1熱學(xué)-4-1(基礎(chǔ)物理課堂講稿下第九講)

第四章熱力學(xué)第一定律第九講4.1熱力學(xué)過(guò)程和準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程4.2熱力學(xué)第一定律4.3熱力學(xué)第一定律在關(guān)于物體性質(zhì)討論中的應(yīng)用4.4熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用4.5循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)4.1熱力學(xué)過(guò)程和準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程熱力學(xué)過(guò)程：熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間的變化。熱力學(xué)過(guò)程分準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程:視中間狀態(tài)近似為平衡態(tài).→要求過(guò)程進(jìn)展足夠緩慢

VPⅠⅡ0●熱力學(xué)過(guò)程及準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的概念

在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，P-V圖中曲線(xiàn)上每一點(diǎn)都視為平衡態(tài)。目的：建立物理模型，采用平衡態(tài)公式近似解決實(shí)際問(wèn)題,并給實(shí)際研究指出方向。非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程:不能視中間狀態(tài)近似為平衡態(tài).

→過(guò)程進(jìn)展快●實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的可能性及條件條件：中間態(tài)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)各部分之間以及與外界之間須滿(mǎn)足力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等平衡條件具體要求：系統(tǒng)的弛豫時(shí)間小于過(guò)程的特征時(shí)間參見(jiàn)教材P123中舉例……4.2熱力學(xué)第一定律◆能量守恒定律物質(zhì)→運(yùn)動(dòng)→能量運(yùn)動(dòng)形式多樣→機(jī)械能、熱能、電能、化學(xué)能等力學(xué)方面：惠更斯研究完全彈性碰撞→機(jī)械能守恒化學(xué)方面：1810年拉瓦錫實(shí)驗(yàn):豚鼠吃過(guò)食物后發(fā)出的動(dòng)物熱與等量的食物直接化學(xué)過(guò)程燃燒所發(fā)的熱接近相等→化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)換熱學(xué)方面：1798年湯普森研究摩擦生熱→功與熱轉(zhuǎn)換電磁學(xué)方面：1845法拉第的電磁感應(yīng)→電能與磁能相互轉(zhuǎn)換1840焦耳的熱效應(yīng)IR2→電能與熱能相互轉(zhuǎn)換1950年恩格斯(英)→全面名稱(chēng)→能量轉(zhuǎn)化與守恒定律19世紀(jì)的三大自然發(fā)現(xiàn)：

達(dá)爾文進(jìn)化論;細(xì)胞學(xué)說(shuō);能量轉(zhuǎn)化與守恒定律1950年克勞修斯(德)→數(shù)學(xué)形式:1848年邁爾(德)1847年赫姆霍茲(德)1849年焦耳(英)對(duì)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律作出了明確敘述能量守恒定律：自然界中一切物體都具有能量，能量有多種不同形式,它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體,在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程中能量的總量不變。注：dU是微分；dQ，dW是無(wú)限小量.其微分形式：◆熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律)：其中：Ui

:系統(tǒng)初內(nèi)能；Uf:系統(tǒng)末內(nèi)能.

Q

>0:系統(tǒng)從外界吸收的熱量；Q

<0:系統(tǒng)從外界吸收負(fù)熱量或系統(tǒng)向外界釋放熱量Q′=-Q>0

W>0:外界對(duì)系統(tǒng)作正功;W<0:外界對(duì)系統(tǒng)作負(fù)功或系統(tǒng)對(duì)外界正功W′=-W>0◆內(nèi)能---熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部能量U

