V

各為多少？解：（1）QV=U

，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能第35頁(yè)（2）QT=W，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ?6頁(yè)（2）QP=

W+U，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣蛢?nèi)能第37頁(yè)例題、質(zhì)量為2.810-3kg，壓強(qiáng)為1atm，溫度為27℃氮?dú)猓鹊热菰鰤?，壓?qiáng)升至3atm；再等溫膨脹，壓強(qiáng)降至1atm；然后等壓壓縮，體積壓縮二分之一。試求氮?dú)庠谌窟^(guò)程中內(nèi)能改變、所做功和吸收熱量，并畫(huà)出P-V圖。解：V3V4VP(atm)132V1第38頁(yè)第39頁(yè)V3V4VP(atm)132V1等容過(guò)程：等溫過(guò)程：第40頁(yè)V3V4VP(atm)132V1等壓過(guò)程：第41頁(yè)E.絕熱過(guò)程和多方過(guò)程一、絕熱過(guò)程內(nèi)能增量與對(duì)外做功P

絕熱過(guò)程中系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱量交換。第42頁(yè)內(nèi)能增量系統(tǒng)對(duì)外界所做功

在絕熱過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)外界所做功等于系統(tǒng)內(nèi)能增量負(fù)值。第43頁(yè)二、理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程過(guò)程方程準(zhǔn)靜態(tài)微小過(guò)程：理想氣體：由兩式消去dT

，利用第44頁(yè)泊松公式絕熱方程對(duì)非靜態(tài)過(guò)程不適用。第45頁(yè)P(yáng)VA絕熱等溫絕熱線：等溫線：三、絕熱線絕熱線陡些第46頁(yè)四、多方過(guò)程過(guò)程方程：等壓過(guò)程：等溫過(guò)程：絕熱過(guò)程：等容過(guò)程：VP第47頁(yè)摩爾熱容量：功：第48頁(yè)對(duì)于絕熱過(guò)程，有PV（P1，V1）V1V2Q=0第49頁(yè)例題、有8×10-3kg氧氣，體積為0.41×10-3m3，溫度為27℃。如氧氣作絕熱膨脹，膨脹后體積為4.1×10-3m3，問(wèn)氣體做多少功？如作等溫膨脹，膨脹后體積也為4.1×10-3m3，問(wèn)氣體做多少功？解：絕熱方程：第50頁(yè)選擇題：對(duì)于理想氣體，以下哪個(gè)過(guò)程是可能發(fā)生？(1)

等容加熱，內(nèi)能降低，壓強(qiáng)升高；(2)

等溫壓縮，壓強(qiáng)升高，同時(shí)吸熱(3)

等壓壓縮，內(nèi)能增加，同時(shí)吸熱(4)

絕熱壓縮，壓強(qiáng)升高，內(nèi)能增加VPT1T2第51頁(yè)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)改變后又回到初始狀態(tài)整個(gè)過(guò)程叫循環(huán)過(guò)程。經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)過(guò)程后，系統(tǒng)內(nèi)能不變。F.循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)一、循環(huán)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程可用相圖上閉合曲線表示。第52頁(yè)P(yáng)VBAbaPBVBPAVA在一個(gè)循環(huán)過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)外界所做凈功等于P-V

圖上循環(huán)曲線所包圍面積。循環(huán)過(guò)程凈功第53頁(yè)正循環(huán)和逆循環(huán)VP順時(shí)針：正循環(huán)熱循環(huán)逆時(shí)針：逆循環(huán)致冷循環(huán)第54頁(yè)熱機(jī)中工作物質(zhì)進(jìn)行是正循環(huán)。設(shè)在一次循環(huán)過(guò)程中，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩矗赡懿恢灰粋€(gè)）吸收熱量為Q1

，向低溫?zé)嵩矗赡懿恢灰粋€(gè)）放出熱量絕對(duì)值為

Q2

，對(duì)外界所做凈功為W

。熱機(jī)效率第55頁(yè)致冷系數(shù)制冷機(jī)采取是逆循環(huán)。設(shè)在一次循環(huán)過(guò)程中，系統(tǒng)從低溫?zé)嵩次諢崃繛镼2

