熱力學(xué)基礎(chǔ)課件

熱力學(xué)基礎(chǔ)9.1熱力學(xué)第一定律9.1.1

熱力學(xué)過(guò)程

開(kāi)放系統(tǒng):系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換,功和熱交換。過(guò)程：系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化，系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程。孤立系統(tǒng):系統(tǒng)與外界間既沒(méi)有物質(zhì)交換,又沒(méi)有功和熱交換.封閉系統(tǒng):系統(tǒng)與外界之間沒(méi)有物質(zhì)交換,只有功和熱

交換.明白兩個(gè)概念：系統(tǒng)、過(guò)程實(shí)際過(guò)程中，若系統(tǒng)狀態(tài)變化的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)間τ，可近似視為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程.VpOp2p1V2V1準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在p-V圖中為一條連續(xù)曲線(xiàn).內(nèi)燃機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)速度僅每秒十余米，其內(nèi)部的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度可達(dá)每秒數(shù)百米以上.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：當(dāng)過(guò)程進(jìn)行得無(wú)限緩慢時(shí)，系統(tǒng)的各狀態(tài)就無(wú)限地接近于平衡態(tài).氣體活塞砂子A2密度大氣體被迅速壓縮9.1.2內(nèi)能功熱量

1．內(nèi)能理想氣體，內(nèi)能只是溫度的單值函數(shù)，E=E(T

)。

2．功和熱量的等效性“做功”和“傳熱”都可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)，從而產(chǎn)生內(nèi)能的變化。改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種不同方法：“做功”和“傳熱”鉆木取火——通過(guò)做功的方式將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為物體的內(nèi)能?？净?/p>

——通過(guò)傳遞熱量提高物體內(nèi)能。

做功是將外界定向運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)能量，而傳熱是將外界分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)能量.功和熱量的差別：pSdl注意：做功與過(guò)程有關(guān).3．準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功氣體對(duì)外界做功功為P-V曲線(xiàn)下V1-V2間的面積12V2V1Vpo？為變力做功系統(tǒng)體積膨脹dV>0，對(duì)外做正功，A>0；系統(tǒng)體積縮小dV<0，外界對(duì)系統(tǒng)做正功，系統(tǒng)對(duì)外做負(fù)功A<0。4．熱容量

熱量熱容量:為系統(tǒng)中的物質(zhì)在某一過(guò)程中，溫度升高（或降低）1K，吸收（或放出）的熱量.摩爾熱容:

系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的量為1mol時(shí)的熱容，稱(chēng)摩爾熱容.等壓摩爾熱容（Cp,m)──系統(tǒng)在壓強(qiáng)保持不變的過(guò)程中的摩爾熱容.等體摩爾熱容（CV,m)──系統(tǒng)體積保持不變過(guò)程中的摩爾熱容.

摩爾熱容比（記作）(摩爾熱容在溫度變化的過(guò)程中為常量)溫度由T1變化到T2時(shí)所吸收的熱量熱容量與過(guò)程有關(guān)9.1.3熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律：外界向氣體做功與向系統(tǒng)傳遞熱量之和等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化量.又可表述為系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能增量和系統(tǒng)對(duì)外界做功之和.正負(fù)號(hào)規(guī)定：系統(tǒng)從外界吸收熱量，Q為正值，即；系統(tǒng)向外界放熱，Q為負(fù)值，即;無(wú)限小過(guò)程第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不存在.實(shí)質(zhì)：包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律.9.2

熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用9.2.1等體過(guò)程過(guò)程方程

常量?jī)?nèi)能增量：系統(tǒng)對(duì)外做功：熱量：V

=常量Q請(qǐng)同學(xué)們自主完成以下內(nèi)容過(guò)程方程：功：內(nèi)能增量：熱力學(xué)第一定律的形式：內(nèi)能增量：等體過(guò)程的熱力學(xué)第一定律:適用于其它過(guò)程在等體過(guò)程中理想氣體吸收的熱量全部用來(lái)增加內(nèi)能.微小過(guò)程經(jīng)典理論(統(tǒng)計(jì)和能量連續(xù)）有缺陷，需量子理論。低溫時(shí)，只有平動(dòng)，i=3；常溫時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)被激發(fā)，i=5；高溫時(shí)，振動(dòng)也被激發(fā)，i=7。氫氣T(K)5/2R7/2R502701000CV3/2R

