第三章熱力學(xué)的基本知識教學(xué)用

第三章熱力學(xué)的基本知識教學(xué)用第1頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月熱學(xué)是以研究熱運動的規(guī)律及其對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響，以及與物質(zhì)其他運動形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律為任務(wù)的。按照研究方法的不同，熱學(xué)可分為兩門學(xué)科，即熱力學(xué)和分子物理學(xué)。熱力學(xué)是研究物質(zhì)熱運動的宏觀理論。它從基本實驗定律出發(fā)，通過邏輯推理和數(shù)學(xué)演繹，找出物質(zhì)各種宏觀性質(zhì)的關(guān)系，得出宏觀過程進(jìn)行的方向及過程的性質(zhì)等方面的結(jié)論。它具有高度的普適性與可靠性。但因不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而將物質(zhì)視為連續(xù)體，故不能解釋物質(zhì)宏觀性質(zhì)的漲落.所謂熱運動即組成宏觀物體的大量微觀粒子的一種永不停息的無規(guī)則運動。第2頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月分子物理學(xué)是研究物質(zhì)熱運動的微觀理論。它從物質(zhì)由大量微觀粒子組成這一基本事實出發(fā)，運用統(tǒng)計方法，把物質(zhì)的宏觀性質(zhì)作為大量微觀粒子熱運動的統(tǒng)計平均結(jié)果，找出宏觀量與微觀量的關(guān)系，進(jìn)而解釋物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。在對物質(zhì)微觀模型進(jìn)行簡化假設(shè)后，應(yīng)用統(tǒng)計物理可求出具體物質(zhì)的特性；還可應(yīng)用到比熱力學(xué)更為廣闊的領(lǐng)域，如解釋漲落現(xiàn)象。在大學(xué)物理《熱學(xué)》部分將介紹統(tǒng)計物理學(xué)的基本概念以及氣體分子運動論的基本內(nèi)容和作為熱力學(xué)物理基礎(chǔ)的幾個基本定律。熱力學(xué)和分子物理學(xué)的研究對象是相同的。它們從不同角度研究熱運動，二者相輔相成，彼此聯(lián)系又互相補充.第3頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、理想氣體的微觀模型第一節(jié)理想氣體的壓強和能量對單個分子的力學(xué)性質(zhì)的假設(shè)分子可看作是質(zhì)點分子作勻速直線運動碰撞是完全彈性碰撞對分子集體的統(tǒng)計假設(shè)分子數(shù)密度處處相等；分子沿各個方向運動的幾率均等。第4頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、理想氣體壓強公式1、壓強的產(chǎn)生

單個分子碰撞器壁的作用力是不連續(xù)的、偶然的、不均勻的。從總的效果上來看，一個持續(xù)的平均作用力。單個分子多個分子平均效果密集雨點對雨傘的沖擊力大量氣體分子對器壁持續(xù)不斷的碰撞產(chǎn)生壓力氣體分子器壁第5頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月xyzA1A2vivixviyviz2、理想氣體壓強公式的簡單推導(dǎo)單個分子對器壁的作用力邊長為x,y,z的長方形容器，其中含有N個同類氣體分子，每個分子質(zhì)量均為m。單個分子的運動遵循牛頓力學(xué)的運動定律，考慮第i個分子，速度它與器壁碰撞時受到器壁的作用力。在此力的作用下，i分子在x軸上的動量由mvix變?yōu)?mvix，x軸上的動量的增量為：第6頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月所需的時間為2x/vix，在單位時間內(nèi)，i分子作用在A1面的總沖量為由牛頓第二定律知道i分子對容器壁的作用力為大量分子對器壁的作用力壓強第7頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月利用統(tǒng)計平均的概念平均值的定義等概率原理：分子沿各個方向運動的機(jī)會均相等因為vvxvyvz第8頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月所以理想氣體的壓強正比于氣體分子的數(shù)密度和分子的平均平動動能；理想氣體的壓強公式揭示了宏觀量與微觀量統(tǒng)計平均值之間的關(guān)系；理想氣體的壓強公式是力學(xué)原理與統(tǒng)計方法相結(jié)合得出的統(tǒng)計規(guī)律。分子平均動能第9頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月描述系統(tǒng)整體特征和屬性的物理量。例如：氣體質(zhì)量、體積、壓強、溫度等。