，向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃拷^對(duì)值為

Q1，外界對(duì)系統(tǒng)所做凈功為W

。第56頁(yè)例題、3.210-2kg氧氣作

ABCDA循環(huán)過(guò)程。AB和

CD都為等溫過(guò)程，設(shè)T1=300K，T2=200K，V2=2V1。求循環(huán)效率。DABCT1=300KT2=200KV2V1VP解：吸熱放熱第57頁(yè)吸熱放熱第58頁(yè)二、卡諾循環(huán)“為了最完整地研究由熱得到動(dòng)力道理，必須不依賴(lài)于任何特定機(jī)構(gòu)和任何特殊工作物質(zhì)，必須使所進(jìn)行討論不但適合于蒸汽機(jī)，而且能夠應(yīng)用于一切能夠想象熱機(jī)，不論它們用什么物質(zhì)，也不論它們?cè)鯓觿?dòng)作。”研究循環(huán)過(guò)程理想模型——

卡諾循環(huán)理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。第59頁(yè)能夠組成任何一個(gè)循環(huán)只需要兩個(gè)熱源第60頁(yè)AB

過(guò)程：CD

過(guò)程：BC

和DA

過(guò)程：Q1Q2卡諾循環(huán)效率V3V1VPDABCV2V4T1T2第61頁(yè)V3V1VPDABCV2V4T1T2Q1Q2第62頁(yè)卡諾正循環(huán)效率：*卡諾循環(huán)效率僅由T1、T2決定卡諾逆循環(huán)致冷系數(shù)：*效率小于1*提升效率路徑：升高T1

，降低T2第63頁(yè)例題、一定量理想氣體經(jīng)歷一循環(huán)過(guò)程，其中AB和CD

是等壓過(guò)程，BC

和DA

是絕熱過(guò)程。已知B

點(diǎn)和C

點(diǎn)溫度分別為T(mén)B和TC

，求此循環(huán)效率。解：CDABP1P2PV第64頁(yè)CDABP1P2PV第65頁(yè)例題、計(jì)算奧托循環(huán)效率。c

d、

e

b為等容過(guò)程，

bc

，de

為絕熱過(guò)程。VoVPVacdeb

解：吸熱放熱第66頁(yè)VoVPVacdeb

第67頁(yè)VPT1T2afedcb選擇題一卡諾機(jī)進(jìn)行如圖兩個(gè)循環(huán)過(guò)程：abcda和aefda

，則有（A）（B）（C）（D）第68頁(yè)

熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第一定律：在一切熱力學(xué)過(guò)程中，能量一定守恒。

不過(guò)，滿(mǎn)足能量守恒過(guò)程是否一定都能實(shí)現(xiàn)？

實(shí)際過(guò)程進(jìn)行有方向性，滿(mǎn)足能量守恒過(guò)程不一定都能進(jìn)行。

熱力學(xué)第二定律：自然過(guò)程（不受外來(lái)干預(yù)，比如孤立體系內(nèi)部過(guò)程）總伴伴隨分子混亂程度或無(wú)序程度（用“熵”來(lái)量度）增加。第69頁(yè)

不可能從單一熱源吸收熱量使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。*第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成一、熱力學(xué)第二定律兩種經(jīng)典表述開(kāi)爾文表述*并不意味著熱不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?唯一效果是熱轉(zhuǎn)化為功過(guò)程是不可能實(shí)現(xiàn)*單熱源熱機(jī)是不可能制成第70頁(yè)克勞修斯表述熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體*并不意味著熱量不能從低溫物體傳到高溫物體“自動(dòng)”即熱量從低溫物體傳到高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行，不產(chǎn)生其它影響。高溫自動(dòng)低溫低溫非自動(dòng)高溫（外界做功）第71頁(yè)高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩?/p>

T2ABQQ=WWQ2Q+Q2Q2Q2假如開(kāi)爾文表述不成立，則克勞修斯表述也不成立。二、兩種表述等效性第72頁(yè)高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩?/p>

T2ABWQ2Q1=QQQQ-Q2W假如克勞修斯表述不成立，則開(kāi)爾文表述也不成立。第73頁(yè)設(shè)在某一過(guò)程L中，系統(tǒng)從狀態(tài)

A

改變到狀態(tài)B。假如能使系統(tǒng)從狀態(tài)

B逆向回復(fù)到初狀態(tài)

