高二物理競賽熱力學基礎課件

第五章熱力學基礎熱力學系統(tǒng)：大量微觀粒子（分子、原子等）組成的宏觀物體。外界：熱力學系統(tǒng)以外的物體。系統(tǒng)分類（按系統(tǒng)與外界交換特點）：孤立系統(tǒng)：與外界既無能量又無物質交換封閉系統(tǒng)：與外界只有能量交換而無物質交換開放系統(tǒng)：與外界既有能量交換又有物質交換5-1熱力學第一定律當熱力學系統(tǒng)在外界影響下，從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化過程，稱為熱力學過程，簡稱過程。一、準靜態(tài)過程例：推進活塞壓縮汽缸內的氣體時，氣體的體積，密度，溫度或壓強都將變化，在過程中的任意時刻，氣體各部分的密度，壓強，溫度都不完全相同。p－V圖上，一點代表一個平衡態(tài)，一條連續(xù)曲線代表一個準靜態(tài)過程。這條曲線的方程稱為過程方程。準靜態(tài)過程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)經歷的所有中間態(tài)都無限接近于一個平衡態(tài)的過程。非靜態(tài)過程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)，過程中所有中間態(tài)為非平衡態(tài)的過程。二、內能、功和熱量熱力學系統(tǒng)的內能：所有分子熱運動的動能和分子間勢能的總和。理想氣體系統(tǒng)的內能是狀態(tài)量,是熱力系狀態(tài)的單值函數。

內能的改變只決定于初、末狀態(tài)而與所經歷的過程無關。理想氣體的內能就是理想氣體的熱能.準靜態(tài)過程的功當活塞移動微小位移dx時，系統(tǒng)對外界所作的元功為：系統(tǒng)體積由V1變?yōu)閂2，系統(tǒng)對外界作總功為：系統(tǒng)對外作正功；系統(tǒng)對外作負功；系統(tǒng)不作功。

比較a,b下的面積可知，功的數值不僅與初態(tài)和末態(tài)有關，而且還依賴于所經歷的中間狀態(tài)，功與過程的路徑有關?！κ沁^程量由積分意義可知，功的大小等于p—V

圖上過程曲線p(V)下的面積。熱量

在熱傳遞過程中,系統(tǒng)吸收或放出能量的多少。

熱量是過程量1mol物質升高1K所吸收的熱量。摩爾熱容摩爾物質吸收的熱量摩爾熱容Cm為過程量摩爾定壓熱容摩爾定容熱容三、熱力學第一定律某一過程，系統(tǒng)從外界吸熱Q，對外界做功W，系統(tǒng)內能從初始態(tài)E1變?yōu)?/p>

E2，則由能量守恒：Q>0，系統(tǒng)吸收熱量；Q<0,系統(tǒng)放出熱量；W>0，系統(tǒng)對外作正功；W<0,系統(tǒng)對外作負功；E>0，系統(tǒng)內能增加；E<0,系統(tǒng)內能減少。規(guī)定對無限小過程對于準靜態(tài)過程，如果系統(tǒng)對外作功是通過體積的變化來實現(xiàn)的，則熱力學第一定律另一表述：制造第一類永動機(能對外不斷自動作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的機器)是不可能的。5-2熱力學第一定律對理想氣體的應用1.等容過程V=恒量，dV=0，dW=pdV=0，T2T1pV0ab則定容摩爾熱容為一、四個基本過程2.等壓過程p=恒量12pOV2V1V

等壓過程中系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來增加系統(tǒng)的內能，一部分用來對外做功。邁耶公式絕熱系數

在等壓過程，溫度升高1度時，1mol理想氣體多吸收8.31J的熱量，用來轉換為膨脹時對外做功。定壓摩爾熱容為3.等溫過程T=恒量，dT=0，dE=0。pVp1p2IIIOV2V1