氣體平衡態(tài)可用壓強P、體積V、溫度T描述，P、V、T稱為氣體的狀態(tài)參量。微觀量：描述單個微觀粒子運動狀態(tài)的物理量。例如：分子質(zhì)量、位置、速度、動量、能量等。宏觀量：附、宏觀量與微觀量第10頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)一個分子的質(zhì)量為m，質(zhì)量為m’的理想氣體的分子數(shù)為N，1摩爾氣體的質(zhì)量為M，則m’=Nm,M=NAm。代入理想氣體的物態(tài)方程三、理想氣體的能量公式1、理想氣體狀態(tài)方程的分子形式分子數(shù)密度k=R/NA=1.38×10-23J·K-1稱為玻耳斯曼常量（一）分子平均平動動能第11頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2、理想氣體分子的平均平動動能與溫度的關(guān)系溫度公式第12頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月例1、一容器內(nèi)貯有氧氣，壓強為P=1.013×105Pa，溫度t=27℃，求（1）單位體積內(nèi)的分子數(shù)；（2）氧分子的質(zhì)量；（3）分子的平均平動動能。

解：

（1）有P=nkT（2）

（3）

第13頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）.自由度在力學(xué)中，自由度是指決定一個物體的空間位置所需要的獨立坐標(biāo)數(shù).所謂獨立坐標(biāo)數(shù)是指描寫物體位置所需的最少的坐標(biāo)數(shù)。自由度是描述物體運動自由程度的物理量。

第14頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：輪船在海平面上行駛，要描寫輪船的位置至少需要兩維坐標(biāo)，則自由度為2。飛機(jī)在天空中飛翔，要描寫飛機(jī)的空間位置至少需要三維坐標(biāo)，則自由度為3。但對于火車在軌道上行駛時自由度是多少呢？自由度是

1，由于受到軌道限制有一維坐標(biāo)不獨立。物體沿一維直線運動，最少只需一個坐標(biāo)，則自由度數(shù)為1。第15頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.兩個剛性質(zhì)點描寫其質(zhì)心位置需3個平動自由度，描寫其繞x、y軸轉(zhuǎn)動需2個轉(zhuǎn)動自由度，繞z軸的轉(zhuǎn)動能量可不計，總自由度數(shù)：1.一個質(zhì)點描寫它的空間位置，需要3

