大物 熱力學(xué)和氣體

1、第二篇 熱學(xué)Thermodynamics1 熱學(xué)緒論 一.熱學(xué)研究對(duì)象研究熱現(xiàn)象和熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及應(yīng)用的學(xué)科 熱現(xiàn)象：與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)的變化,是物體中大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn).大量微觀粒子無規(guī)律運(yùn)動(dòng) 熱運(yùn)動(dòng)：2從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手，利用統(tǒng)計(jì)、平均等方法來研究. 二. 分類 分子物理學(xué):研究對(duì)象相同,方法不同,相輔相成從宏觀入手，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用能量轉(zhuǎn)換和守恒關(guān)系等來研究 熱力學(xué): 兩者關(guān)系:3宏觀量是微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值三. 宏觀量和微觀量的關(guān)系宏觀量:微觀量:兩者關(guān)系:實(shí)驗(yàn)上可測(cè)量，為大量分子的集體表現(xiàn)(如P,V,T等)實(shí)驗(yàn)上不可測(cè)量，為表征個(gè)別分子的物理量(如v, 等)4第六章 氣體分子

2、運(yùn)動(dòng)論GASE KINETICS5 6-1 狀態(tài) 過程 理想氣體一. 系統(tǒng)狀態(tài)的定量描述狀態(tài)參量氧 O2 32g/mol 水 H2O 18 g/mol摩爾質(zhì)量 Mmol = N0 m阿伏加德羅數(shù) N0=6.02*1023 / mol1. 質(zhì)量 M,m (kg) 摩爾質(zhì)量 Mmol ( g/mol ) 或 m: 1分子質(zhì)量61升 =1dm3=10-3 m32. 體積 V (m3) Volume 幾何參量分子所能達(dá)到的空間力學(xué)參量容器器壁單位面積上所受壓力3. 壓強(qiáng) P ( Pa ) Pressure7 熱力學(xué)參量- 宏觀:冷熱程度的標(biāo)志 微觀:大量分子(原子)無規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈程度的量度.4. 溫度

3、 T (K) Temperature81.平衡態(tài) equilibrium state 二. 幾個(gè)概念2.準(zhǔn)靜態(tài)過程 從一平衡態(tài)過渡到另一平衡態(tài)，中間經(jīng)過的都是平衡態(tài)的過程. 在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài). 系統(tǒng)的(P,V,T)唯一確定9由一系列理想的平衡狀態(tài)組成的極限過程PV(P1,V1)P1V1P2(P2,V2)V210設(shè)有 M kg 氣體，摩爾質(zhì)量為Mmol 3 . 理想氣體狀態(tài)方程Equation of State of Ideal Gas 普適氣體常數(shù) R=8.31 J/mol.k氣態(tài)方程1三 .理想氣體的狀態(tài)方程11 設(shè)一個(gè)分子質(zhì)量為m, N為總分子數(shù),

4、 則單位體積分子數(shù)為n=N/V , 氣態(tài)方程的另一種表示阿伏加德羅數(shù) N0=6.02*1023 / molP = nkT氣態(tài)方程212P = nkT氣態(tài)方程2 為玻爾茲曼常數(shù)式中 為單位體積內(nèi)的分子數(shù)(分子數(shù)密度)13例題：一容器內(nèi)儲(chǔ)有某種氣體，若已知?dú)怏w的壓強(qiáng)為 ，溫度為27 C0 ，密度為 則該氣體為何種氣體？解：氣態(tài)方程3146-3 溫度的微觀解釋一. 分子平均平動(dòng)動(dòng)能與溫度的關(guān)系宏觀量微觀量15二. 溫度的統(tǒng)計(jì)意義(微觀解釋) 溫度是氣體分子平均平動(dòng)動(dòng)能的量度(標(biāo)志) 溫度升高,氣體熱運(yùn)動(dòng)加劇.16一. 自由度（drgree of freedom） 對(duì)質(zhì)點(diǎn): 一維 x 平動(dòng)自由度 t=

