大學(xué)物理熱力學(xué)(課件)

大學(xué)物理熱力學(xué)(課件)第一頁(yè)，共31頁(yè)。Chapter4熱力學(xué)熱力學(xué)和分子動(dòng)理論（氣體動(dòng)理論是其中的一部分）的研究對(duì)象都是宏觀物體的熱現(xiàn)象。從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)入手本章重點(diǎn)討論熱力學(xué)第一、第二定律及其應(yīng)用，并介紹熱力學(xué)函數(shù)：熵等。以宏觀系統(tǒng)為對(duì)象運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法能量守恒和轉(zhuǎn)換定律等研究氣體分子微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值與宏觀量之間的關(guān)系研究宏觀物理量之間的關(guān)系更深刻地揭示了熱現(xiàn)象的規(guī)律及其微觀本質(zhì)。來(lái)自實(shí)踐的定律印證了理論的正確性。分子動(dòng)理論熱力學(xué)第二頁(yè)，共31頁(yè)。Chapter4熱力學(xué)熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第一定律:包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律熱力學(xué)第二定律：實(shí)際過(guò)程進(jìn)行的方向和限度問(wèn)題一、熱力學(xué)系統(tǒng)①孤立系統(tǒng)——②封閉系統(tǒng)——③開(kāi)放系統(tǒng)——與外界既無(wú)物質(zhì)交換也無(wú)能量交換熱學(xué)研究的對(duì)象，由大量分子原子組成，簡(jiǎn)稱系統(tǒng)。與外界只有能量交換沒(méi)有物質(zhì)交換與外界既有物質(zhì)交換也有能量交換系統(tǒng)以外的物質(zhì)稱為外界（環(huán)境）。由系統(tǒng)與外界（環(huán)境）的關(guān)系：§4-1熱力學(xué)第一定律第三頁(yè)，共31頁(yè)?！?-1熱力學(xué)第一定律①孤立系統(tǒng)——②封閉系統(tǒng)——③開(kāi)放系統(tǒng)——與外界既無(wú)物質(zhì)交換也無(wú)能量交換與外界只有能量交換沒(méi)有物質(zhì)交換與外界既有物質(zhì)交換也有能量交換由系統(tǒng)與外界（環(huán)境）的關(guān)系：二、平衡態(tài)OPV

P

–

V

圖

F12圖中一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)平衡態(tài)

平衡態(tài):熱力學(xué)系統(tǒng)如果與外界沒(méi)有能量交換，內(nèi)部也不發(fā)生任何形式的能量轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，可達(dá)到宏觀性質(zhì)穩(wěn)定的狀態(tài)，這一狀態(tài)稱為平衡態(tài)。（熱動(dòng)平衡）

P1

P2第四頁(yè)，共31頁(yè)。§4-1

熱力學(xué)第一定律二、平衡態(tài)OPV

P

–

V

圖

F12圖中一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)平衡態(tài)

平衡態(tài):熱力學(xué)系統(tǒng)如果與外界沒(méi)有能量交換，內(nèi)部也不發(fā)生任何形式的能量轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，可達(dá)到宏觀性質(zhì)穩(wěn)定的狀態(tài)，這一狀態(tài)稱為平衡態(tài)。（熱動(dòng)平衡）

P2三、熱力學(xué)過(guò)程系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)隨時(shí)間的變化過(guò)程稱為熱力學(xué)過(guò)程，簡(jiǎn)稱過(guò)程。過(guò)程的發(fā)生必然導(dǎo)致平衡態(tài)的破壞——任何實(shí)際過(guò)程都無(wú)法在P-V圖上表示。第五頁(yè)，共31頁(yè)?！?-1熱力學(xué)第一定律OPVF12三、熱力學(xué)過(guò)程系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)隨時(shí)間的變化過(guò)程稱為熱力學(xué)過(guò)程，簡(jiǎn)稱過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

系統(tǒng)在變化的過(guò)程中所經(jīng)歷的每一中間狀態(tài)都無(wú)限接近平衡態(tài)——準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程對(duì)應(yīng)P-V圖中一條曲線過(guò)程的發(fā)生必然導(dǎo)致平衡態(tài)的破壞——任何實(shí)際過(guò)程都無(wú)法在P-V圖上表示。第六頁(yè)，共31頁(yè)?！?-1熱力學(xué)第一定律OPVF12準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

系統(tǒng)在變化的過(guò)程中所經(jīng)歷的每一中間狀態(tài)都無(wú)限接近平衡態(tài)——準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程對(duì)應(yīng)P-V圖中一條曲線說(shuō)明：（1）準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是一個(gè)理想過(guò)程。實(shí)際過(guò)程在進(jìn)行的“足夠緩慢”時(shí)，系統(tǒng)在任一時(shí)刻都無(wú)限接近平衡態(tài)，這樣的過(guò)程才可能是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。足夠緩慢：恢復(fù)平衡時(shí)間（弛豫時(shí)間）無(wú)限接近過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間。（2）只有平衡過(guò)程才能用P—V圖描述第七頁(yè)，共31頁(yè)。狀態(tài)1到狀態(tài)2氣體對(duì)外界做功：四、功、熱、內(nèi)能氣體對(duì)外界作元功為：以氣體膨脹過(guò)程為例：1、功(work)討論：