個平動自由度，3.三個或三個以上的剛性質(zhì)點平動自由度轉(zhuǎn)動自由度總自由度第16頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于理想氣體在常溫下，分子內(nèi)各原子間的距離認(rèn)為不變，只有平動自由度、轉(zhuǎn)動自由度。2.氣體分子自由度1.單原子分子氣體例如：He、Ne、Ar。其模型可用一個質(zhì)點來代替。平動自由度轉(zhuǎn)動自由度總自由度2.雙原子分子氣體例如：氫氣（H2）、氧氣（O2）等為雙原子分子氣體。其模型可用兩個剛性質(zhì)點模型來代替。平動自由度轉(zhuǎn)動自由度總自由度第17頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3.多原子分子氣體例如：二氧化碳?xì)怏w（CO2）、水蒸氣（H2O）、甲烷氣體（CH4）等為多原子分子氣體。其模型可用多個剛性質(zhì)點來代替。平動自由度轉(zhuǎn)動自由度總自由度3.分子動能按自由度均分的統(tǒng)計規(guī)律每個平動自由度上分配了一份kT/2的能量，推廣到轉(zhuǎn)動等其它運動形式，得能量按自由度均分定理。在溫度為T的平衡態(tài)下，氣體分子每個自由度的平均動能都相等，都等于。第18頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月平動動能轉(zhuǎn)動動能使平動動能與轉(zhuǎn)動動能達(dá)到相同，即每個自由度上也平均分配了kT/2能量。由此可知，分子有i個自由度，其平均動能就有i份kT/2的能量。分子平均總動能：由于分子的激烈碰撞（幾億次/秒），使平動動能與轉(zhuǎn)動動能不斷轉(zhuǎn)換，說明：1）該定理是統(tǒng)計規(guī)律，只適用于大量分子組成的系統(tǒng)。2）是由于大量分子無規(guī)則碰撞的結(jié)果。能量按自由度均分原理：在溫度為T的平衡態(tài)下，氣體分子每個自由度的平均動能都相等，都于。第19頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、能量按自由度均分原理分子平均平動動能：且在x方向上平均分配了kT/2的能量。同理：在x、y、z方向上均分配了一份kT/2的能量，第20頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體分子的能量對于理想氣體而言，分子間的作用力忽略不計，分子與分子間的勢能為零。由于只考慮常溫狀態(tài)，分子內(nèi)的原子間的距離可認(rèn)為不變，則分子內(nèi)原子與原子間的勢能也可不計。一個氣體分子的能量為：理想氣體：氣體內(nèi)能：所有氣體分子的動能和勢能的總和。理想氣體內(nèi)能：所有分子的動能總和。1.一個分子的能量為:理想氣體的內(nèi)能第21頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.一個分子的能量為:2.1

mol氣體分子的能量為:3.M千克氣體的內(nèi)能為：對于一定量的理想氣體，它的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)而且與熱力學(xué)溫度成正比。單原子分子氣體剛性雙原子分子氣體剛性多原子分子氣體當(dāng)溫度變化T時當(dāng)溫度變化dT時思考：單位體積與單位質(zhì)量的內(nèi)能又各為多少？第22頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月四、道爾頓分壓定律

P=（n1+n2+······+nn)kT

=P1+P2+······+pn第23頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)

液體的表面現(xiàn)象第24頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月樹木為什么象抽水機(jī)一樣，能將地下的水運送到樹冠？第26頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月肥皂膜收縮把線拉成一個弧形線被繃緊第27頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、表面張力和表面能

第28頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月液體和氣體的分界處,液體表面分子受液體內(nèi)部分子的引力作用,部分進(jìn)入液體內(nèi)部,使得表面層分子密度降低，間距增大,分子間相互表現(xiàn)為引力這樣就使得液體表面有一種收縮的趨勢第29頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月液體表面有收縮到最小的趨勢，這種使液體表面收縮的力稱為表面張力。

注:不僅在周界上有表面張力存在,而且在液面上的任何地方都有表面張力存在,否則液面將無法收縮第30頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月fAfBAB表面張力的方向：與分界線垂直并與液體表面相切。表面張力大?。旱?1頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月液體的表面張力系數(shù)表面張力系數(shù)與液體的性質(zhì)有關(guān)影響因素:溫度雜質(zhì)溫度升高時表面張力系數(shù)減小雜質(zhì):表面活性物質(zhì)使表面張力系數(shù)減小表面非活性物質(zhì)使表面張力系數(shù)增大第32頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月表面張力系數(shù)的測定L第33頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月表面能L第34頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月得到表示增加單位表面積后所增加的表面能表示單位長度上的表面張力第35頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月打開閥門后,氣體是從A到B,還是從B到A,或者是不發(fā)生流動?第36頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、彎曲液面的附加壓強第37頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月球形液滴的附加壓強以半滴液滴為研究對象,分析其受力情況F1——另半滴液滴所產(chǎn)生的壓力F2——表面張力F3——外界氣體產(chǎn)生的壓力第38頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月由于液滴處于穩(wěn)定狀態(tài)所以這三個力應(yīng)平衡即因為所以即第39頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月球形液滴附加壓強第40頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月附加壓強指液體內(nèi)外壓強差液面為凸面時R取正，液面為凹面時R負(fù)第41頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月球形液膜的附加壓強第42頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月討論:液膜半徑R越大,附加壓強越小,即液膜內(nèi)部壓強越小第43頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月打開閥門后,大泡越來越大,小泡越來越小,直至最后破滅第44頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）潤濕與不潤濕現(xiàn)象三、液體和固體接觸處的表面現(xiàn)象第45頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月液體與固體接觸處的表面現(xiàn)象附著層：和固體接觸處的液體表面層。其厚度為分子力有效作用距離。附著層內(nèi)的分子與液體內(nèi)部的分子受力情況不同:內(nèi)聚力:液體分子的吸引力附著力:固體分子的吸引力第46頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)聚力>附著力液體與固體接觸面有盡量縮小的趨勢不潤濕現(xiàn)象比如水銀在玻璃上聚攏成液珠就是不潤濕現(xiàn)象第47頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月附著力>內(nèi)聚力附著層有伸展的趨勢潤濕現(xiàn)象比如水在玻璃上就是潤濕現(xiàn)象第48頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月通常用接觸角來描述潤濕和不潤濕現(xiàn)象接觸角θ:在固體和液體接觸處液體表面的切線(指向液體內(nèi)部）與固體接觸面之間的夾角