CV值和實(shí)驗(yàn)比較,常溫（300k附近)下符合很好，而多原子分子氣體則較差。pQⅠⅡ9.2.2等壓過(guò)程過(guò)程p-V曲線(xiàn)過(guò)程方程

常量?jī)?nèi)能增量：系統(tǒng)做功：請(qǐng)同學(xué)們自主完成以下內(nèi)容過(guò)程方程：功：內(nèi)能增量：熱力學(xué)第一定律的形式：熱量：等壓過(guò)程的熱力學(xué)第一定律:——邁耶公式只對(duì)理想氣體因?yàn)樗栽诘葔哼^(guò)程中理想氣體吸收的熱量一部分用來(lái)增加內(nèi)能，另一部分用來(lái)對(duì)外做功。9.2.3等溫過(guò)程恒溫?zé)嵩碩ⅠⅡ過(guò)程方程

常量系統(tǒng)做功：或T=恒量請(qǐng)同學(xué)們自主完成以下內(nèi)容過(guò)程方程：功：內(nèi)能增量：熱力學(xué)第一定律的形式：內(nèi)能增量：等溫過(guò)程的熱力學(xué)第一定律:等溫過(guò)程系統(tǒng)從外界吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外做功.大爆炸后的宇宙溫度1039K實(shí)驗(yàn)室能夠達(dá)到的最高溫度108K太陽(yáng)中心的溫度1.5×107K太陽(yáng)表面的溫度6000K地球中心的溫度4000K水的三相點(diǎn)溫度273.16K微波背景輻射溫度2.7K實(shí)驗(yàn)室能夠達(dá)到的最低溫度（激光制冷）2.4×10-11K例1將500J的熱量傳給標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的2mol氫。（1）V不變，熱量變?yōu)槭裁矗繗涞臏囟茸優(yōu)槎嗌?？?）T不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的p變?yōu)槎嗌伲浚?）p不變，熱量變?yōu)槭裁矗繗涞腡

變?yōu)槎嗌?？解：?）Q=

E，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能Q=A，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ?）T

不變，500J熱量變?yōu)槭裁?？氫的p變?yōu)槎嗌伲?？Q=A+

E，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣蛢?nèi)能（3）p不變，熱量變?yōu)槭裁矗繗涞腡

變?yōu)槎嗌?？練?xí)：一定量的理想氣體經(jīng)歷acb過(guò)程時(shí)吸熱500J．則經(jīng)歷acbda過(guò)程時(shí)，吸熱為

(A)–1200J．(B)–700J．(C)–400J．(D)700J．

［B］

p(×105Pa)V(×10-3m3)abcdO14149.2.4準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程p絕熱材料

絕熱過(guò)程的熱力學(xué)第一定律:內(nèi)能增量或功請(qǐng)同學(xué)們自主完成以下內(nèi)容熱量：內(nèi)能增量：熱力學(xué)第一定律的形式：功：過(guò)程方程：絕熱過(guò)程方程等溫線(xiàn)與絕熱線(xiàn)絕熱線(xiàn)等溫線(xiàn)絕熱過(guò)程曲線(xiàn)比等溫過(guò)程曲線(xiàn)陡.絕熱過(guò)程：等溫過(guò)程：例

一定量的雙原子分子理想氣體裝在封閉的汽缸里．此汽缸有可活動(dòng)的活塞(活塞與氣缸壁之間無(wú)摩擦且無(wú)漏氣)，已知?dú)怏w的初壓強(qiáng)p1=1atm，體積V1=2L，現(xiàn)將該氣體在等體積下加熱直到壓強(qiáng)為原來(lái)的2倍，然后作絕熱膨脹，直到溫度下降到初溫為止。

