大學(xué)物理課件

同學(xué)們好!同學(xué)們好!研究對象熱運(yùn)動(dòng)：構(gòu)成宏觀物體的大量微觀粒子的永不休止的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。熱現(xiàn)象：與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)的變化。熱學(xué)是研究自然界中一切熱現(xiàn)象和熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科根據(jù)研究方法和角度的不同分子物理學(xué)（第6章）熱力學(xué)（第5章）第二篇熱學(xué)研究對象熱運(yùn)動(dòng)：構(gòu)成宏觀物體的大量微觀粒子的永不休熱現(xiàn)象：與它包括分子物理學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)方面：

分子物理學(xué)(更普遍地稱為統(tǒng)計(jì)物理學(xué)):

是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，認(rèn)為物體的宏觀性質(zhì)是大量分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的平均效果,用統(tǒng)計(jì)的方法研究物體的宏觀性質(zhì)。能對熱現(xiàn)象本質(zhì)進(jìn)行理論解釋

熱力學(xué):

是從能量守恒和轉(zhuǎn)化的角度來研究熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。它根據(jù)由觀察和實(shí)驗(yàn)所總結(jié)出的基本規(guī)律(主要是熱力學(xué)第一定律、第二定律等)，用邏輯推理的方法，研究物體的宏觀性質(zhì)及宏觀過程進(jìn)行的方向和限度等。不能闡述熱現(xiàn)象的本質(zhì)相輔相成系統(tǒng)的宏觀描述與微觀描述它包括分子物理學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)方面：分子物理學(xué)(更普遍地稱1.宏觀物體是由大量分子組成2.分子在做永不停息的無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)3.分子之間有相互作用力(斥力和引力)分子運(yùn)動(dòng)論的基本觀點(diǎn)：分子直徑數(shù)量級：10-10m分子質(zhì)量數(shù)量級：10-27kg1mol任何物質(zhì)含有相同的分子數(shù)，即1.物質(zhì)是由大量分子組成的石墨表面炭原子的排列1.宏觀物體是由大量分子組成分子運(yùn)動(dòng)論的基本觀點(diǎn)：分子直徑數(shù)2.物質(zhì)分子在不停地做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)

分子、原子微粒無規(guī)則運(yùn)動(dòng)遵守經(jīng)典力學(xué)或量子力學(xué)規(guī)律。擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動(dòng)可以表明這一點(diǎn)。3.分子之間存在相互作用力引力斥力二者大小隨分子間距的變化而變化2.物質(zhì)分子在不停地做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)分子、原子微粒無

熱力學(xué)的是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論，以大量的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯推理得出物質(zhì)系統(tǒng)宏觀性質(zhì)直接的聯(lián)系，進(jìn)而揭示熱現(xiàn)象的有關(guān)規(guī)律。第5章熱力學(xué)基礎(chǔ)

本章教學(xué)內(nèi)容:◆熱力學(xué)狀態(tài)及其描述◆熱力學(xué)第零定律溫度◆功熱量內(nèi)能◆熱力學(xué)第一定律◆熱力學(xué)第二定律卡諾定理◆*熵熵增原理◆*

熱力學(xué)第三定律

循環(huán)過程卡諾循環(huán)熱力學(xué)的是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論，以大量的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和實(shí)教學(xué)基本要求：一、掌握內(nèi)能、功和熱量等概念；理解準(zhǔn)靜態(tài)過程.二、掌握熱力學(xué)第一定律，能分析、計(jì)算理想氣體在等體、等壓、等溫和絕熱過程中的功、熱量和內(nèi)能的改變量.三、理解循環(huán)的意義和循環(huán)過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，會計(jì)算卡諾循環(huán)和其他簡單循環(huán)的效率.四、了解可逆過程和不可逆過程，了解熱力學(xué)第二定律和熵增加原理以及熱力學(xué)第三定律.教學(xué)基本要求：一、掌握內(nèi)能、功和熱量等概念；理解準(zhǔn)靜態(tài)過程.§5.1熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)系統(tǒng)外界大量粒子組成的宏觀、有限的體系；其相鄰環(huán)境稱為外界。開放系統(tǒng)封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)與外界有m、E