等溫過程中系統(tǒng)吸收的熱量全部轉化為對外做功，系統(tǒng)內能保持不變。4.絕熱過程系統(tǒng)不與外界交換熱量的過程。

絕熱過程中系統(tǒng)對外做功全部是以系統(tǒng)內能減少為代價的。pVp1p2IIIOV2V1由熱力學第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可得絕熱方程泊松方程pVp1p2IIIOV2V1氣體絕熱自由膨脹氣體真空Q=0，W=0，△E=0氣體溫度升高?降低?還是不變?理想氣體再次達到平衡態(tài)時溫度復原,但此過程不是等溫過程!氣體絕熱自由膨脹氣體真空Q=0，W=0，△E=0實際氣體再次達到平衡態(tài)時溫度一般不會復原!實際氣體內能=分子熱運動動能+分子間勢能若過程中分子平均力以斥力為主,溫度升高!斥力做正功,勢能減小,內能不變,動能增加.若過程中分子平均力以引力為主,溫度降低!引力做負功,勢能增加,內能不變,動能減小.絕熱線與等溫線比較絕熱線等溫線等溫絕熱絕熱線比等溫線更陡。等容過程等壓過程等溫過程絕熱過程例:1mol單原子理想氣體,由狀態(tài)a(p1,V1)先等壓加熱至體積增大一倍，再等容加熱至壓強增大一倍，最后再經絕熱膨脹，使其溫度降至初始溫度。試求：

(1)狀態(tài)d的體積Vd；(2)整個過程對外所作的功;(3)整個過程吸收的熱量。解：(1)根據題意根據物態(tài)方程oVp2p1p1V12V1abcd根據絕熱方程(2)先求各分過程的功oVp2p1p1V12V1abcd(3)計算整個過程吸收的總熱量有兩種方法方法一：根據整個過程吸收的總熱量等于各分過程吸收熱量的和。oVp2p1p1V12V1abcd方法二：對abcd整個過程應用熱力學第一定律：oVp2p1p1V12V1abcd作業(yè)熱力學基礎(一)(二)

系統(tǒng)經歷一系列變化后又回到初始狀態(tài)的整個過程叫循環(huán)過程，簡稱循環(huán)。循環(huán)工作的物質稱為工作物質，簡稱工質。循環(huán)過程的特點：E=0若循環(huán)的每一階段都是準靜態(tài)過程，則此循環(huán)可用p-V

圖上的一條閉合曲線表示。pVabcd沿順時針方向進行的循環(huán)稱為正循環(huán)。沿逆時針方向進行的循環(huán)稱為逆循環(huán)。二、循環(huán)過程1.循環(huán)過程的特點正循環(huán)工質在整個循環(huán)過程中對外作的凈功W等于曲線所包圍的面積。整個循環(huán)過程工質從外界吸收熱量的總和為Q1放給外界的熱量總和為Q2(取絕對值)正循環(huán)過程是將吸收的熱量中的一部分Q凈轉化為有用功，另一部分Q2放回給外界。W逆循環(huán)工質在整個循環(huán)過程中對外作的凈功W等于曲線所包圍的面積。整個循環(huán)過程工質放給外界的熱量的總和為Q1(取絕對值)，從外界吸收熱量總和為Q2W熱機性能的標志之一是效率。熱機:通過工質使熱量不斷轉換為功的機器。2.熱機效率熱機效率W3.制冷系數制冷系數工質把從低溫熱源吸收的熱量和外界對它所作的功以熱量的形式傳給高溫熱源，其結果可使低溫熱源的溫度更低，達到制冷的目的。吸熱越多，外界作功越少，表明制冷機效能越好。W制冷機：獲得低溫的裝置。熱機效率制冷系數4.卡諾循環(huán)由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所組成的循環(huán)稱之為卡諾循環(huán)。高溫熱源T1低溫熱源T2工質卡諾熱機12：與溫度為T1的高溫熱源接觸，T1不變，體積由V1膨脹到V2，從熱源吸收熱量為:23：絕熱膨脹，體積由V2變到V3，吸熱為零。34：與溫度為T2的低溫熱源接觸,T2不變，體積由V3壓縮到V4，從熱源放熱為:41：絕熱壓縮，體積由V4變到V1，吸熱為零。對絕熱線23和41：說明：（1）完成一次卡諾循環(huán)必須有溫度一定的高溫和低溫熱源。（2）卡諾循環(huán)的效率只與兩個熱源溫度有關。（3）卡諾循環(huán)效率總小于1。（4）在相同高溫熱源和低溫熱源之間的工作的一切熱機中，卡諾循環(huán)的效率最高?，F(xiàn)代熱電廠水蒸氣溫度5800C,冷凝水溫度約300C理論實際卡諾制冷機