（1）畫(huà)出p-V

過(guò)程曲線(xiàn)；（2）試求在整個(gè)過(guò)程中氣體內(nèi)能的增量；（3）試求在整個(gè)過(guò)程中氣體所吸收的熱量；

（4）試求在整個(gè)過(guò)程中氣體所作的功。

解（1）p－V圖如圖所示。

（3）整個(gè)過(guò)程的熱量2-3為絕熱過(guò)程，所以有Q23=0（2）1與3態(tài)溫度相同.1atm2atm=2L

J

（4）由熱力學(xué)第一定律,整個(gè)過(guò)程中氣體的功為

A=Q=5.06×102

J

1atm2atm=2L特點(diǎn)：系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列過(guò)程，最后又回到原來(lái)的狀態(tài).規(guī)定:

順時(shí)針的循環(huán)為正循環(huán)；反之為逆循環(huán)。A

2、循環(huán)過(guò)程功為曲線(xiàn)所包圍的面積.9.3循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)9.3.1循環(huán)過(guò)程1、⊿E=0熱機(jī)：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器

.

工作物質(zhì)（工質(zhì)）：熱機(jī)中被利用來(lái)吸收熱量并對(duì)外做功的物質(zhì).熱機(jī)效率熱機(jī)高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯偽鼰峥偡艧醿艄?熱機(jī)：工作物質(zhì)作正循環(huán)的機(jī)器熱一律A正還是負(fù)？冰箱循環(huán)示意圖致冷機(jī)致冷系數(shù)致冷機(jī)（逆循環(huán)）致冷機(jī)高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碅B2制冷機(jī)：工作物質(zhì)作逆循環(huán)的機(jī)器正還是負(fù)？總放熱總吸熱例

1mol的氧氣作如圖所示的循環(huán)，B→A為等溫過(guò)程。已知A態(tài)的壓強(qiáng)為p1、體積為V1，設(shè)V2=2V1，求：（1）各分過(guò)程中氣體從外界吸收的熱量；（2）循環(huán)效率。

解：p1VV2OCBAV1p

p1VV2OCBAV1p低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)ABCD1824年法國(guó)的年青工程師卡諾提出一個(gè)工作在兩熱源之間的理想循環(huán)—卡諾循環(huán).給出了熱機(jī)效率的理論極限值.

卡諾循環(huán)兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫過(guò)程兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程組成9.3.2卡諾循環(huán)及其效率AAABCD

理想氣體卡諾熱機(jī)循環(huán)效率的計(jì)算

A—B

等溫膨脹

B—C

絕熱膨脹

C—D

等溫壓縮

D—A

絕熱壓縮A—B等溫膨脹吸熱C—D

等溫壓縮放熱

D—A

絕熱過(guò)程B—C

絕熱過(guò)程AABCD

卡諾熱機(jī)效率

卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高.AABCD高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯ㄖZ致冷機(jī)

卡諾致冷機(jī)（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)

低溫?zé)嵩吹臏囟仍降?，ε愈?表明在從低溫?zé)嵩次鼰嵋欢ǖ那闆r下，需要外界做更多的功.空調(diào)9.4熱力學(xué)第二定律1、功熱轉(zhuǎn)換：功可以自動(dòng)全部轉(zhuǎn)換成熱。

凡符合熱一律的過(guò)程---即符合能量守恒的過(guò)程式是否都能實(shí)現(xiàn)呢？高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩粗评銩高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞C(jī)A'2、熱傳導(dǎo)：熱量會(huì)自動(dòng)從高溫物體傳向低溫物體。3、氣體的絕熱自由膨脹9.4.1熱力學(xué)第二定律自然宏觀(guān)過(guò)程按一定方向進(jìn)行的規(guī)律。如何精確描述？

反映自然界中宏觀(guān)過(guò)程進(jìn)行方向的規(guī)律為熱力學(xué)第二定律.不可能從單一熱源吸熱，使之完全變成有用功，而

熱量不可能自動(dòng)地從低溫物體傳給高溫物體。(1)開(kāi)爾文表述(2)克勞修斯表述不產(chǎn)生其他影響.。不可能把熱量從低溫物體傳給高溫物體，而不產(chǎn)生其他影響。第二定律的另一種表述：第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。第二定律是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，可以有多種表述方法，但在邏輯上都是等價(jià)的。兩種表述的等價(jià)性──用反證法證明（自看教材）熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀(guān)過(guò)程都是不可逆的.★任何一個(gè)實(shí)際宏觀(guān)過(guò)程都有一定的方向性。它們可以按一定的方向自發(fā)進(jìn)行，但是其逆過(guò)程是不能自發(fā)進(jìn)行的。9.4.2可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程