θ=0完全潤濕0<θ<π/2潤濕π/2<θ<π不潤濕θ=π完全不潤濕第49頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）毛細(xì)現(xiàn)象第50頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月將毛細(xì)管插入液體中，如果液體潤濕管壁，液體在管中升高；如果液體不潤濕管壁，則液體在管中下降。液體在潤濕的毛細(xì)管中上升、在不潤濕的毛細(xì)管中下降的現(xiàn)象，稱為毛細(xì)現(xiàn)象。第51頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月因為所以而所以又因為(r為毛細(xì)管內(nèi)徑)所以得到第52頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月公式說明：毛細(xì)管中液面上升的高度與表面張力系數(shù)成正比，與毛細(xì)管的內(nèi)徑成反比，管徑越細(xì)液面上升越高。因此可以利用此式來測量表面張力系數(shù)第53頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：1.對于潤濕管壁的液體，θ<π/2，所以h>0，液面上升。2.對于不潤濕管壁的液體，θ>π/2，所以h<0，液面下降。

第54頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月毛細(xì)現(xiàn)象應(yīng)用：?植物靠著毛細(xì)現(xiàn)象輸運養(yǎng)料和水分。?利用棉花來吸水。?外科手術(shù)中用的縫線是經(jīng)過蠟處理的絲線。?血液在毛細(xì)管中的流通。第55頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月例題:將一毛細(xì)管插入水中，其末端在水面下10cm處。設(shè)在完全潤濕條件下，水在管中可上升到比水面高4cm，試求將下端吹成一半球形氣泡時,壓強應(yīng)比大氣壓高多少？分析：做出示意圖第56頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月解:因為是完全潤濕,所以接觸角θ=0因此當(dāng)把下端吹成半球氣泡時又因為所以第57頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

液體在細(xì)管中流動時,如果管中有氣泡,液體的流動將受到阻礙。氣泡多時可發(fā)生阻塞，這種現(xiàn)象稱為氣體栓塞。（三）氣體栓塞

第58頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月p左

p右

pp(1)液柱不動p左p右p+Δpp(2)Δp<δ,液柱不動

第59頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月pp+δp+2δp+3δ(3)Δp=δ,液柱開始移動因此,如果沒有足夠的壓強差,液體將難以流動，形成氣體栓塞。第60頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月臨床上要避免氣體栓塞：靜脈注射、輸液、輸血時要防止氣泡進(jìn)入；人員從高壓環(huán)境中脫離時應(yīng)有緩沖時間，避免血管中氣泡形成；第61頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