逆向卡諾循環(huán)反映了制冷機的工作原理，其能流圖如圖所示。工質把從低溫熱源吸收的熱量Q2和外界對它所作的功W以熱量的形式傳給高溫熱源Q1.高溫熱源T1低溫熱源T2工質制冷系數利用液體或氣體燃料在汽缸內直接燃燒獲得熱量而對活塞做功。內燃機5.實際熱機和制冷機空氣標準奧托循環(huán)的效率ab：絕熱壓縮bc：等容吸熱cd：絕熱膨脹da：等容放熱A-高溫熱源B-鍋爐C-泵D-氣缸E-低溫熱源蒸汽機C--毛細節(jié)流閥

B--冷凝器

D--冷庫

E--壓縮機電冰箱冷庫蒸發(fā)器把熱量由低溫物體抽到高溫物體的裝置。熱泵工作原理：與制冷機相同。工作系數冬天的空調器就是一種熱泵。假設熱泵的工作系數為5，表明電動機做1焦耳的功，通過熱泵就可以向室內供給5焦耳的熱量，比直接用電熱（只能得到1焦耳的熱量）經濟多了。例

1mol氧氣作如圖所示的循環(huán).求循環(huán)效率.解:QpVpV000等溫abc02VQQcaabbc一、可逆過程和不可逆過程可逆過程:在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中,如果逆過程能重復正過程的每一狀態(tài),而不引起其他變化.不可逆過程:在不引起其他變化的條件下,不能使逆過程重復正過程的每一狀態(tài)，或者雖然重復但必然會引起其他變化.注意：不可逆過程不是不能逆向進行，而是說當過程逆向進行時，系統(tǒng)和外界不能同時完全復原。5-3熱力學第二定律功熱轉換功變熱是自動地進行的。功熱轉換的過程是有方向性的。熱傳導熱量是自動地從高溫物體傳到低溫物體。熱傳遞過程是有方向性的。氣體的絕熱自由膨脹氣體自動地向真空膨脹。氣體自由膨脹過程是有方向性的。一切與熱現(xiàn)象有關的實際過程都是不可逆的?？赡孢^程是理想化的過程。開爾文表述不可能從單一熱源吸取熱量，并使之完全變成有用的功而不引起其他變化。等價表述：第二類永動機（從單一熱源吸熱并全部變?yōu)楣Φ臒釞C）是不可能實現(xiàn)的。二、熱力學第二定律1.熱力學第二定律的表述

克勞修斯表述熱量不可能自動地從低溫物體傳到高溫物體?？傊疅崃W第二定律的實質是表明一切自發(fā)過程都是不可逆的。它是說明熱力學過程的方向、條件和限制的。2.兩種表述的一致性高溫熱源T1低溫熱源T2高溫熱源T1低溫熱源T2不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)存在怎樣的差別?假設A中裝有a、b、c、d4個分子（用四種顏色標記）。開始時，4個分子都在A部，抽出隔板后分子將向B部擴散并在整個容器內無規(guī)則運動。3.熱力學第二定律的統(tǒng)計意義分布(宏觀態(tài))詳細分布(微觀態(tài))A4B0（宏觀態(tài)）

微觀態(tài)數

1

A3B1（宏觀態(tài)）微觀態(tài)數4A2B2（宏觀態(tài)）微觀態(tài)數

6A1B3（宏觀態(tài)）微觀態(tài)數

4A0B4（宏觀態(tài)）微觀態(tài)數

14個粒子的分布情況,總共有16=24個微觀態(tài)。統(tǒng)計理論的一個基本假設：對于孤立系，各個微觀態(tài)出現(xiàn)的可能性（概率）是相同的。A4B0----微觀態(tài)數

