熱力學(xué)基礎(chǔ)-應(yīng)用物理系-課件

微觀量宏觀量出發(fā)點(diǎn)熱力學(xué)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)揭示熱力學(xué)本質(zhì)二者關(guān)系無(wú)法自我驗(yàn)證不深刻缺點(diǎn)揭露本質(zhì)普遍，可靠?jī)?yōu)點(diǎn)力學(xué)規(guī)律統(tǒng)計(jì)方法觀察和實(shí)驗(yàn)邏輯推理方法微觀宏觀物理量熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象研究對(duì)象微觀理論（統(tǒng)計(jì)物理學(xué)）宏觀理論（熱力學(xué)）熱學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)

熱力學(xué)是研究物質(zhì)世界中有關(guān)熱現(xiàn)象的宏觀理論，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是將一物質(zhì)系統(tǒng)中大量粒子看作一個(gè)整體，研究系統(tǒng)所表現(xiàn)的各種宏觀性質(zhì)和規(guī)律。以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),用邏輯推理的方法總結(jié)的基本規(guī)律。熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律

§1熱力學(xué)第一定律一.基本概念2.熱力學(xué)過(guò)程——熱力學(xué)系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程1.熱力學(xué)系統(tǒng)——研究的物體（或一組物體）封閉系統(tǒng)：有能量交換,沒(méi)有質(zhì)量交換開放系統(tǒng)：有能量交換,有質(zhì)量交換孤立系統(tǒng)：沒(méi)有能量交換,沒(méi)有質(zhì)量交換●●準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)，如果過(guò)程中所有中間態(tài)都可以近似地看作平衡態(tài)的過(guò)程。非靜態(tài)過(guò)程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)，過(guò)程中所有中間態(tài)為非平衡態(tài)的過(guò)程。p1V1p2V2

★準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可以用狀態(tài)圖表示，圖中任一條直線都代表一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程?！餃?zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：系統(tǒng)每時(shí)每刻都有確定的狀態(tài)參量，是一種理想過(guò)程。ab二.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功活塞移動(dòng)位移dl，系統(tǒng)對(duì)外界所作的元功為：系統(tǒng)體積由V1變?yōu)閂2系統(tǒng)對(duì)外界作總功為：1.功的計(jì)算系統(tǒng)對(duì)外作正功；系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功；系統(tǒng)不作功。2.功的圖示★功的數(shù)值不僅與初態(tài)和末態(tài)有關(guān)，而且還依賴于所經(jīng)歷的中間過(guò)程，功與過(guò)程的路徑有關(guān)。功是過(guò)程量。功的大小等于p—V圖上過(guò)程曲線p(V)下的面積?！飪艄ρh(huán)過(guò)程作功：循環(huán)曲線在P—V圖上包圍的面積★利用p－V圖可以簡(jiǎn)化計(jì)算系統(tǒng)外界質(zhì)量

M比熱

c比吸收熱量dQ溫度升高dT1.熱量是系統(tǒng)與外界僅由于溫度不同而傳遞的能量。三.熱量系統(tǒng)由溫度T1變到溫度T2的過(guò)程中所吸收的熱量系統(tǒng)吸收熱量則系統(tǒng)放出熱量則0Q0Q熱量也是過(guò)程量2.熱容量與摩爾熱容量——表示溫度升高1K所吸收的熱量★熱容量：系統(tǒng)在某一無(wú)限小過(guò)程中吸收熱量dQ與溫度變化dT的比值★摩爾熱容量：1mol物質(zhì)的熱容量不同氣體摩爾熱容量不同，同一氣體經(jīng)歷不同的熱力學(xué)過(guò)程摩爾熱容量也不同。四.內(nèi)能——某物體系統(tǒng)由其內(nèi)部狀態(tài)所決定的能量理想氣體系統(tǒng)的內(nèi)能，是組成該氣體系統(tǒng)的全部分子的動(dòng)能之和，其值為

由狀態(tài)參量T決定，內(nèi)能，是狀態(tài)參量T的單值函數(shù)——態(tài)函數(shù)。系統(tǒng)內(nèi)能改變的兩種方式1.做功可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)

