物理下2015第11章熱力學基礎

1、風力發(fā)電為了環(huán)境不受污染，也為解決一次性能源大量消耗終將導致枯竭的危險，人們在不斷的尋求新能源。目前全球風力發(fā)電裝機容量已超過萬兆瓦Chapter 11THERMODYNAMICS11.1 熱學的研究對象和研究方法一.熱學的研究對象熱現(xiàn)象：凡與溫度有關的物理性質(zhì)及狀態(tài)的變化 或與溫度有關的物理現(xiàn)象.熱 學：研究熱現(xiàn)象的理論例：固體、液體、氣體的性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化溫 度：是熱學中所引入的物理量. 宏觀-冷熱程度 微觀-物質(zhì)內(nèi)部熱運動的劇烈程度二. 熱學的研究方法熱學有兩種研究方法,并形成了對應的兩大理論。宏觀理論（熱力學）微觀理論（統(tǒng)計物理學）觀察和實驗力學規(guī)律, 統(tǒng)計平均方法宏觀量微觀量描述宏觀物

2、體特性的物理量；如溫度、壓強、體積、熱容量、密度、熵等。描述微觀粒子特征的物理量；如質(zhì)量、速度、能量、動量等。宏觀理論(熱力學)微觀理論(統(tǒng)計物理學)研究對象熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象物 理 量宏觀量微觀量出 發(fā) 點觀察和實驗微觀粒子方 法總結歸納邏輯推理力學規(guī)律統(tǒng)計平均方法優(yōu) 點普遍，直觀揭露本質(zhì)缺 點不深刻無法自我驗證二者關系熱力學驗證統(tǒng)計物理學統(tǒng)計物理學揭示熱力學本質(zhì)11.2 平衡態(tài)與準靜態(tài)過程 理想氣體狀態(tài)方程一. 系統(tǒng)和外界 熱力學系統(tǒng)熱力學所研究的具體對象，簡稱系統(tǒng)。系統(tǒng)是由大量分子組成，如氣缸中的氣體。系統(tǒng)與外界可以有相互作用例如：熱傳遞、作功、質(zhì)量交換等系統(tǒng)系統(tǒng)的分類開放系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間，

3、既有物質(zhì)交換，又有能量交換。孤立系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間，既無物質(zhì)交換，又無能量交換。封閉系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間，沒有物質(zhì)交換，只有能量交換。二. 平衡態(tài)宏觀性質(zhì)不變不受外界影響在沒有外界影響的情況下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)在長時間內(nèi)不發(fā)生變化的狀態(tài)。說明(1) 不受外界影響是指系統(tǒng)與外界沒有能量和粒子交換兩頭分別處于冰水和沸水中的金屬棒是一種穩(wěn)定態(tài)，而不是平衡態(tài)；處于重力場中氣體的粒子數(shù)密度隨高度變化，但它是平衡態(tài)。低溫T2高溫T1(2) 平衡是熱動平衡(3) 平衡態(tài)的氣體系統(tǒng)宏觀量可用一組確定的值(p,V,T)表示(4) 平衡態(tài)是一種理想狀態(tài)溫度T 、壓強p、體積V（質(zhì)量一定，兩個量獨立）溫度是熱力學

4、所特有的溫標的三要素：測溫屬性、定標點、分度法熱力學溫標K（與測溫物質(zhì)無關）熱力學第零定律：（熱平衡定律）A、B 、CACB三. 狀態(tài)參量四.準靜態(tài)過程系統(tǒng)從某狀態(tài)開始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達另一狀態(tài)的過程。熱力學過程1221準靜態(tài)過程在過程進行的每一時刻，系統(tǒng)都無限地接近平衡態(tài)。非準靜態(tài)過程實際過程是非準靜態(tài)過程，但只要過程進行的時間遠大于系統(tǒng)的馳豫時間，均可看作準靜態(tài)過程。如：實際汽缸的壓縮過程可看作準靜態(tài)過程 S說明 (1) 準靜態(tài)過程是一個理想過程；(2) 除一些進行得極快的過程（如爆炸過程）外，大多數(shù)情況下都可以把實際過程看成是準靜態(tài)過程。五.理想氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程理想氣體

