2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：熱力學(xué)的基本函數(shù)

熱力學(xué)的基本函數(shù)2熱力學(xué)的基本函數(shù)本章是熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)利用在熱學(xué)中接觸過的內(nèi)容——熱力學(xué)第零定律、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出熱力學(xué)基本方程。TheFundamentalfunctionsofThermodynamics3第一節(jié)熱與熱量函數(shù)熱：不是一種物質(zhì)而是一種能量的形式，是一種傳送中的能量。熱量：是獲得熱的多少的物理量。當(dāng)系統(tǒng)與外界無做功相互作用時(shí)，熱量是系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。4熱量函數(shù)Q：在經(jīng)典熱力學(xué)中，熱量Q的計(jì)算經(jīng)常需借助熱容量來完成。因?yàn)闊崃颗c過程有關(guān)，故稱之為過程函數(shù)。熱量的本質(zhì)：受熱或具有一定溫度的物體會(huì)發(fā)出電磁波，我們稱之為熱輻射,

它就是傳統(tǒng)上所說的熱；而熱輻射內(nèi)能的變化就是傳統(tǒng)上所說的熱量。5熱力學(xué)發(fā)展第一階段:十七世紀(jì)末到十九世紀(jì)中葉

----熱量概念的演進(jìn)首先斯塔爾（GeorgErnstStahl）教授提出熱是一種燃素，后來荷蘭波哈維（HermannBoerhaave）教授甚至說熱是一種物質(zhì)。虎克認(rèn)為熱是物質(zhì)各部分激烈的運(yùn)動(dòng)，牛頓也認(rèn)為熱是粒子的運(yùn)動(dòng)。英國化學(xué)教授布雷克（JosephBlack）成功地澄清了熱量和溫度這兩個(gè)概念，同時(shí)提出相變時(shí)潛熱的概念，并暗示出不同物質(zhì)具有不同的“熱容量”，而他的學(xué)生而彎（W.Irvine）更是正確的提出了熱容量的概念。1777年，化學(xué)家拉瓦希（AntoineLaurentLavoisier）和拉普拉斯（PierreSimonMarquisdeLaplace）設(shè)計(jì)了一個(gè)所謂“拉普拉斯冰量熱器”，可以正確測(cè)出熱容量和潛熱。61784年麥哲倫（FerdinandMagellan）引進(jìn)潛熱的術(shù)語，同一時(shí)期威爾克（Wilcke）提出若把水的比熱定為1，則可以定出其他物質(zhì)的比熱，但是在這段期間人們依然認(rèn)為熱是一種物質(zhì)是正確的。1789年生于美國后到英國又到德國而受封的倫福伯爵（CountRumford）（原名BenjaminThompson）在慕尼黑監(jiān)督大炮鉆孔，發(fā)現(xiàn)熱是因摩擦而產(chǎn)生，因而斷言熱不是物質(zhì)而來自運(yùn)動(dòng)。1799年英國化學(xué)家，即后來的首任皇家研究院院長戴維（SirHumphryDavy）在維持冰點(diǎn)的真空容器中進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)即使是兩塊冰相互摩擦也有部分冰溶化為水，所以他認(rèn)為摩擦引起物體微粒的震動(dòng)，而這種振動(dòng)就是熱。無論是熱質(zhì)學(xué)說還是運(yùn)動(dòng)學(xué)說，都無法解釋輻射熱現(xiàn)象。1830年左右產(chǎn)生了所謂“波動(dòng)說”；1800年威廉發(fā)現(xiàn)了紅外線可以產(chǎn)生熱，這使得人們相信熱與光的本質(zhì)是相同的。7英國物理學(xué)家焦耳奠定了“能量守恒定律”，為熱力學(xué)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，同時(shí)，其理論亦造就了冷凍系統(tǒng)的發(fā)展，改善了普羅大眾的生活素質(zhì)。他是第一位研究熱能、機(jī)械能與電能的相互關(guān)系的科學(xué)家，也是第一位發(fā)現(xiàn)氣體自由膨脹時(shí)四周溫度會(huì)隨之下降的科學(xué)家。他花了近四十年的時(shí)間來證明功轉(zhuǎn)化為熱時(shí)，功和所產(chǎn)生的熱的比是一個(gè)恒定的值，即熱功當(dāng)量。8對(duì)于熱量：從平衡宏觀熱力學(xué)角度：有溫差才有能量的傳遞。因此宏觀上以有無溫差來幫助判斷傳輸?shù)哪芰渴欠袷菬崃?；宏觀熱力學(xué)非平衡態(tài)理論（特殊情況下），即使宏觀上無溫差也可傳輸物質(zhì)微粒不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量；統(tǒng)計(jì)物理中，可從微觀角度分析微粒不規(guī)則運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出的能量特征。910四、自由能和吉布斯函數(shù)等溫條件下，系統(tǒng)由初態(tài)A到達(dá)終態(tài)B.引入新函數(shù)自由能F=U-TS

則有：11F的最大功定理：等溫過程中，系統(tǒng)對(duì)外界所做的功-W不大于其自由能的減少?；虮硎鰹椋合到y(tǒng)自由能的減少是在等溫過程從系統(tǒng)所能獲得的最大功。簡(jiǎn)單的等溫等容過程中，W=0，有

（FB-FA）=ΔF≤0結(jié)論：在等溫等容過程中，系統(tǒng)的自由能永不增加，系統(tǒng)中發(fā)生的不可逆過程總是朝著自由能減少的方向進(jìn)行。自由能應(yīng)該是內(nèi)能的一部分。12定義狀態(tài)函數(shù)為吉布斯函數(shù)。

則

W1：除體積變化功外，其它形式的功。在等溫等壓條件下的系統(tǒng)13在等溫等壓過程中，除體積變化功外，系統(tǒng)對(duì)外所做的功不大于吉布斯函數(shù)的減少。即：吉布斯函數(shù)的減少是在等溫等壓過程中，除體積變化功外從系統(tǒng)所能獲得的最大功。假如沒有其它形式的功,W1=0