摩擦升溫（機(jī)械功）2.熱量傳遞可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能作功是系統(tǒng)熱能與外界其它形式能量轉(zhuǎn)換的量度。熱量是系統(tǒng)與外界熱能傳遞的量度。使系統(tǒng)的狀態(tài)改變，傳熱和作功是等效的性質(zhì)實(shí)質(zhì)內(nèi)能狀態(tài)量是構(gòu)成系統(tǒng)的全部分子的平均能量之和。功過(guò)程量是系統(tǒng)的宏觀有序機(jī)械運(yùn)動(dòng)與系統(tǒng)內(nèi)大量分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。熱量過(guò)程量是外界物質(zhì)分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)與系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。內(nèi)能功熱量

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位都是焦耳（J）

五.熱力學(xué)第一定律某一過(guò)程，系統(tǒng)從外界吸熱Q，對(duì)外界做功A，系統(tǒng)內(nèi)能從初始態(tài)U1變?yōu)閁2，則由能量守恒：——熱力學(xué)第一定律在任何一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程中，系統(tǒng)所吸收的熱量Q等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量⊿U與系統(tǒng)對(duì)外作功A之和。Q>0,系統(tǒng)吸收熱量；Q<0,系統(tǒng)放出熱量；★式中各量均為代數(shù)量，有正有負(fù)。U>0,系統(tǒng)內(nèi)能增加，U<0,系統(tǒng)內(nèi)能減少。A>0,系統(tǒng)對(duì)外作正功；A<0,系統(tǒng)對(duì)外作負(fù)功；★式中各量的單位制必須統(tǒng)一，用國(guó)際單位焦耳（J）。QA12UUpOVI過(guò)程II過(guò)程VaabVb

系統(tǒng)從平衡態(tài)a經(jīng)過(guò)

到平衡態(tài)b,吸收熱量500J，對(duì)外作功400J；然后從b態(tài)經(jīng)過(guò)回到a態(tài)，向外放出熱量300J。求從b態(tài)經(jīng)過(guò)回到a態(tài)的過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)能的變化及對(duì)外作的功。IIIII

過(guò)程IUUaQAIIb500400100(J)

過(guò)程IIUaUb()UUab100(J)QAIIII()UUab300(100)200(J)0外界向系統(tǒng)作功解：★對(duì)無(wú)限小過(guò)程，熱力學(xué)第一定律可表示為★對(duì)于理想氣體的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，則★熱力學(xué)第一定律另一表述：制造第一類永動(dòng)機(jī)是不可能的?！餆崃W(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的一種表達(dá)形式。第一類永動(dòng)機(jī)：能對(duì)外不斷自動(dòng)作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的機(jī)器?！?熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用一.等容過(guò)程1.定義及P—V圖pOV1V211pp2V=恒量，dV=02.過(guò)程方程——兩態(tài)間的狀態(tài)參量關(guān)系3.Q,A,⊿U的計(jì)算4.定容mol熱容量CV，m等體過(guò)程中，外界傳給氣體的熱量全部用來(lái)增加氣體的內(nèi)能，系統(tǒng)對(duì)外不作功。二.等壓過(guò)程1.定義及P—V圖p=恒量，dp=02.過(guò)程方程pOV1V1p221V3.Q,A,⊿U的計(jì)算等壓過(guò)程中系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來(lái)增加系統(tǒng)的內(nèi)能，一部分用來(lái)對(duì)外做功。4.定壓mol熱容量Cp，m——邁耶公式5.比熱容比i=3

γ

=1.67i=5γ=1.4三.等溫過(guò)程1.定義及P—V圖T=恒量，dT=02.過(guò)程方程pOV1V2V211pp2等溫膨脹3.Q,A,⊿U

的計(jì)算4.定溫mol熱容量CT,m？等溫過(guò)程中系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外做功，系統(tǒng)內(nèi)能保持不變。四.絕熱過(guò)程1.定義：系統(tǒng)不與外界交換熱量的過(guò)程。絕熱過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外做功全部是以系統(tǒng)內(nèi)能減少為代價(jià)的。2.Q,A,⊿U