5、的狀態(tài)方程（平衡態(tài)）（克拉珀龍方程）(1) 理想氣體的宏觀定義(2) 實際氣體在壓強不太高，溫度不太低的條件下，可當作理想氣體處理。說明范德瓦耳斯方程氣體, 液體? (3) P-V 圖上的一點代表系統(tǒng)的一平衡態(tài)；OVp準靜態(tài)過程在狀態(tài)圖上可用一條曲線表示。(4) 混合理想氣體的狀態(tài)方程為其中11.3 功 熱量 內(nèi)能 熱力學第一定律一. 功 熱量 內(nèi)能1. 概念熱力學系統(tǒng)與外界傳遞能量的兩種方式作功傳熱是能量傳遞和轉(zhuǎn)化的量度；是過程量。功(A)熱量(Q)是傳熱過程中所傳遞能量的多少的量度；是過程量內(nèi)能(E )是物體中分子無規(guī)則運動能量的總和；是狀態(tài)量系統(tǒng)吸熱 ：系統(tǒng)對外作功 ： ;外界對系統(tǒng)作功

6、 ：；系統(tǒng)放熱 ：理想氣體內(nèi)能:分子無規(guī)則熱運動的動能2. 功與內(nèi)能的關系12外界僅對系統(tǒng)作功，無傳熱，則說明內(nèi)能的改變量可用絕熱過程中外界對系統(tǒng)所作的功來量度；絕熱壁絕熱過程3. 熱量與內(nèi)能的關系外界對系統(tǒng)不作功，僅傳遞熱量系統(tǒng)說明(1) 在外界不對系統(tǒng)作功時，內(nèi)能的改變量也可以用外界對系統(tǒng)所傳遞的熱量來度量；(2) 作功和傳熱效果一樣，本質(zhì)不同；(3) 內(nèi)能是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，是狀態(tài)量；功和熱量是過程量，不屬于任何系統(tǒng)。二. 熱力學第一定律外界與系統(tǒng)之間不僅作功，而且傳遞熱量，則有系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使其內(nèi)能增加，另一部分則用以對外界作功 熱力學第一定律對于無限小的狀態(tài)變化過程，

7、熱力學第一定律可表示為(1) 熱力學第一定律實際上就是包含熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒 與轉(zhuǎn)換定律。說明(2) 第一類永動機是不可能實現(xiàn)的。這是熱力學第一定律的 另一種表述形式。(3) 此定律只要求系統(tǒng)的初、末狀態(tài)是平衡態(tài)，至于過程中經(jīng)歷的各狀態(tài)則不一定是平衡態(tài)。(4) 適用于任何系統(tǒng)（氣、液、固）。熱學的研究對象、方法 熱力學系統(tǒng)開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)平衡態(tài)狀態(tài)參量： 溫度T 、壓強p、體積V熱力學過程理想氣體的狀態(tài)方程準靜態(tài)過程、非準靜態(tài)過程功(A) 、熱量(Q) 、內(nèi)能(E )熱力學第一定律對于無限小的狀態(tài)變化過程11.4 準靜態(tài)過程中功和熱量的計算一.準靜態(tài)過程中功的計算SV1V2熱力學

8、第一定律可表示為 OVp 功是一個過程量12 適合于任何的準靜態(tài)過程二. 準靜態(tài)過程中熱量的計算比熱 (c):摩爾熱容 (C):1. 熱容 熱容 比熱容 摩爾熱容注意: 熱容是過程量，與具 體過程有關。式中的下標 x 表示具體的過程。例：絕熱過程、等溫過程2. 定體摩爾熱容CV 和定壓摩爾熱容Cp （1 摩爾物質(zhì)） (1) 定體摩爾熱容CV(2) 定壓摩爾熱容Cp 3. 熱量計算若Cx與溫度無關時，則 一般情況下Cx，是溫度的函數(shù)。11.5 理想氣體的內(nèi)能和CV ，Cp一. 理想氣體的內(nèi)能 氣體的內(nèi)能是 p, V, T 中任意兩個參量的函數(shù)，其具體形式如何？如 1. 焦耳實驗 問題：(1) 實