小結(jié)表面張力表面能球形液滴附加壓強毛細(xì)現(xiàn)象第62頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)能、熱力學(xué)第一定律、理想氣體的等體過程、等壓過程、摩爾熱容第三節(jié)熱力學(xué)第一定律第63頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論——根據(jù)實驗總結(jié)出來的熱力學(xué)定律，用嚴(yán)密的邏輯推理的方法，研究宏觀物體的熱力學(xué)性質(zhì)。熱力學(xué)不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，它的主要理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)定律。本章的內(nèi)容是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。第64頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱力學(xué)系統(tǒng)、內(nèi)能、熱量和功一、氣體物態(tài)參量1、系統(tǒng)與外界熱力學(xué)系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）在熱力學(xué)中，把所要研究的對象，即由大量微觀粒子組成的物體或物體系稱為熱力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)的外界（簡稱外界）能夠與所研究的熱力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其它物體，稱為外界。第65頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2、氣體的物態(tài)參量把用來描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參量。氣體的宏觀狀態(tài)可以用V、P、T描述體積V——幾何參量壓強p——力學(xué)參量溫度T——熱力學(xué)參量3、說明氣體的p、V、T是描述大量分子熱運動集體特征的物理量，是宏觀量，而氣體分子的質(zhì)量、速度等是描述個別分子運動的物理量，是微觀量。第66頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、p、V、T的單位1、氣體的體積V氣體的體積V是指氣體分子無規(guī)則熱運動所能到達(dá)的空間。對于密閉容器中的氣體，容器的體積就是氣體的體積。單位：m32、壓強p壓強P是大量分子與容器壁相碰撞而產(chǎn)生的，它等于容器壁上單位面積所受到的正壓力。p=F/S單位：

1Pa=1N.m-2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm=76cm.Hg=1.013×105Pa3、溫度T溫度的高低反映分子熱運動激烈程度。(1)熱力學(xué)溫標(biāo)T，單位：K(2)攝氏溫標(biāo)t，單位：0C00C——水的三相點溫度1000C——水的沸騰點溫度(3)華氏溫標(biāo)F，單位0F320F——水的三相點溫度2120F——水的沸騰點溫度關(guān)系：T=273.15+tF=9t/5+32第67頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、理想氣體的物態(tài)方程1、物態(tài)方程在p、V、T三個狀態(tài)參量之間一定存在某種關(guān)系，即其中一個狀態(tài)參量是其它兩個狀態(tài)參量的函數(shù)，如T=T(P,V)——一定量氣體處于平衡態(tài)時的物態(tài)方程2、理想氣體的定義在溫度不太低(與室溫相比)和壓強不太大(與大氣壓相比)時，有三條實驗定律Boyle-Mariotte定律等溫過程中pV=const

Gay-Lussac定律等體過程中p/T=const

Charles定律等壓過程中V/T=const

Avogadro定律：在同樣的溫度和壓強下，相同體積的氣體含有相同數(shù)量的分子。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1摩爾任何氣體所占有的體積為22.4升。理想氣體的定義：在任何情況下都遵守上述三個實驗定律和Avogadro定律的氣體稱為理想氣體。第68頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3、理想氣體的物態(tài)方程形式1m——氣體質(zhì)量M——氣體摩爾質(zhì)量R=8.31J·mol-1·K-1——摩爾氣體常量形式2第69頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月四、內(nèi)能熱力學(xué)系統(tǒng)的能量取決于系統(tǒng)的狀態(tài)——內(nèi)能。說明1、理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)2、熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能的變化是通過系統(tǒng)與外界交換熱量或外界對系統(tǒng)作功來實現(xiàn)的3、系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始與終了位置有關(guān)，而與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關(guān)第70頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月五、熱量1、例子外界向系統(tǒng)傳遞熱量，系統(tǒng)內(nèi)能增大：加熱水系統(tǒng)向外界傳遞熱量，系統(tǒng)內(nèi)能減小。2、定義系統(tǒng)與外界之間由于存在溫度差而傳遞的能量叫做熱量。3、本質(zhì)外界與系統(tǒng)相互交換熱量。分子熱運動→分子熱運動說明熱量傳遞的多少與其傳遞的方式有關(guān)熱量的單位：焦耳第71頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月六、功當(dāng)氣體作無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)膨脹或壓縮時，為了維持氣體的平衡態(tài)，外界的壓強必然等于氣體的壓強。系統(tǒng)對外界所作的功等于pV