(1)

dA=pdV在p-V圖上對(duì)應(yīng)曲線下窄條面積,

（2）氣體對(duì)外界做功與過(guò)程有關(guān)，功是過(guò)程量。（如圖沿著虛線與沿著實(shí)線做功不同。）PV12dVPA對(duì)應(yīng)曲線下V1→V2

間的面積。第八頁(yè)，共31頁(yè)。

兩系統(tǒng)間由于溫度不同所傳遞的能量的多少就叫熱量，用Q表示，傳遞熱量可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)。(2)做功、傳熱都是能量變化的量度，是過(guò)程量。(1)Q=cM（T2-T1）c—比熱（J/kg·K）；說(shuō)明：2、熱量(heat)Q=cμ（T2-T1）=C（T2-T1）C—摩爾熱容（J/mol·K）做功：通過(guò)宏觀的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)（如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電流運(yùn)動(dòng)）與系統(tǒng)內(nèi)分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的能量交換，亦稱宏觀功。傳熱：通過(guò)接觸面上分子的相互碰撞來(lái)完成的能量交換，不涉及是否發(fā)生宏觀位移，亦稱微觀功。（3）做功與傳熱的區(qū)別：第九頁(yè)，共31頁(yè)。3、內(nèi)能(internalenergy)

熱力學(xué)系統(tǒng)在一定的狀態(tài)下，具有一定的能量，稱為熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能。（2）內(nèi)能的變化只決定于初末兩個(gè)狀態(tài)，與所經(jīng)歷的過(guò)程無(wú)關(guān)，即內(nèi)能是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù),E=f(T、V)，是狀態(tài)量。（1）系統(tǒng)的內(nèi)能就是系統(tǒng)中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)能量和分子間相互作用的勢(shì)能的總和。說(shuō)明：（3）理想氣體的內(nèi)能E=f（T），第十頁(yè)，共31頁(yè)。

系統(tǒng)向外界放熱；外界對(duì)系統(tǒng)做功；系統(tǒng)內(nèi)能減少。這一包含熱量在內(nèi)的能量守恒表示式就是熱力學(xué)第一定律。

系統(tǒng)從外界吸熱；

系統(tǒng)對(duì)外界做功；系統(tǒng)內(nèi)能增加；對(duì)一個(gè)無(wú)限小的狀態(tài)變化過(guò)程

熱力學(xué)第一定律適用于任何熱力學(xué)系統(tǒng)所進(jìn)行的任意過(guò)程。說(shuō)明：（1）（2）（3）（4）第一類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)。即系統(tǒng)從外界吸收熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量和對(duì)外做功之和。五、熱力學(xué)第一定律第十一頁(yè)，共31頁(yè)。+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對(duì)外界做功外界對(duì)系統(tǒng)做功第一定律的符號(hào)規(guī)定A(6)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，自然界的普遍規(guī)律.第十二頁(yè)，共31頁(yè)。例題4-1某系統(tǒng)吸熱800J，對(duì)外做功500J，由狀態(tài)A沿路徑1變到狀態(tài)B，氣體的內(nèi)能改變了多少？如果系統(tǒng)沿路徑2由狀態(tài)B回到狀態(tài)A時(shí)，外界對(duì)系統(tǒng)做功300J，氣體放出熱量多少？解:由熱力學(xué)第一定律Q=DE+AA→1→BDE=Q–A=800－500=300JB→2→AQ=DE+A=－300－300=－600J放出熱量?jī)?nèi)能增加AB12OPV第十三頁(yè)，共31頁(yè)。一、理論基礎(chǔ)（1）（理想氣體的共性）（2）解決過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的問(wèn)題（3）（理想氣體的狀態(tài)函數(shù)）

（4）各等值過(guò)程的特性.§4-2熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用第十四頁(yè)，共31頁(yè)。二、等體過(guò)程

定義：系統(tǒng)從初態(tài)到末態(tài)變化過(guò)程中體積始終保持不變的過(guò)程稱為等體過(guò)程(isochoricprocess).

等體過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)外不作功，吸收的熱量全用于增加內(nèi)能。（Q為正，ΔE增；Q為負(fù)，ΔE減）

熱一律應(yīng)用：

特征：dV=0(dA=0)V—恒量P—V圖：平行于P軸一條直線，等容線。

過(guò)程方程：P/T=恒量。（有限過(guò)程Ⅰ→Ⅱ）1、等體過(guò)程A=0VpＯVⅠⅡ第十五頁(yè)，共31頁(yè)。2、等體摩爾熱容即：理想氣體的等體摩爾熱容是一個(gè)只與分子自由度有關(guān)的量。適應(yīng)于所有過(guò)程

一摩爾氣體在體積不變時(shí)，溫度改變1K時(shí)所吸收或放出的熱量稱為等體摩爾熱容(molarheatcapacityatconstantvolume)。第十六頁(yè)，共31頁(yè)。三、等壓過(guò)程1、等壓過(guò)程定義：系統(tǒng)壓強(qiáng)在狀態(tài)變化過(guò)程中始終保持不變的過(guò)程稱為等壓過(guò)程(isobaricprocess)