的計(jì)算3.過(guò)程方程的推導(dǎo)pQpT4.絕熱過(guò)程P－V圖等溫絕熱絕熱線比等溫線更陡,膨脹相同的體積,絕熱比等溫壓強(qiáng)下降得快。微觀解釋？pV0pV((pV,絕熱線等溫線V理想氣體物態(tài)方程VpRMmTQAUUAQ過(guò)程過(guò)程方程p1T常量2p1T1pT2V1T常量T1T21V2VpV常量22p1p1VVpV常量g11pVgp22Vg0MmTCVMmTCVMmTCV00MmTCpMmTCVpV或MmTR或MmRTlnV21V或等體等壓等溫絕熱熱力學(xué)第一定律MmRTlnp12pMmRTlnV21VMmRTlnp12pMmTCV－§3循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)循環(huán)過(guò)程中的熱功轉(zhuǎn)換循環(huán)效率

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列狀態(tài)變化后,又回到原來(lái)的狀態(tài)的過(guò)程叫熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程.★特征：一.循環(huán)過(guò)程★沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的循環(huán)稱為正循環(huán)。dpOVaVVcabc正循環(huán)dpOVaVVcabc逆循環(huán)★沿反時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的循環(huán)稱為逆循環(huán)。A1A2dpOVaVVcabc1.正循環(huán)過(guò)程的熱功轉(zhuǎn)換cab吸熱膨脹1Q吸收熱量對(duì)外作功A1dca放熱壓縮2Q放出熱量外界作功A21Q2Q吸收的凈熱量Q1Q2QA對(duì)外作的凈功A1A2QAU0UA1Q2QA正循環(huán)過(guò)程是將吸收的熱量Q1中的一部分轉(zhuǎn)化為有用功A凈，另一部分放回給外界︱Q2︱