5、1 二維 x,y t=2 三維 x,y,z t=36-4 能量均分定理 理想氣體內(nèi)能確定一個(gè)物體的空間位置所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)1.自由度17共6個(gè)對(duì)剛體: 平動(dòng)自由度 t=3 (質(zhì)心)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 r=3XYZ直線: 平動(dòng)自由度 t=3 (質(zhì)心)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 r=2共5個(gè)18對(duì)氣體：氣體分子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)1). 結(jié)構(gòu)：?jiǎn)卧臃肿樱℉e，Ne等） 雙原子分子（O2，H2等） 多原子分子（H2O，NH3等）2). 運(yùn)動(dòng)情況：平動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)3). 運(yùn)動(dòng)能：平動(dòng)動(dòng)能，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，振動(dòng)動(dòng)能2.氣體分子的自由度194). 理想氣體分子的自由度 (剛性) 雙原子分子 i=5 （平動(dòng)3，轉(zhuǎn)動(dòng)2）雙原子H HO (剛性

6、) 多原子分子 i=6 （平動(dòng)3，轉(zhuǎn)動(dòng)3）多原子單原子單原子分子 i=3 （質(zhì)點(diǎn)，平動(dòng)）20理想氣體分子的自由度表 氣體種類 平動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng) 總自由度 自由度 t 自由度 r i = t+r單原子 3 0 3雙原子(剛性) 3 2 5 多原子(剛性) 3 3 6 特例: 如CO2 三原子排成一直線, i=521二. 能均分定理(equipartition theorem of energy) 1. 分子平動(dòng)動(dòng)能按自由度均分平動(dòng)自由度為 3每個(gè)自由度具有平均能量為222. 推廣: 相應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的平均能量 為3. 能均分定理: 分子能量按自由度均分,相應(yīng)于每個(gè)自由度的平均能量為 （平衡態(tài)時(shí)）2

7、34. 自由度為 i的一個(gè)理想氣體分子的平均能量為例如: He O224 1. 內(nèi)能 三.理想氣體內(nèi)能 不計(jì)分子間的相互作用，故理想氣體內(nèi)能即為分子各種運(yùn)動(dòng)能量的總和(統(tǒng)計(jì)平均)氣體分子的各種運(yùn)動(dòng)動(dòng)能(平動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)+振動(dòng))和分子間相互作用勢(shì)能的總和。2. 理想氣體的內(nèi)能25理想氣體內(nèi)能為溫度的單值函數(shù) M kg(或 mol)理想氣體的內(nèi)能 1mol理想氣體的內(nèi)能26第七章 熱力學(xué)基礎(chǔ)THERMODYNAMICS277-1 功 熱 內(nèi)能1. 熱力學(xué)系統(tǒng) (系統(tǒng)，工作物質(zhì)) 一.系統(tǒng)和外界2. 外界(環(huán)境，周圍) 熱力學(xué)中所研究的宏觀對(duì)象 (氣體、液體、固體等） 與熱力學(xué)系統(tǒng)相互作用的環(huán)境283.

8、熱力學(xué)系統(tǒng)的分類和外界無相互作用的系統(tǒng)和外界僅有能量交換，無質(zhì)量交換的系統(tǒng)和外界既有能量交換又有質(zhì)量交換的系統(tǒng) 封閉系統(tǒng) 開放系統(tǒng) 孤立系統(tǒng)29準(zhǔn)靜態(tài)過程的描述砂堆氣體活塞將砂粒一顆顆地緩慢拿走，氣體狀態(tài)隨之緩慢變化，每一時(shí)刻均為平衡態(tài),有確定的（Pi Vi Ti）二. 狀態(tài)和過程30三. 功(work)1. 氣體作功公式SF如圖所示汽缸中氣體膨脹作功元功功dx-系統(tǒng)和外界的第一類相互作用312. 功的特性 a)作功的正負(fù) dV0 氣體膨脹, dW0 對(duì)外作正功dV0 氣體壓縮, dW0 外界作正功 元功32注意： 作功與過程有關(guān) .33b)功的圖示法-示功圖 (P-V圖)為曲線下的面積圖中

9、W0P V1 V2 VP V1 V2 V34c)功是過程量，和過程有關(guān)。P V1 V2 VAB起點(diǎn)終點(diǎn)相同，如過程不同，則作功不同。35例題：如圖所示，由A到B的過程系統(tǒng)對(duì)外作了多少功？211 2 3P( 105Pa)V(10-3 m3)解:W=S=(BC+AD)*CD/2=150JBACDS36例題：一系統(tǒng)經(jīng)歷如圖狀態(tài)變化過程(循環(huán))，求WAB、 WBC、WCD、WDA及WABCDA211 2 P(Pa)V(m3)BACD解:WBC =WDA =0WABCDA=2-1=1J=SABCDAWAB=2JWCD=-1J37四. 熱量(heat) 系統(tǒng)和外界之間由于存在溫度差而以非功的形式傳遞的能量