。熱一律應(yīng)用：特征：dP=0，P=恒量。P—V圖：平行于V軸的直線，等壓線。過(guò)程方程：V/T=恒量（有限過(guò)程Ⅰ→Ⅱ）V1PVpＯⅡV2ⅠA第十七頁(yè)，共31頁(yè)。2、定壓摩爾熱容注意：一摩爾氣體溫度改變1K時(shí)，在等壓過(guò)程中比在等體過(guò)程中多吸收8.31J的熱量用來(lái)對(duì)外作功。一摩爾氣體在壓強(qiáng)不變時(shí)，溫度改變1K

時(shí)所吸收或放出的熱量稱為定壓摩爾熱容(molarheatcapacityatconstantpressure)

。

在等壓過(guò)程中，理想氣體吸熱的一部分用于增加內(nèi)能，另一部分用于對(duì)外作功。于是邁耶公式(J.R.Meyer)第十八頁(yè)，共31頁(yè)。叫做比熱容比CvCp比熱容比單原子分子351.67雙原子分子571.4剛性多原子分子681.3Cp、CV的單位是J/mol·K，與R的單位一致。2+==iiCCVPg說(shuō)明:3、比熱容比第十九頁(yè)，共31頁(yè)。四、等溫過(guò)程

系統(tǒng)溫度在狀態(tài)變化過(guò)程中始終保持不變的過(guò)程稱為等溫過(guò)程(isothermalprocess)

。

在等溫過(guò)程中，理想氣體吸熱全部用于對(duì)外作功，或外特征：dT=0(△E=0)T

—恒量P—V圖：等軸雙曲線（P=C/V）。狀態(tài)方程：PV=常量。熱一律應(yīng)用：（有限過(guò)程Ⅰ→Ⅱ）P1V1ⅠPVOP2V2ⅡA等溫線12lnVVRTMm=AQT=界對(duì)氣體作功全轉(zhuǎn)換為氣體放出的熱。第二十頁(yè)，共31頁(yè)。定義：系統(tǒng)在狀態(tài)變化過(guò)程中始終與外界沒(méi)有熱交換。

絕熱膨脹過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)外作的功，是靠?jī)?nèi)能減少實(shí)現(xiàn)的，故溫度降低；絕熱壓縮過(guò)程中，外界對(duì)氣體作功全用于增加氣體內(nèi)能，故溫度上升。

特征：過(guò)程方程：熱一律應(yīng)用：（有限過(guò)程Ⅰ→Ⅱ）v絕熱套PVP2P1V2OV1ⅠⅡP—V圖：比等溫線陡的一條曲線（絕熱線）。五、絕熱過(guò)程1、絕熱過(guò)程(adiabaticprocess)A第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。

系統(tǒng)從1-2為絕熱過(guò)程，據(jù)絕熱方程，可得過(guò)程中的p—V關(guān)系。系統(tǒng)對(duì)外作功為：＊絕熱膨脹系統(tǒng)對(duì)外做功PV1V2絕熱線第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。絕熱過(guò)程等溫過(guò)程等溫線、絕熱線的斜率分別為：絕熱線比等溫線陡。絕熱線PVP1V2OV1P2P2ACBA→CA→B2、絕熱線與等溫線比較由P=C/V第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。3、絕熱過(guò)程方程的推導(dǎo)對(duì)絕熱過(guò)程，據(jù)熱力學(xué)第一定律，有即對(duì)狀態(tài)方程（1）/（2）式消去dT

得(1)(2)*兩邊微分得第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。31CpTor=--gg21CTVor=-g絕熱過(guò)程方程積分得即第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。1.列表分類總結(jié)各過(guò)程的熱功轉(zhuǎn)換公式過(guò)程特征傳遞熱量Q做功A內(nèi)能增量等容V=衡量

等壓P=衡量等溫T=衡量

絕熱Q=0

2.解題步驟：確定過(guò)程找特征;選用公式作計(jì)算．六、小結(jié)第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。例題4-2

一氣缸中貯有氮?dú)?，質(zhì)量為1.25kg。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下緩慢地加熱，使溫度升高1K。試求氣體膨脹時(shí)所作的功A、氣體內(nèi)能的增量E以及氣體所吸收的熱量Qp。（活塞的質(zhì)量以及它與氣缸壁的摩擦均可略去）因i=5,所以Cv=iR/2=20.8J/(molK)，可得解：因過(guò)程是等壓的，得第二十七頁(yè)，共31頁(yè)。POVP1V1V4V3P22143例4-3求全過(guò)程中①內(nèi)能的變化，②系統(tǒng)所作的功，③吸收的熱量。解（1）1→2等容過(guò)程（2）2→3等溫過(guò)程第二十八頁(yè)，共31頁(yè)。（3）3→4等壓過(guò)程POVP1V1V4V3P22143第二十九頁(yè)，共31頁(yè)。設(shè)有氧氣8g，體