交換與外界有E

交換，無m

交換與外界無E、m

交換絕熱例開放系統(tǒng)封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)§5.1熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)系統(tǒng)外界大量粒子組成熱力學(xué)：即熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)（宏觀物理性質(zhì)）及狀態(tài)變化（宏觀物理過程）的規(guī)律。

一個(gè)孤立系統(tǒng)若不受外界影響（無物質(zhì)和能量交換），則系統(tǒng)的宏觀特性（如溫度、壓強(qiáng)等）長時(shí)間不隨時(shí)間改變的狀態(tài)稱為平衡態(tài)。

處于平衡態(tài)中的氣體，其分子仍不停作熱運(yùn)動(dòng)，但其總體平均效果不隨時(shí)間改變，是一種動(dòng)態(tài)平衡。平衡態(tài)、狀態(tài)參量

描述平衡態(tài)的參量稱為狀態(tài)參量，如體積、壓強(qiáng)、溫度等。氣體處于平衡態(tài)的標(biāo)志是狀態(tài)參量P、V、T各具有確定的量值，且不隨時(shí)間變化。熱力學(xué)：即熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)（宏觀物理性質(zhì)）一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)變化——熱力學(xué)過程非靜態(tài)過程:

中間狀態(tài)不是平衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)過程:（平衡過程）過程進(jìn)行得足夠緩慢中間狀態(tài)—

平衡態(tài)氣體等溫膨脹例：氣體自由膨脹系統(tǒng)狀態(tài)變化——熱力學(xué)過程非靜態(tài)過程:中間狀態(tài)不是平衡態(tài)準(zhǔn)相平面相圖以狀態(tài)參量為坐標(biāo)變量平衡態(tài)——

對應(yīng)相圖中的點(diǎn)平衡過程——

對應(yīng)相圖中的線(準(zhǔn)靜態(tài)過程)例：等溫、等壓、等體過程的相圖相平面相圖以狀態(tài)參量為坐標(biāo)變量平衡態(tài)——對應(yīng)相圖中的（1）引入溫度參量的實(shí)驗(yàn)依據(jù)——熱力學(xué)第零定律如果物體A、B分別各自與處在同一狀態(tài)的物體C達(dá)到熱平衡，那么，A與B也處于熱平衡。CABAB達(dá)到熱平衡的物體溫度相同——熱力學(xué)第零定律§5.2熱力學(xué)第零定律溫度（1）引入溫度參量的實(shí)驗(yàn)依據(jù)——熱力學(xué)第零定律如果物體A、B（2）溫標(biāo)——溫度的數(shù)值表示法攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)理想氣體溫標(biāo)溫標(biāo)的分類：規(guī)定水在1個(gè)大氣壓下的冰點(diǎn)為0度，沸點(diǎn)為100度，中間的溫度以水銀的體積膨脹為準(zhǔn)，單位℃在理想氣體存在的范圍內(nèi)，它和熱力學(xué)溫標(biāo)一致規(guī)定水在1個(gè)大氣壓下的冰點(diǎn)為273.16K（2）溫標(biāo)——溫度的數(shù)值表示法攝氏溫標(biāo)溫標(biāo)的分類：規(guī)定水在熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律一、系統(tǒng)內(nèi)能E廣義：

系統(tǒng)內(nèi)所有粒子各種能量總和（平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)能量、化學(xué)能、原子能、核能...）不包括系統(tǒng)整體機(jī)械能狹義：所有分子熱運(yùn)動(dòng)能量和分子間相互作用勢能例：實(shí)際氣體理想氣體§5.3內(nèi)能功熱量熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律一、系統(tǒng)內(nèi)能E廣義：系1.內(nèi)能E是狀態(tài)函數(shù)內(nèi)能變化△E只與初末狀態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)過的過程無關(guān)，可以在初、末態(tài)間任選最簡便的過程進(jìn)行計(jì)算。二、功和熱量注意：非靜態(tài)過程不適用1.準(zhǔn)靜態(tài)過程的體積功做功熱傳遞2.