10、。-系統(tǒng)和外界第二類相互作用1. 定義例如：熱傳遞T高T低TT38人體向環(huán)境排熱的方式與比例排熱方式 輻射/對(duì)流/傳導(dǎo) 蒸發(fā) 呼吸排熱比例 70% 18% 12%數(shù)據(jù)來源：紅外線技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用列維金著，上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社39人體活動(dòng)狀態(tài)與排熱量表數(shù)據(jù)來源：紅外線技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用列維金著，上海科技文獻(xiàn)出版社 活動(dòng)狀態(tài) 排熱量(J/S=瓦) 排熱量(千卡/小時(shí)) 靜 坐 82105 7090 靜 立 105130 90110 快步行走 230465 200400 重體力勞動(dòng) 525815 45070040幾種常見運(yùn)動(dòng)的熱量消耗(千卡/半小時(shí))運(yùn)動(dòng)類型 游泳 籃球 自行車 慢跑熱量消耗

11、 175 250 330 300運(yùn)動(dòng)類型 散步 跳繩 網(wǎng)球 乒乓球熱量消耗 75 400 220 180 人體每減掉1kg脂肪,需消耗7700卡熱量數(shù)據(jù)來源:揚(yáng)子晚報(bào)2001-8-15412. 特性a)正負(fù)號(hào)的規(guī)定：系統(tǒng)吸熱為正，放熱為負(fù)。b)熱量也是過程量。3. 熱功當(dāng)量與功熱當(dāng)量1J=0.24Cal, 1Cal=4.2J42五. 內(nèi)能(internal energy) 理想氣體的內(nèi)能是狀態(tài)（溫度）的單值函數(shù). 始末兩狀態(tài)確定，則無論過程如何，內(nèi)能的改變量確定。-態(tài)函數(shù)43(first law of thermodynamics)已知A狀態(tài)內(nèi)能為E1，B狀態(tài)內(nèi)能為E2，系統(tǒng)從狀態(tài)A變化到B的

12、過程中，從外界吸熱Q，對(duì)外作功W，則1. 數(shù)學(xué)表述Q =（ E2 - E1）+W7-2 熱力學(xué)第一定律PVAB系統(tǒng)QWE1E244dQ=dE + dW= dE + Pdv或Q = E + W2. 文字表述 系統(tǒng)從外界吸收的熱量,一部分用來使系統(tǒng)內(nèi)能增加,另一部分用于系統(tǒng)對(duì)外作功。對(duì)于微觀過程系統(tǒng)QW E系統(tǒng)dQdWdE453. 物理意義第一類永動(dòng)機(jī)無法實(shí)現(xiàn) (造不成)。4. 熱力學(xué)第一定律的另一種表述不消耗任何能量，卻能不斷對(duì)外做功的機(jī)器.Q = E + W系統(tǒng)QW E熱力學(xué)范圍內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換和守恒定律465. 注意點(diǎn) 注意公式 中各物理量的正負(fù)Q = E + W吸熱 Q0, 放熱Q0, 內(nèi)能減

13、少E 0, 外界作功W0;477-3 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用 -等值過程2. 吸熱和內(nèi)能的改變 PV VT2T1P2P1一. 等容(等體)過程 (isochoric process) dQ = dE + dW= dE1. 做功dV=0 故W=048令 dQ = dE + dW= dE得定容摩爾熱容 PV VT2T1P2P149 物理意義:在等容過程中，1mol氣體溫度每升高(降低)1度所吸收(放出)的熱量。 3. 定容摩爾熱容50例如,氧氣 02 51二. 等壓過程 (isobaric process)PV1 V2 VP1. 做功522. 熱量和內(nèi)能的變化PV1 V2 VP定壓摩爾熱容Cp=Cv

14、+R令等壓過程吸熱計(jì)算53物理意義:在等壓過程中，1mol氣體溫度每升高(降低) 1度所吸收(放出)的熱量。3. 定壓摩爾熱容Mayer公式54 例如,氧氣 02 4.摩爾熱容比55例題:已知單原子分子在A、B兩態(tài)的壓強(qiáng)和體積，求從A到B過程中氣體作的功，內(nèi)能的改變，傳遞的熱量。 PPbPaVaVbVAB56解PPbPaVaVbVAB57三. 等溫過程 (isothermal process) 1. 內(nèi)能的變化2. 吸熱和做功P1P2V1 V2 VP587-4 絕熱過程系統(tǒng)和外界間無任何熱量交換的過程一.絕熱過程(adiabatic process) 二.絕熱過程中的功和內(nèi)能變化dQ=0 Q=