A

，而同時(shí)外界也恢復(fù)原狀，過(guò)程L

就稱(chēng)為可逆過(guò)程。

假如系統(tǒng)不能回復(fù)到原狀態(tài)A

，或者即使能回復(fù)到初態(tài)A

，但外界不能恢復(fù)原狀，那么過(guò)程L

稱(chēng)為不可逆過(guò)程。三、可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程第74頁(yè)氣體自由膨脹過(guò)程不可逆性F第75頁(yè)理想氣體等溫膨脹過(guò)程在無(wú)摩擦和準(zhǔn)靜態(tài)條件下是可逆QWQ第76頁(yè)一切與熱現(xiàn)象相關(guān)宏觀實(shí)際過(guò)程都是不可逆，其自發(fā)進(jìn)行含有單向性。只有沒(méi)有摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是可逆過(guò)程不可逆原因摩擦（能量耗散）快速（非靜態(tài)）可逆過(guò)程可作為熱力學(xué)第二定律表述之一，且彼此等效。第77頁(yè)1、在相同高溫?zé)嵩磁c相同低溫?zé)嵩粗g工作一切可逆機(jī)，不論用什么工作物質(zhì)，效率相等。2、在相同高溫?zé)嵩磁c相同低溫?zé)嵩粗g工作一切不可逆機(jī)效率小于可逆機(jī)效率。四、卡諾定理=對(duì)應(yīng)可逆機(jī)

<對(duì)應(yīng)不可逆機(jī)第78頁(yè)選擇提：以下說(shuō)法中正確是（A）熱量不能從低溫物體傳向高溫物體（B）熱不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ–）準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程一定是可逆過(guò)程（D）兩條絕熱線不相交PVTQ=0Q=0形成單熱源熱機(jī)，違反熱力學(xué)第二定律。第79頁(yè)80

熵增加原理（熱力學(xué)第二定律另一個(gè)表述）在孤立系統(tǒng)中所進(jìn)行自然過(guò)程總是沿著熵增大方向進(jìn)行，它是不可逆。即表示：

在不可逆絕熱過(guò)程中熵總是增加；可逆絕熱過(guò)程中熵不變。第80頁(yè)81解：（1）求S水水從20oC

到100oC，設(shè)計(jì)一個(gè)可逆?zhèn)鳠徇^(guò)程例.

1kg

20oC水用100oC爐子加熱到100oC，求DS水和DS爐子。水比熱

C＝4.2J/g.K。20oC水爐子20oC100oC100oC20oC+2dT20oC+2dTdQ20oC+dT20oC+dTdQ水第81頁(yè)82溫度升高(分子混亂程度增加)熵增加

熵大小是對(duì)體系分子混亂程度或無(wú)序度一個(gè)量度。（2）計(jì)算S爐子爐子是熱庫(kù)溫度是常數(shù)第82頁(yè)83（3）（水＋爐子）熵增孤立體系內(nèi)發(fā)生任意過(guò)程熵不降低。第83頁(yè)例.

.熱泵實(shí)際上是利用制冷機(jī)來(lái)“制熱”。因?yàn)橹评湎禂?shù)通常大于1，從節(jié)能角度來(lái)看，是一個(gè)高效熱源。一個(gè)熱泵從-23℃室外吸收熱量，傳遞給室溫為17℃臥室。若按理想卡諾循環(huán)計(jì)算，熱泵制冷系數(shù)為多少?工作時(shí),每消耗一度電，能夠向臥室放出多少熱量？。解：ω=T2/（T1-T2），T1＝290K，T2＝250Kω=6.25，又因?yàn)椋害?Q2/WW=3.6×106J(1度電）Q2=2.25×107J（1分），Q1=W+Q2=2.61×107J（3分）第84頁(yè)思索題1：既然能量能夠相互轉(zhuǎn)化而且守恒，為何還會(huì)存在“能量危機(jī)”？思索題2：宇宙會(huì)“熱寂”嗎？第85頁(yè)

三種輸運(yùn)過(guò)程基本規(guī)律：溫度不均勻時(shí)熱轉(zhuǎn)導(dǎo)，密度不均勻時(shí)擴(kuò)散，各層流速不一樣時(shí)黏性第86頁(yè)一熱傳導(dǎo)現(xiàn)象規(guī)律當(dāng)系統(tǒng)與外界之間或系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間存在溫度差時(shí)，就有熱量從