內(nèi)能變化方式1.內(nèi)能E是狀態(tài)函數(shù)二、功和熱量注意：非靜態(tài)過程不適用示功圖：p-V圖上過程曲線下的面積系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功循環(huán)過程的功示功圖：p-V圖上過程曲線下的面積系統(tǒng)對外界做功外界對思考：注意：功是過程量過程不同，曲線下面積不同（可正、可負(fù)、可零）思考：注意：功是過程量過程不同，曲線下面積不同（可正、可負(fù)、2.熱量和熱容量中學(xué)比熱熱容量:摩爾熱容量:等體摩爾熱容:等壓摩爾熱容：注意：熱量是過程量2.熱量和熱容量中學(xué)比熱熱容量:摩爾熱容量:3.A與Q比較E改變方式特點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換量度做功熱傳遞與宏觀位移相聯(lián)系通過非保守力做功實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)A與溫差相聯(lián)系,通過分子碰撞實(shí)現(xiàn)熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)Q在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，A、Q、△E

間數(shù)量關(guān)系，包含熱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍的能量守恒定律熱力學(xué)第一定律3.A與Q比較E改變方式特點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換量度做功熱傳§5.4熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用一、熱力學(xué)第一定律準(zhǔn)靜態(tài):dQ=dE+pdV理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過程:1.數(shù)學(xué)形式:系統(tǒng)從外界吸熱=

內(nèi)能增量+

系統(tǒng)對外界做功微小過程：dQ=dE+dA§5.4熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用一、熱力學(xué)第一定律準(zhǔn)靜態(tài)2.物理意義：涉及熱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換及守恒定律3.其它表述：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的第一類永動(dòng)機(jī)：系統(tǒng)不斷經(jīng)歷狀態(tài)變化后回到初態(tài)，不消耗內(nèi)能，不從外界吸熱，只對外做功。違反熱力學(xué)第一定律即：2.物理意義：涉及熱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換及守恒定律3.二、對理想氣體的應(yīng)用等值過程

等體過程

等壓過程

等溫過程絕熱過程1）過程方程查理定律1.等體過程（dV=0V=c)二、對理想氣體的應(yīng)用等值過程等體過程等壓過程2）熱力學(xué)第一定律的具體形式3）等體摩爾熱容單原子分子氣體雙原子分子（剛性）吸熱全部用于增加內(nèi)能:由得注意:做功：吸熱：內(nèi)能增量：2）熱力學(xué)第一定律的具體形式3）等體摩爾熱容單原子分子氣體2.等壓過程（dp=0p=c)1)過程方程蓋·呂薩克定律2)熱力學(xué)第一定律的具體形式做功：吸熱：內(nèi)能增量：2.等壓過程（dp=0p=c)1)過程3)等壓摩爾熱容邁耶公式泊松比單原子分子氣體雙原子剛性分子3)等壓摩爾熱容邁耶公式泊松比單原子分子氣體雙原子剛性分討論:討論:3.等溫過程（dT=0T=c)1）過程方程玻意耳—

馬略特定律2）熱力學(xué)第一定律的具體形式吸熱全部用于對外做功內(nèi)能增量：做功：吸熱：3.等溫過程（dT=0T=c)1）過程方3）摩爾熱容4.絕熱過程特點(diǎn)：dQ=0絕熱材料快速進(jìn)行（如氣體自由膨脹）3）摩爾熱容4.絕熱過程特點(diǎn)：dQ=0絕熱材料快速進(jìn)1）過程方程熱力學(xué)第一定律條件:準(zhǔn)靜態(tài):理想氣體：消去dT1）過程方程熱力學(xué)第一定律條件:準(zhǔn)靜態(tài):理想氣體：消去dT2）絕熱線絕熱線:比等溫線陡等溫線：

pV=恒量雙曲線過pV圖中某點(diǎn)(A)微觀解釋:等溫絕熱2）絕熱線絕熱線:比等溫線陡等溫線：pV=恒量3)熱力學(xué)第一定律的具體形式4)摩爾熱容?吸熱：內(nèi)能增量：做功：3)熱力學(xué)第一定律的具體形式4)摩爾熱容?吸熱：pVo5.*多方過程