一個(gè)系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài)，如果存在另一過(guò)程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則原過(guò)程稱(chēng)之為“可逆過(guò)程”；反之，如果用任何方法都無(wú)法使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則原過(guò)程稱(chēng)之為“不可逆過(guò)程”.不可逆的原因P1A1P2A2密度小密度大活塞非常緩慢地拉動(dòng)時(shí)，外界作的總功為零?？梢暈榭赡孢^(guò)程。|A1|<|A2|如氣體的迅速膨脹一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀(guān)過(guò)程不可逆。1）準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程+無(wú)磨擦的過(guò)程是可逆過(guò)程。結(jié)論：2）可逆過(guò)程是理想化的過(guò)程。9.4.3卡諾定理1.在相同的高溫?zé)嵩磁c相同的低溫?zé)嵩粗g工作的一切可逆機(jī)，不論用什么工作物質(zhì)，效率相等。2.在相同的高溫?zé)嵩磁c相同的低溫?zé)嵩粗g工作的一切不可逆機(jī)的效率不可能高于可逆機(jī)的效率。

克勞修斯（1822－1888）

德國(guó)理論物理學(xué)家，他對(duì)熱力學(xué)理論有杰出貢獻(xiàn)，曾提出熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述.為了說(shuō)明不可逆過(guò)程,他提出了熵的概念，并得出孤立系統(tǒng)的熵增加原理.他還是氣體動(dòng)理論的創(chuàng)始人之一.＊9.5熵

熵增加原理

結(jié)論

：

可逆卡諾循環(huán)中,熱溫比總和為零.熱溫比

等溫過(guò)程中吸收或放出的熱量與熱源溫度之比.可逆卡諾機(jī)9.5.1熵如何判斷孤立系統(tǒng)中過(guò)程進(jìn)行的方向？任一微小可逆卡諾循環(huán)對(duì)所有微小循環(huán)求和當(dāng)時(shí)，則

任意的可逆循環(huán)可視為由許多可逆卡諾循環(huán)所組成.

結(jié)論:對(duì)任一可逆循環(huán)過(guò)程,熱溫比之和為零.

在可逆過(guò)程中，系統(tǒng)從狀態(tài)A改變到狀態(tài)B,其熱溫比的積分只決定于始末狀態(tài)，而與過(guò)程無(wú)關(guān).據(jù)此可知熱溫比的積分是一態(tài)函數(shù)的增量，此態(tài)函數(shù)稱(chēng)熵.可逆過(guò)程可逆過(guò)程

熱力學(xué)系統(tǒng)從初態(tài)A

變化到末態(tài)B

，系統(tǒng)熵的增量等于初態(tài)A和末態(tài)

B之間任意一可逆過(guò)程熱溫比（）的積分.物理意義

熵的單位

可逆過(guò)程熵變的計(jì)算1）熵是態(tài)函數(shù)，當(dāng)始末兩平衡態(tài)確定后，系統(tǒng)的熵變也是確定的,與過(guò)程無(wú)關(guān).因此,可在兩平衡態(tài)之間假設(shè)任一可逆過(guò)程，從而可計(jì)算熵變.2）當(dāng)系統(tǒng)分為幾個(gè)部分時(shí)，各部分的熵變之和等于系統(tǒng)的熵變.絕熱壁例

求熱傳導(dǎo)中的熵變

設(shè)在微小時(shí)間內(nèi),從A傳到B的熱量為.此孤立系統(tǒng)中不可逆過(guò)程熵是增加的.9.5.2熵增加原理熵增加原理（1）作為孤立系統(tǒng)自發(fā)過(guò)程進(jìn)行方向的判據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，熵具有最大值。對(duì)孤立