9、驗裝置溫度一樣 實驗結果膨脹前后溫度計的讀數(shù)未變氣體絕熱自由膨脹過程中氣體絕熱自由膨脹過程中(2) 分析說明 (1) 焦耳實驗室是在1845完成的。溫度計的精度為 0.01水的熱容比氣體熱容大的多，因而水的溫度可能有微小變化，由于溫度計精度不夠而未能測出。通過改進實驗或其它實驗方法（焦耳湯姆孫多孔塞實驗）,證實僅理想氣體有上述結論。理想氣體的內(nèi)能僅是其溫度的函數(shù)。這一結論稱為焦耳定律 (2) 焦耳自由膨脹實驗是非準靜態(tài)過程。理想氣體二. 理想氣體的摩爾熱容CV 、Cp 和內(nèi)能的計算 1. 定體摩爾熱容CV 和定壓摩爾熱容Cp 定體摩爾熱容CV 定壓摩爾熱容Cp 壓強不變時，將狀態(tài)方程兩邊對T

10、求導，有邁耶公式 比熱容比 2. 理想氣體內(nèi)能的計算單原子 雙原子 多原子 根據(jù)熱力學第一定律，有解因為初、末兩態(tài)是平衡態(tài)，所以有如圖，一絕熱密封容器，體積為V0，中間用隔板分成相等的兩部分。左邊盛有一定量的氧氣，壓強為 p0，右邊一半為真空。 例求把中間隔板抽去后，達到新平衡態(tài)時氣體的壓強絕熱過程自由膨脹過程思考 11.6 熱力學第一定律對理想氣體 在典型準靜態(tài)過程中的應用 一. 等體過程 功 吸收的熱量 內(nèi)能的增量OVpV1等體過程中氣體吸收的熱量，全部用來增加它的內(nèi)能，使其溫度上升。注意:1.熱力學第一定律2. 焦耳定律 3.狀態(tài)方程+ 具體過程二. 等壓過程功吸收的熱量內(nèi)能的增量在等壓

11、過程中理想氣體吸收的熱量，一部分用來對外作功，其余部分則用來增加其內(nèi)能。 p1OVp恒溫熱源S l 三. 等溫過程 內(nèi)能的增量 功 吸收的熱量在等溫膨脹過程中 ，理想氣體吸收的熱量全部用來對外作功，在等溫壓縮中，外界對氣體所的功，都轉(zhuǎn)化為氣體向外界放出的熱量。SOVpV1V2質(zhì)量為2.8g，溫度為300K，壓強為1atm的氮氣， 等壓膨脹到原來的2倍。氮氣對外所作的功，內(nèi)能的增量以及吸收的熱量 解例求根據(jù)等壓過程方程，有因為是雙原子氣體11.7 絕熱過程一. 絕熱過程系統(tǒng)在絕熱過程中始終不與外界交換熱量。 良好絕熱材料包圍的系統(tǒng)發(fā)生的過程 進行得較快，系統(tǒng)來不及和外界交換熱量的過程1. 過程方

12、程 對無限小的準靜態(tài)絕熱過程 有利用上式和狀態(tài)方程可得準靜態(tài)過程中理想氣體理想氣體的內(nèi)能等體過程 等壓過程等溫過程絕熱過程2. 過程曲線微分A絕熱線等溫線絕熱線要比等溫線陡一些VpO 物理意義？思考? 什么情況下，氣體的摩爾熱容為零？為正、負值？為無限大？絕熱過程中 ，理想氣體不吸收熱量，系統(tǒng)減少的內(nèi)能，等于其對外作功 。 3. 絕熱過程中功的計算溫度為25，壓強為1atm 的1mol 剛性雙原子分子理想氣體經(jīng)等溫過程體積膨脹至原來的3倍。 (1) 該過程中氣體對外所作的功；(2) 若氣體經(jīng)絕熱過程體積膨脹至原來的3 倍，氣體對外所 作的功。解例求VpO(1) 由等溫過程可得(2) 根據(jù)絕熱過程方程，有有二. 多