(一般情況)

pVo5.*多方過程(一般情況)大學(xué)物理課件大學(xué)物理課件小結(jié)：2.A：準(zhǔn)靜態(tài)過程非靜態(tài)過程Q：等體絕熱Q=0等溫（準(zhǔn)靜態(tài)）等壓小結(jié)：2.A：準(zhǔn)靜態(tài)過程非靜態(tài)過程Q：等體絕熱練習(xí)1

理想氣體自由膨脹，去掉隔板實(shí)現(xiàn)平衡后壓強(qiáng)p=?由絕熱方程解一:解二:哪一個(gè)解對？為什么?*絕熱方程對非靜態(tài)過程不適用練習(xí)1理想氣體自由膨脹，去掉隔板實(shí)現(xiàn)平衡后壓強(qiáng)p=

一定量的理想氣體，在p—T

圖上沿著一條直線從平衡態(tài)

a變化到b則這是一個(gè)：（）(A)絕熱膨脹（B）等容吸熱

(C)吸熱壓縮（D）吸熱膨脹練習(xí)2解：由氣體狀態(tài)方程可得答案:（D）abp2p1T1T2Tp0一定量的理想氣體，在p—T圖上沿著一條直線從平衡態(tài)a練習(xí)3理想氣體的下列過程，哪些是不可能發(fā)生的？（1）等體加熱，內(nèi)能減少，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)能增加答案：不可能發(fā)生的有：（1），（2），（3）練習(xí)3理想氣體的下列過程，哪些是不可能發(fā)生的？（1）等體加§5.5循環(huán)過程卡諾循環(huán)熱力學(xué)：緊密圍繞熱機(jī)的研究和應(yīng)用熱機(jī)：將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器，其工作特點(diǎn)是工作物質(zhì)重復(fù)進(jìn)行某些過程，不斷吸熱做功一、循環(huán)過程定義：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列變化后又回到初始狀態(tài)的整個(gè)過程叫循環(huán)過程。準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程—相圖中的閉合曲線順時(shí)針：正循環(huán)逆時(shí)針：逆循環(huán)§5.5循環(huán)過程卡諾循環(huán)熱力學(xué)：緊密圍繞熱機(jī)的研究d2.共同特征熱力學(xué)第一定律：3.正循環(huán)及其效率特征:從外界吸熱—對外做功熱機(jī)的循環(huán):Ad2.共同特征熱力學(xué)第一定律：3.正循環(huán)及其效率特征:從實(shí)例：蒸汽機(jī)的循環(huán)效率:實(shí)例：蒸汽機(jī)的循環(huán)效率:推廣到一般情況——熱機(jī)的能量轉(zhuǎn)換:從高溫?zé)嵩次鼰幔赡懿恢挂粋€(gè)）向低溫?zé)嵩捶艧幔赡懿恢挂粋€(gè)）對外做功效果代價(jià)熱機(jī)效率:推廣到一般情況——熱機(jī)的能量轉(zhuǎn)換:從高溫?zé)嵩次鼰幔赡懿恢挂焕?注意是T-V

圖（斯特林循環(huán)）例一:注意是T-V圖（斯特林循環(huán)）總吸熱總放熱總吸熱總放熱4.逆循環(huán)及致冷系數(shù)特點(diǎn):外界對系統(tǒng)做功——系統(tǒng)向外界放熱致冷機(jī)的循環(huán):4.逆循環(huán)及致冷系數(shù)特點(diǎn):外界對系統(tǒng)做功——系統(tǒng)向外界放熱實(shí)例：電冰箱能量轉(zhuǎn)換：外界對系統(tǒng)做功A從低溫?zé)嵩次鼰幔ㄐЧù鷥r(jià)）向高溫?zé)嵩捶艧嶂吕湎禂?shù)：注意：這里的Q2僅是循環(huán)過程中系統(tǒng)從冷庫吸

