大學物理-第七章

大學物理熱力學基礎(chǔ)/07本章導讀3在熱學中，熱力學是宏觀理論，統(tǒng)計物理是微觀理論。微觀理論的結(jié)論需由宏觀熱力學驗證，而宏觀熱力學的規(guī)律經(jīng)微觀理論分析后可進一步揭示其本質(zhì)，兩者是相輔相成、緊密聯(lián)系的。前一章我們介紹了微觀理論中的氣體動理論，本章我們將主要介紹宏觀熱力學基礎(chǔ)。7.1熱力學第零定律熱力學第零定律：如果兩個物體都與處于確定狀態(tài)的第三物體處于熱平衡，則這兩個物體彼此處于熱平衡。處于熱平衡狀態(tài)的所有物體都具有共同的宏觀性質(zhì)：它們的冷熱程度相等。這個宏觀性質(zhì)就是溫度。因此，溫度是決定一個物體是否與其他物體處于熱平衡的宏觀性質(zhì)。7.2準靜態(tài)過程中氣體做功7.2.1熱力學系統(tǒng)及準靜態(tài)過程熱力學系統(tǒng)孤立系統(tǒng)與外界既無物質(zhì)交換也無能量交換的系統(tǒng)封閉系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換但有能量交換的系統(tǒng)開放系統(tǒng)與外界既有物質(zhì)交換也有能量交換的系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間發(fā)生變化的過程稱為熱力學過程，簡稱過程。熱力學過程是由一系列的中間狀態(tài)組成的。準靜態(tài)過程：是指該過程進行得足夠緩慢，以致系統(tǒng)連續(xù)經(jīng)歷的每一個中間狀態(tài)都可視為平衡態(tài)。曲線就表示系統(tǒng)由A態(tài)到B態(tài)的某一準靜態(tài)過程。7.2準靜態(tài)過程中氣體做功7.2.1熱力學系統(tǒng)及準靜態(tài)過程內(nèi)能是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)。7.2準靜態(tài)過程中氣體做功7.2.2內(nèi)能、做功及傳熱1．內(nèi)能7.2準靜態(tài)過程中氣體做功7.2.2內(nèi)能、做功及傳熱2．做功7.2準靜態(tài)過程中氣體做功7.2.2內(nèi)能、做功及傳熱2．做功7.2準靜態(tài)過程中氣體做功7.2.2內(nèi)能、做功及傳熱3．傳熱利用溫度差在物體之間傳遞熱運動能量的方式稱為傳熱。在這個過程中，系統(tǒng)與外界之間通過傳熱所交換的運動能量稱為熱量，用Q表示。熱量的本質(zhì)是能量，在國際單位制中，其單位為焦耳（J）。做功和傳熱都是改變系統(tǒng)內(nèi)能的方式，即功和熱量都是系統(tǒng)能量變化的量度。做功和傳熱的微觀本質(zhì)是不同的。，，7.3.1熱力學第一定律7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用熱力學第一定律：系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部分用于系統(tǒng)對外做功。熱力學第一定律也可表述為：第一類永動機是不可能制造成的。為了便于應(yīng)用熱力學第一定律，作如下規(guī)定：系統(tǒng)從外界吸收熱量，Q為正，系統(tǒng)向外界放出熱量，Q為負；系統(tǒng)對外做功，W為正，外界對系統(tǒng)做功，W為負；系統(tǒng)內(nèi)能增加，ΔE為正，系統(tǒng)內(nèi)能減少，ΔE為負。例題講解1，，，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用例題講解1，，，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用7.3.2熱力學第一定律的應(yīng)用，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用熱力學第一定律可以應(yīng)用于任何熱力學系統(tǒng)的任何熱力學過程。7.3.2熱力學第一定律的應(yīng)用，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用1．等容過程7.3.2熱力學第一定律的應(yīng)用，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用1．等容過程7.3.2熱力學第一定律的應(yīng)用，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用2．等壓過程7.3.2熱力學第一定律的應(yīng)用，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用2．等壓過程7.3.2熱力學第一定律的應(yīng)用，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用3．等溫過程7.3.2熱力學第一定律的應(yīng)用，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用4．