圖上過程曲線下面的面積說明系統(tǒng)所作的功與系統(tǒng)的始末狀態(tài)有關(guān)，而且還與路徑有關(guān)，是一個過程量。氣體膨脹時，系統(tǒng)對外界作功氣體壓縮時，外界對系統(tǒng)作功作功是改變系統(tǒng)內(nèi)能的一種方法本質(zhì)：通過宏觀位移來完成的：機(jī)械運動→分子熱運動VOPdVV1V2第72頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱力學(xué)第一定律第73頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、熱力學(xué)第一定律1、內(nèi)容系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分使系統(tǒng)對外界作功2、本質(zhì)熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒定律，對任何物質(zhì)的任何過程都成立。對于微小過程第74頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3、說明符號規(guī)定：熱量Q：正號——系統(tǒng)從外界吸收熱量負(fù)號——系統(tǒng)向外界放出熱量功W：正號——系統(tǒng)對外界作功負(fù)號——外界對系統(tǒng)作功內(nèi)能ΔE：正號——系統(tǒng)能量增加負(fù)號——系統(tǒng)能量減小計算中，各物理量的單位是相同的，在SI制中為J三、熱力學(xué)第一定律的另一種表述1、第一類永動機(jī)不需要外界提供能量，也不需要消耗系統(tǒng)的內(nèi)能，但可以對外界作功。2、熱力學(xué)第一定律的另一種表述第一類永動機(jī)是不可能造成的。第一類永動機(jī)違反了能量守恒定律，因而是不可能實現(xiàn)的第75頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）準(zhǔn)靜態(tài)過程1、熱力學(xué)過程當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間變化時，我們就說系統(tǒng)在經(jīng)歷一個熱力學(xué)過程，簡稱過程。推進(jìn)活塞壓縮汽缸內(nèi)的氣體時，氣體的體積、密度、溫度或壓強都將變化2、非靜態(tài)過程在熱力學(xué)過程的發(fā)生時，系統(tǒng)往往由一個平衡狀態(tài)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化后到達(dá)另一平衡態(tài)。如果中間狀態(tài)為非平衡態(tài)，則此過程稱非靜態(tài)過程。為從平衡態(tài)破壞到新平衡態(tài)建立所需的時間稱為弛豫時間。第76頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3、準(zhǔn)靜態(tài)過程如果一個熱力學(xué)系統(tǒng)過程在始末兩平衡態(tài)之間所經(jīng)歷的之中間狀態(tài)，可以近似當(dāng)作平衡態(tài)，則此過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程只有在進(jìn)行的“無限緩慢”的條件下才可能實現(xiàn)。對于實際過程則要求系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的特征時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弛豫時間才可近似看作準(zhǔn)靜態(tài)過程。說明：系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)變化過程可用pV圖上的一條曲線表示，稱之為過程曲線。第77頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用第78頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：理想氣體的體積保持不變，V=const過程曲線：在PV圖上是一條平行于p軸的直線，叫等體線。內(nèi)能、功和熱量的變化特征：系統(tǒng)對外界不作功，系統(tǒng)吸收的熱量全部用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能。過程方程：（一）等體過程第79頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2、定體摩爾熱容定義1mol理想氣體在等體過程中，溫度升高1K時所吸收的熱量，稱為該物質(zhì)的定體摩爾熱容。等體過程的熱量公式系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)放出熱量氣體內(nèi)能的增量第80頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：理想氣體的壓強保持不變，p=const過程曲線：在PV圖上是一條平行于V軸的直線，叫等壓線。