。A1Q2Q熱機(jī)：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器.▲熱機(jī)的循環(huán)效率熱機(jī)循環(huán)效率dpOVaVVcabc1Q2QAA1Q2QA1A2dpOVaVVcabc2.逆循環(huán)過(guò)程的熱功轉(zhuǎn)換acb放熱壓縮1Q放出熱量外界作功A1dac吸熱膨脹2Q吸收熱量對(duì)外作功A2放出的凈熱量Q1Q2QA外界作的凈功A1A2QAU0UA1Q2QAA1Q2Q逆循環(huán)過(guò)程是從外界熱源吸收的熱量和外界對(duì)它所作的功再以熱量的形式傳給外界熱源。1Q2Q致冷機(jī)：借助外界做功使物體溫度降低的機(jī)器致冷機(jī)致冷系數(shù)dpOVaVVcabc1Q2QA▲致冷機(jī)的致冷系數(shù)A1Q2QdapOV二.卡諾循環(huán)由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫過(guò)程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程所組成的循環(huán)。pOVdcabbT1c2T卡諾正循環(huán)（卡諾熱機(jī)循環(huán)）卡諾逆循環(huán)（卡諾致冷循環(huán)）T12T1.卡諾熱機(jī)循環(huán)及其效率高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2工質(zhì)pOV2Q1QdcabApOV2Q1Qdcab442,()VpT,,()Vp1T11,22,()VpT1,323,()VpT,對(duì)絕熱線bc和da：說(shuō)明：★完成一次卡諾循環(huán)必須有溫度一定的高溫和低溫?zé)嵩?。★卡諾循環(huán)的效率只與兩個(gè)熱源溫度有關(guān),兩熱源溫差越大，卡諾效率越高?！锟ㄖZ循環(huán)效率總小于1?！镌谙嗤邷?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g的工作的一切熱機(jī)中，卡諾循環(huán)的效率最高。2Q1Q2.卡諾致冷循環(huán)及其效率高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2工質(zhì)dapOVbT1c2TA,()Vp1T11,442,()VpT,22,()VpT1,323,()VpT,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，再等容加熱至壓力增大一倍，最后再經(jīng)絕熱膨脹，使其溫度降至初始溫度。如圖，試求：（1）狀態(tài)d的體積Vd；（2）整個(gè)過(guò)程對(duì)外所作的功;（3）整個(gè)過(guò)程吸收的熱量。解：（1）根據(jù)題意又根據(jù)物態(tài)方程oVpV1p1a2V1bd2p1c再根據(jù)絕熱方程（2）先求各分過(guò)程的功oVp2p1p1V12V1abcd（3）計(jì)算整個(gè)過(guò)程吸收的總熱量有兩種方法方法一：根據(jù)整個(gè)過(guò)程吸收的總熱量等于各分過(guò)程吸收熱量的和。oVp2p1p1V12V1abcd方法二：對(duì)abcd整個(gè)過(guò)程應(yīng)用熱力學(xué)第一定律：oVp2p1p1V12V1abcd§4熱力學(xué)第二定律1.違背熱力學(xué)第一定律的過(guò)程都不可能發(fā)生。2.滿足熱力學(xué)第一定律的過(guò)程是否都可以發(fā)生？引言高溫物體低溫物體Q高溫物體低溫物體Q會(huì)自動(dòng)發(fā)生不會(huì)自動(dòng)發(fā)生會(huì)自動(dòng)發(fā)生不會(huì)自動(dòng)發(fā)生氣體自由膨脹氣體自動(dòng)收縮自然實(shí)際過(guò)程是按一定方向進(jìn)行的，各種實(shí)際過(guò)程進(jìn)行方向的規(guī)律性將用熱力學(xué)第二定律來(lái)表述。功轉(zhuǎn)變成熱量會(huì)自動(dòng)發(fā)生熱量自行轉(zhuǎn)變成功不會(huì)自動(dòng)發(fā)生A1.熱力學(xué)第二定律的開爾文表述系統(tǒng)不可能只從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他影響。一.熱力學(xué)第二定律★其他影響：★單一熱源：指溫度均勻且恒定不變的熱源指除做功和熱量轉(zhuǎn)化以外的任何其他變化等溫膨脹過(guò)程是從單一熱源吸熱并使之完全轉(zhuǎn)化為功,但它使得系統(tǒng)和外界都發(fā)生了變化。12QAABCD卡諾循環(huán)是可將熱量轉(zhuǎn)化為功，且系統(tǒng)、外界不發(fā)生其他變化，但需兩個(gè)熱源。1Q2Q不可能制成一種循環(huán)動(dòng)作的熱機(jī)，它只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?！餆崃W(xué)第二定律開爾文表述的另一敘述形式:第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成★熱力學(xué)第二定律的開爾文表述實(shí)際上表明了說(shuō)明第二類永動(dòng)機(jī)：指在一循環(huán)中能從單一熱源吸熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而不產(chǎn)生其它影響的機(jī)器。A2.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述不可能把熱量從低溫物體自動(dòng)傳到高溫物體而不引起外界的變化.雖然卡諾致冷機(jī)能把熱量從低溫物體移至高溫物體，但需外界作功且使環(huán)境發(fā)生變化。ABCD1Q2Q

★熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述的另一敘述形式:理想制冷機(jī)不可能制成說(shuō)明★熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述實(shí)際上表明了3.熱力學(xué)第二定律的兩種表述的等價(jià)性(1)假設(shè)開爾文表述不成立克勞修斯表述不成立高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?2)假設(shè)克勞修斯表述不成立開爾文表述不成立低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩凑f(shuō)明1.熱力學(xué)第二定律可有多種表述，各種表述是等價(jià)的。