Uk:系統(tǒng)中所有微觀(guān)粒子動(dòng)能總和UP:系統(tǒng)中所有微觀(guān)粒子間相互作用勢(shì)能的總和每個(gè)分子的熱運(yùn)動(dòng)平動(dòng)動(dòng)能平均值：粒子間相互作用能Up與粒子間距有關(guān)粒子間距與粒子數(shù)密度有關(guān)粒子數(shù)密度與系統(tǒng)體積V有關(guān)態(tài)函數(shù)(∵T,V確定,U便確定)但理想氣體，不考慮粒子間相互作用結(jié)論：理想氣體內(nèi)能U只是溫度T的函數(shù),是態(tài)函數(shù),可全微分?！魺崃?--熱學(xué)作用下轉(zhuǎn)移的能量系統(tǒng)與外界存在熱學(xué)相互作用→有溫差→熱平衡被破壞其效果：能量從高溫物體傳到低溫物體，使組成低溫物體的微觀(guān)粒子運(yùn)動(dòng)劇烈程度提高。能量在高低溫物體之間傳遞了多少----稱(chēng)為熱量顯然，熱量是過(guò)程量,與能量傳遞的過(guò)程與方式有關(guān)。因此，不能說(shuō)熱量是熱力學(xué)參數(shù)T、P、V的函數(shù)即:所以，熱量Q不是態(tài)函數(shù)。dQ僅是無(wú)限小量的含義，而不是全微分。為區(qū)別起見(jiàn)，將無(wú)窮小量dQ寫(xiě)成dQ。注意：Q與Q′的區(qū)別◆功---力學(xué)作用下轉(zhuǎn)移的能量系統(tǒng)與外界存在力學(xué)相互作用(廣義)→力學(xué)平衡條件被破壞外界對(duì)系統(tǒng)作功W：外界對(duì)系統(tǒng)作微元功△W：x顯然,W功與Q熱量一樣,是過(guò)程量，dW無(wú)窮小量。對(duì)于如圖，Vf末>Vi初∴外界對(duì)系統(tǒng)作負(fù)功W→系統(tǒng)對(duì)外正功W′ViVfVV+ΔVVp→曲線(xiàn)下面積→熱力學(xué)第一定律實(shí)際上就是包含熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律；說(shuō)明：熱功當(dāng)量：l卡(cal)=4.1867焦?fàn)?J)“熱量”是因T不同而交換的能量的量度.此定律只要求系統(tǒng)的初、末狀態(tài)是平衡態(tài)，至于過(guò)程中經(jīng)歷的各狀態(tài)則不一定是平衡態(tài)；適用于任何系統(tǒng)（氣、液、固）。4.3熱力學(xué)第一定律在關(guān)于物體性質(zhì)討論中的應(yīng)用●物體的熱容在一定條件下，系統(tǒng)升高1K時(shí)吸收或放出的熱量。摩爾熱容→單位質(zhì)量熱容→◎定體熱容：(定體)(常用)◎定壓熱容：新定義焓為：

是態(tài)函數(shù),可全微分。●物體的內(nèi)能U和焓H前面己說(shuō)明：態(tài)函數(shù)全微分：注:T,p,V中只有兩個(gè)獨(dú)立積分：→求定體熱容：→求定壓熱容：對(duì)于理想氣體，因粒子間相互作用可忽略∴理想氣體內(nèi)能：定壓熱容：定體熱容：∴理想氣體焓：常用關(guān)系式：其中：(氣體泊松比)單原子氣體:剛體雙原子氣體:雙原子氣體:(低溫)(高溫)∵自由膨脹不作功，W=0說(shuō)明理想氣體內(nèi)能U和焓H都只是溫度T的函數(shù)即：

結(jié)論：理論與實(shí)驗(yàn)吻合。焦耳實(shí)驗(yàn)裝置如圖，溫度計(jì)無(wú)變化，說(shuō)明：·溫度計(jì)··········································●實(shí)際氣體的節(jié)流膨脹效應(yīng)焦耳-湯姆孫實(shí)驗(yàn)(多孔塞節(jié)流膨脹實(shí)驗(yàn),1852)節(jié)流效應(yīng)(焦耳-湯姆孫效應(yīng))：

實(shí)際氣體通過(guò)多孔塞節(jié)流膨脹后溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象節(jié)流有三個(gè)特點(diǎn)：①它是不可逆的絕熱過(guò)程,Q=0②初態(tài)與終態(tài)是等焓的,證明如下：節(jié)流前氣體(p1,V1,U1)→外界對(duì)系統(tǒng)作正功

p1V1節(jié)流后氣體(p2,V2,U2)→外界對(duì)系統(tǒng)作負(fù)功-p2V2∴節(jié)流前后外界對(duì)系統(tǒng)作凈功W=p1V1-p2V2由熱力學(xué)第一定律∵氣體過(guò)多孔塞須克服阻力作功而變成熱(證畢)▲理想氣體在節(jié)流膨脹前后溫度不變→U=U(T)▲實(shí)際氣體在節(jié)流膨脹前后溫度變化→U=U(T,p)③實(shí)驗(yàn)結(jié)果：焦耳-湯姆孫系數(shù)：節(jié)流→→節(jié)流正效應(yīng)—致冷

→節(jié)流負(fù)效應(yīng)—致熱

由在