內(nèi)能、功和熱量的變化特征：系統(tǒng)吸收的熱量一部分用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部分使系統(tǒng)對外界作功。過程方程：（二）等壓過程第81頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2、定壓摩爾熱容定義1mol理想氣體在等壓過程中，溫度升高1K時所吸收的熱量，稱為該物質(zhì)的定壓摩爾熱容。等壓過程的熱量公式系統(tǒng)吸收熱量系統(tǒng)放出熱量氣體內(nèi)能的增量第82頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3、關(guān)于摩爾熱容的討論Mayer公式推導(dǎo)理想氣體的定壓摩爾熱容比定體摩爾熱容大一個恒量R在等體過程中，氣體吸收的熱量全部用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能等壓過程中，氣體吸收的熱量，一部分用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能，還有一部分用于氣體膨脹時對外界作功氣體升高相同的溫度，在等壓過程吸收的熱量要比在等溫過程中吸收的熱量多。第83頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月摩爾熱容比氣體理論值實驗值CV,mCP,mγCV,mCP,mγHe12.4720.781.6712.6120.951.66Ne12.5320.901.67H220.7820.091.4020.4728.831.41N220.5628.881.40O221.1629.611.40H2O24.9333.241.3327.836.21.31CH427.235.21.30CHCl363.772.01.13第84頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、比熱容1、熱容：使物質(zhì)溫度升高1K所需要的熱量稱為該物質(zhì)的熱容。2、比熱容：單位質(zhì)量的熱容稱為比熱容。第85頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：理想氣體的溫度保持不變，T=const過程曲線：在PV圖上是一條雙曲線，叫等溫線。過程方程：pV內(nèi)能、功和熱量的變化系統(tǒng)從外界吸收的熱量，全部用來對外作功。（三）等溫過程第86頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的過程，Q=0。內(nèi)能和功的變化特征：在絕熱過程中，系統(tǒng)對外界所作的功是由于系統(tǒng)內(nèi)能的減少來完成的。（四）絕熱過程第87頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2、絕熱方程推導(dǎo)：對絕熱過程，由熱力學(xué)第一定律對于理想氣體考慮將上式與理想氣體的狀態(tài)方程結(jié)合即可得另外兩式。第88頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月絕熱過程計算功的方法將絕熱方程代入得第89頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月絕熱線和等溫線絕熱線等溫線斜率斜率因為=CP,m/CV,m1，所以絕熱線比等溫線更陡第90頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第一定律給出了各種形式的能量在相互轉(zhuǎn)化過程中必須遵循的規(guī)律，但并未限定過程進(jìn)行的方向。觀察與實驗表明，自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都是不可逆的，或者說是有方向性的。對這類問題的解釋需要一個獨立于熱力學(xué)第一定律的新的自然規(guī)律，即熱力學(xué)第二定律。四、熱力學(xué)第二定律第91頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）可逆過程和不可逆過程1、引入：熱傳遞：正過程——熱量從高溫物體→低溫物體，成立逆過程——熱量從低溫物體→高溫物體，不成立熱功轉(zhuǎn)換：正過程——功→熱量，成立逆過程——熱量→功，不成立熱力學(xué)的過程是有方向的。2、定義：在系統(tǒng)狀態(tài)的變化過程中，系統(tǒng)由一個狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過某一過程達(dá)到另一狀態(tài)，如果存在另一個過程，它能使系統(tǒng)和外界完全恢復(fù)原來的狀態(tài)（即系統(tǒng)回到原來狀態(tài)，同時原過程對外界引起的一切影響）則這樣的過程稱為可逆過程；反之，如果用任何曲折復(fù)雜的方法都不能使系統(tǒng)和外界完全恢復(fù)原來的狀態(tài)，則這樣的過程稱為不可逆過程。第92頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3、可逆過程的條件過程要無限緩慢地進(jìn)行，即屬于準(zhǔn)靜態(tài)過程；過程無耗散（沒有摩擦力、粘滯力或其它耗散力作功）。即