2.每一種表述都反映了自然過(guò)程（自然界中不受外界影響而能夠自動(dòng)發(fā)生的過(guò)程）進(jìn)行的方向性。功變熱自動(dòng)地進(jìn)行——功熱轉(zhuǎn)換的過(guò)程是有方向性的熱量自動(dòng)地從高溫物體傳到低溫物體——熱傳遞過(guò)程是有方向性的氣體自動(dòng)地向真空膨脹——?dú)怏w自由膨脹過(guò)程是有方向性的二.可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程1.可逆過(guò)程:系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài)，如果存在另一過(guò)程使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原（系統(tǒng)回到原狀態(tài)，同時(shí)消除對(duì)外界的一切影響），則原過(guò)程為可逆過(guò)程。2.不可逆過(guò)程:如果用任何方法都不能使系統(tǒng)與外界完全復(fù)原，則原過(guò)程為不可逆過(guò)程。注意：不可逆過(guò)程不是不能逆向進(jìn)行，而是說(shuō)當(dāng)過(guò)程逆向進(jìn)行時(shí)，逆過(guò)程在外界留下的痕跡不能將原來(lái)正過(guò)程的痕跡完全消除?！锕徂D(zhuǎn)換的過(guò)程是不可逆過(guò)程★熱傳遞過(guò)程是不可逆過(guò)程★氣體自動(dòng)地向真空膨脹是不可逆過(guò)程三.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)及統(tǒng)計(jì)意義準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（無(wú)限緩慢的過(guò)程），且無(wú)摩擦力、粘滯力或其他耗散力作功，無(wú)能量耗散的過(guò)程，是一種理想過(guò)程。3.可逆過(guò)程的條件1.實(shí)質(zhì)一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的，可逆過(guò)程是一種理想過(guò)程，實(shí)際中不存在。——不可逆性是分子微觀統(tǒng)計(jì)行為的表現(xiàn)★以氣體的自由膨脹為例隔板ABA中：四個(gè)理想氣體分子N＝4微觀上可區(qū)分，宏觀上不可區(qū)分。B中：真空2.統(tǒng)計(jì)意義分子位置的分布（微觀態(tài)）微觀態(tài)數(shù)目一個(gè)宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的宏觀態(tài)出現(xiàn)概率AB614411/164/164/161/166/16共16種微觀態(tài)分子數(shù)的分布（宏觀態(tài)）5種宏觀態(tài)AB

統(tǒng)計(jì)意義：一切孤立系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā)生的過(guò)程，總是由概率?。ò⒂^態(tài)數(shù)目少）的宏觀態(tài)向概率大（包含微觀態(tài)數(shù)目多）的宏觀態(tài)方向進(jìn)行的。1.在溫度分別為T1與T2的兩個(gè)給定熱源之間工作的一切可逆熱機(jī)，其效率相同，都等于理想氣體可逆卡諾熱機(jī)的效率，即一.卡諾定理2.在相同的高、低溫?zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率都不可能大于可逆熱機(jī)的效率。

★要盡可能地減少熱機(jī)循環(huán)的不可逆性，（減少摩擦、漏氣、散熱等耗散因素）以提高熱機(jī)效率。★卡諾定理給出了熱機(jī)效率的極限。§5熵熵增加原理二.克勞修斯等式1.可逆卡諾熱機(jī)的效率2.可逆卡諾循環(huán)克勞修斯等式pOVdcabT12T2Q1Q可逆卡諾循環(huán)中,熱溫比總和為零。熱溫比3.任意可逆循環(huán)的克勞修斯等式★任一微小可逆卡諾循環(huán)★對(duì)所有微小循環(huán)求和當(dāng)時(shí)，則

對(duì)任一可逆循環(huán)過(guò)程,熱溫比之和為零。三.態(tài)函數(shù)熵A**BCD可逆過(guò)程沿連接A、B兩態(tài)的任意可逆過(guò)程的積分值與路徑無(wú)關(guān)，僅由初終兩態(tài)完全決定。據(jù)此可知熱溫比的積分是一態(tài)函數(shù)的增量，此態(tài)函數(shù)稱熵(用S表示).

1.熵的定義

熱力學(xué)系統(tǒng)從初態(tài)A(SA)變化到末態(tài)B(SB)，系統(tǒng)熵的增量等于初態(tài)A和末態(tài)B之間任意一可逆過(guò)程熱溫比（）的積分.**ABCDE可逆過(guò)程無(wú)限小可逆過(guò)程★熵的單位★熵是態(tài)函數(shù)，系統(tǒng)處于一個(gè)平衡態(tài)，就對(duì)應(yīng)有一個(gè)確定的熵值。★兩個(gè)確