1

A3B1----

微觀態(tài)數4A2B2----微觀態(tài)數

6A1B3----微觀態(tài)數

4A0B4----微觀態(tài)數

1A4B0和A0B4,微觀態(tài)各為1，幾率各為1/16;A3B1和A1B3,微觀態(tài)各為4，幾率各為4/16，A2B2，微觀態(tài)為6，幾率最大為6/16。20個分子的位置分布宏觀狀態(tài)一種宏觀狀態(tài)對應的微觀態(tài)數左20右0左18右2左15右5左11右9左10右10左9右11左5右15左2右18左0右20119015504167960184765167960155041901

若系統(tǒng)分子數為N，則總微觀態(tài)數為2N，N個分子自動退回A室的幾率為1/2N。

1mol氣體的分子自由膨脹后，所有分子退回到A室的幾率為意味著此事件觀察不到。分子均勻分布的宏觀態(tài)（平衡態(tài)）是分子運動最無序、最混亂的狀態(tài)，分子全部集中在一室的宏觀態(tài)是分子運動最有序的狀態(tài)。實際觀測到的總是均勻分布這種宏觀態(tài)。即系統(tǒng)最后所達到的平衡態(tài)。熱力學概率(熱力學幾率)

宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)數，用W表示。平衡態(tài)對應于一定宏觀條件下

W最大的狀態(tài)。熱力學第二定律的統(tǒng)計意義:

自然界實際過程實質上是從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)進行；或者說從包含微觀態(tài)數少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)多的宏觀態(tài)進行；或者說從熱力學概率小的狀態(tài)向熱力學概率大的狀態(tài)進行。(2)在相同的高低溫熱源之間工作的一切不可逆熱機，其效率不可能大于可逆熱機的效率。(1)在相同高溫熱源(T1)和低溫熱源(T2)之間工作的一切可逆熱機，其效率都等于卡諾熱機的效率,與工作物質無關。三、卡諾定理引入態(tài)函數熵熵的微觀意義是系統(tǒng)內分子熱運動無序性的量度。熵具有可加性玻耳茲曼熵系統(tǒng)熵值越大、系統(tǒng)越加無序，越加混亂，平衡態(tài)對應的是最無序、最混亂的狀態(tài)。5-4熵及熵增加原理一、玻耳茲曼熵(統(tǒng)計熵)

熵變（熵增）S只取決于初、終態(tài)的熵值，而與所經歷的過程無關。一孤立系統(tǒng)經歷不可逆過程

，

孤立系統(tǒng)內不論進行什么過程，系統(tǒng)的熵不會減少，即熵增加原理。二、熵增加原理經歷可逆過程，則W2=W1，S=0三、克勞修斯熵(熱力學熵)由卡諾定理表達式便有若恢復工質吸熱為正,放熱為負,則pV對任意可逆循環(huán)對于任意一個可逆循環(huán)可以看作為由無數個卡諾循環(huán)組成，相鄰兩個卡諾循環(huán)的絕熱過程曲線重合，方向相反，互相抵消。當卡諾循環(huán)數無限增加時，鋸齒形過程曲線無限接近于用藍色線表示的可逆循環(huán)。任一可逆循環(huán)，用一系列微小可逆卡諾循環(huán)代替。每一可逆卡諾循環(huán)都有：△Qi1△Qi2Ti1Ti2絕熱線等溫線pV對任意可逆循環(huán)所有可逆卡諾循環(huán)加一起：分割無限?。嚎藙谛匏沟仁綄θ我獠豢赡嫜h(huán)：克勞修斯不等式任意兩點A和B，連兩條路徑1

和

2對于一個可逆過程,只決定于系統(tǒng)的始末狀態(tài)，而與過程無關,于是可以引入一個只決定于系統(tǒng)狀態(tài)的態(tài)函數.狀態(tài)函數S，熵終態(tài)及初態(tài)系統(tǒng)的熵對于微小過程克勞修斯熵克勞修斯熵對于不可逆過程：對于一個絕熱系統(tǒng)或孤立系統(tǒng)，則有：熱力學基本方程可逆的絕熱過程熵變