收的熱量——衡量致冷的效果。實(shí)例：電冰箱能量轉(zhuǎn)換：外界對系統(tǒng)做功A從低溫?zé)嵩次鼰幔ㄐЧ榻B：

空調(diào)機(jī)的循環(huán)冷泵（A)房間大氣室內(nèi)降溫（對房間致冷）熱泵（A)大氣房間室內(nèi)升溫（對大氣致冷）季節(jié)作用低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩葱Ч奶於霢Q2Q1夏天AQ2Q1冬天介紹：空調(diào)機(jī)的循環(huán)冷泵（A)房間大氣室內(nèi)降溫（對房間致冷）二、卡諾循環(huán)卡諾，SadiCarnot(1796—1832)法國青年工程師，熱力學(xué)創(chuàng)始人之一。1.

研究循環(huán)過程的理想模型——卡諾循環(huán)思考：試設(shè)想最簡單的循環(huán)模型PV0PV0是否最簡單？要無窮多個(gè)熱源才能得以實(shí)現(xiàn)，外形簡單，實(shí)際復(fù)雜。二、卡諾循環(huán)卡諾，SadiCarnot(1796—卡諾循環(huán)：工質(zhì)只與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q能量的準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)卡諾正循環(huán)卡諾逆循環(huán)如何在P—V

圖中表示？怎樣才簡單？熱源最少!卡諾循環(huán)：工質(zhì)只與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q能量的準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)卡諾正循環(huán)特點(diǎn):簡單，只需要兩個(gè)熱源重要，可以組成任何一種循環(huán)1）與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q能量2）不與其它熱源交換能量——兩個(gè)等溫過程——兩個(gè)絕熱過程特點(diǎn):簡單，只需要兩個(gè)熱源重要，可以組成任何一種循環(huán)1）與兩高溫T1低溫T2高溫T1低溫T2Q1Q2A=Q1-Q2Q2A

Q1=A+Q2

卡諾循環(huán)過程：例如：正循環(huán)ABCDA高溫T1低溫T2高溫T1低溫T2Q1Q2A=Q1-Q22.理想氣體的卡諾循環(huán)1）正循環(huán)的效率等溫過程：絕熱過程：p2.理想氣體的卡諾循環(huán)1）正循環(huán)的效率等溫過程：絕熱過程大學(xué)物理課件1.卡諾機(jī)必須有兩個(gè)熱源；其效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩熱源溫度有關(guān)。

越小越好，但低溫?zé)嵩吹臏囟葹橥饨绱髿獾臏囟?，不宜人為地改變，只能提高高溫?zé)嵩礈囟?。注?1.卡諾機(jī)必須有兩個(gè)熱源；其效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩熱源p等溫過程：絕熱過程：2)逆循環(huán)的致冷系數(shù)p等溫過程：絕熱過程：2)逆循環(huán)的致冷系數(shù)大學(xué)物理課件注意:對一切循環(huán)適用只對卡諾循環(huán)適用注意:對一切循環(huán)適用只對卡諾循環(huán)適用練習(xí)1.一卡諾機(jī)進(jìn)行如圖兩個(gè)循環(huán)，請判斷那項(xiàng)正確：（1）（2）（3）（4）答案：（4）正確練習(xí)1.一卡諾機(jī)進(jìn)行如圖兩個(gè)循環(huán)，請判斷那項(xiàng)正確：（1）（2兩個(gè)循環(huán)過程：過程2

1—2等溫、2—3’等體

3’—4等壓、4—1絕熱。過程1

1—2等溫、2—3絕熱

3—4等壓、4—1絕熱。試比較哪個(gè)過程熱機(jī)效率高?練習(xí)2.兩個(gè)過程吸熱是一樣的,但循環(huán)面積不同，循環(huán)過程作功不同，解答：兩個(gè)循環(huán)過程：過程21—2等溫、2—3’等體過程1

將一臺家用電冰箱視為理想卡諾致冷機(jī)，放在

求做一盤冰所需的功，所需時(shí)間，所要求的電功率各為多少？練習(xí)3.將一臺家用電冰箱視為理想卡諾致冷機(jī)，放在求解：致冷系數(shù)解：致冷系數(shù)進(jìn)行如圖循環(huán)過程求：練習(xí)4.