絕熱過程例題講解2，，，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用例題講解3，，，，7.3熱力學第一定律及其應(yīng)用，，7.4.1循環(huán)過程7.4循環(huán)過程循環(huán)過程：系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列變化過程后，又回到原來狀態(tài)的過程。循環(huán)過程進行的方向在曲線上用箭頭表示，按順時針方向進行的循環(huán)過程稱為正循環(huán)，按逆時針方向進行的循環(huán)過程稱為逆循環(huán)。，，7.4.1循環(huán)過程7.4循環(huán)過程1．正循環(huán)及熱機效率熱機：能夠?qū)崮艹掷m(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ难b置，如蒸汽機、內(nèi)燃機、發(fā)動機等。

熱機是以正循環(huán)為其工作過程的。例題講解4，，，，7.4循環(huán)過程例題講解4，，，，7.4循環(huán)過程，，7.4.1循環(huán)過程7.4循環(huán)過程2．逆循環(huán)及制冷系數(shù)我們把能夠利用外界對系統(tǒng)做功將熱量從低溫熱源傳入高溫熱源，從而獲得低溫的裝置稱為制冷機，如空調(diào)、冰箱等。制冷機是以逆循環(huán)為其工作過程的。，，7.4.2卡諾循環(huán)7.4循環(huán)過程卡諾循環(huán)中，工作物質(zhì)只與兩個恒溫熱源交換熱量，其循環(huán)曲線由兩條等溫線和兩條絕熱線組成，如圖所示。按卡諾循環(huán)工作的熱機稱為卡諾熱機。如圖所示，ABCDA為一卡諾循環(huán)過程。卡諾循環(huán)的工作過程如圖所示，它可以看作是工作于兩個恒溫熱源之間的準靜態(tài)過程。例題講解5，，，，7.4循環(huán)過程例題講解5，，，，7.4循環(huán)過程，，7.5.1熱力學第二定律的兩種表述7.5熱力學第二定律1．開爾文表述熱力學第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱源吸熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。也可簡述為，第二類永動機是不可能制造成的。單一熱源是指溫度均勻且恒定不變的熱源。其他影響是指除從單一熱源吸熱和把所吸的熱用來做功以外的任何變化。，，7.5.1熱力學第二定律的兩種表述7.5熱力學第二定律2．克勞修斯表述熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體，而不引起其他變化。不需要外界做功，熱量便能自動地從低溫物體傳遞到高溫物體。但大量實踐表明，要使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，必須有外界做功才能實現(xiàn)。，，7.5.2自發(fā)過程的方向性7.5熱力學第二定律如果開爾文表述成立，則克勞修斯表述也成立；反之，如果克勞修斯表述成立，則開爾文表述也成立。實際經(jīng)驗表明，不僅是熱功轉(zhuǎn)換和熱傳導過程具有方向性，一切自發(fā)過程（不受外界影響系統(tǒng)內(nèi)部自動發(fā)生的過程）的進行都具有一定的方向性，其逆過程雖不違背熱力學第一定律，但卻不能自動進行。，，7.5.3可逆過程與不可逆過程7.5熱力學第二定律可逆過程：一個系統(tǒng)，從某一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)某一過程到達另一狀態(tài)，如果此過程反向進行，能夠重復原來過程的每一狀態(tài)，并使系統(tǒng)重新回到初狀態(tài)，同時消除原來過程對外界引起的一切影響；不可逆過程：反之，如果過程反向進行，不能重復原來過程的每一狀態(tài)回到初狀態(tài)，或即使系統(tǒng)回到初狀態(tài)，但外界不能完全復原。，，7.5.4卡諾定理7.5熱力學第二定律本章小結(jié)1．熱力學第零定律，，，，如果兩個物體都與處于確定狀態(tài)的第三物體處于熱平衡，則該兩個物體彼此處于熱平衡，這個定律稱為熱力學第零定律。2．熱力學系統(tǒng)及準靜態(tài)過程熱力學系統(tǒng)可分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)三類。準靜態(tài)過程是指該過程進行得足夠緩慢，以致系統(tǒng)連續(xù)經(jīng)歷的每一個中間狀態(tài)都可視為平衡態(tài)。本章小結(jié)3．內(nèi)能、做功及傳熱，，，，本章小結(jié)4．熱力學第一定律及其應(yīng)用，，，，（1）系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列變化過程后，又回到原來狀態(tài)的過程稱為循環(huán)過程。人們把能夠?qū)崮艹掷m(xù)地轉(zhuǎn)變