15、0 E + W=059三. 絕熱過程方程 - 泊松方程式中601. 泊松方程的推導(dǎo)(練習(xí))612 由泊松方程求功W絕熱過程作功的計(jì)算623. 絕熱過程的圖示 p-v圖上絕熱線比等溫線陡 原因:等溫時(shí)，壓強(qiáng)僅隨體積變化而變. P=nkT絕熱時(shí)，壓強(qiáng)變化不僅隨體積變化還有溫度變化。V等溫P絕熱另外可證明:63四.理想氣體自由絕熱膨脹Q=0，W=0，E不變，溫度不變 隔板真空64例題: 圖示為一理想氣體的幾種狀態(tài)變化過程的P-V圖,其中MT為等溫線,MQ為絕熱線,在AM、BM、CM三種準(zhǔn)靜態(tài)過程中，溫度升高的是_氣體吸熱的是_過程MATBQCPVBM、CMCM651331ABV/10-3 m3P/1

16、05 pa例2：一定量的理想氣體經(jīng)歷由A到B的過程，求：Q，W，解： Q=W=面積=400（J）例3：一定量的雙原子分子理想氣體經(jīng)歷由A到B的過程，求：Q，W，V/10-3 m31431ABP/105 pa解：W=600（J）Q=850（J）66過程特征方程EQA等容v一定P/T=C Cv(T2-T1)Cv(T2-T1)0等壓P一定v/T=C Cv(T2-T1) Cp(T2-T1)P(V2-V1)等溫T一定PV=C0RTln(V2/V1) RTln(V2/V1)絕熱dQ=0PV=C Cv(T2-T1)0- Cv(T2-T1)677-4. 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)一. 循環(huán)過程 (cycle proc

17、ess)1. 定義: 系統(tǒng)經(jīng)歷一系列的狀態(tài)變化，又重新回到初始狀態(tài)，這樣的一個(gè)周而復(fù)始的過程.F 實(shí)例: 汽缸68 循環(huán)一周,內(nèi)能不變 PV圖上為一閉合曲線,其包圍面積為凈功. 正循環(huán) 逆循環(huán)PV3. 分類 正循環(huán) 循環(huán)一周，對(duì)外作(凈)功2. 特征 逆循環(huán)循環(huán)一周，外界作(凈)功69二. 熱機(jī)與卡諾循環(huán) 能夠連續(xù)不斷地把熱量轉(zhuǎn)換為功的循環(huán)動(dòng)作的裝置。（正循環(huán)）1. 熱機(jī)(heat engine)PV熱機(jī)的目的：熱 功70蒸 汽 機(jī) 71高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞C(jī)Q吸Q放W2.熱機(jī)的工作原理72b)物理意義a) 定義 吸收的熱量轉(zhuǎn)化為功的比例。 體現(xiàn)做功的目的和效率。3. 熱機(jī)效率(efficien

18、cy of heat engine) 高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞C(jī)Q吸Q放W73 熱機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介 1698年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機(jī) ，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率極低 . 1765年瓦特進(jìn)行了重大改進(jìn) ，大大提高了效率 . 人們一直在為提高熱機(jī)的效率而努力， 從理論上研究熱機(jī)效率問題， 一方面指明了提高效率的方向， 另一方面也推動(dòng)了熱學(xué)理論的發(fā)展 .幾種熱機(jī)的效率液體燃料火箭柴油機(jī)汽油機(jī)蒸汽機(jī)74例1：1mol雙原子分子理想氣體的初態(tài)A的溫度T0，它經(jīng)歷圖示的循環(huán)，求循環(huán)過程中:（1）氣體對(duì)外做的凈功； （2）傳遞的凈熱量；（3）氣體從外界吸收的熱量；（4）循環(huán)的效率。V03V0p03p0ACBD

19、Vp解：（2）Q凈吸熱=A=4RT0（1）A=SABCD=2P02V0 =4RT0（3）Q吸=QAB+QBC =CvTAB+ CpTBC 75V03V0p03p0ACBDVp（4）=5/2R（3T0-T0）+7/2R（9T0-3T0）=26RT0 （3）Q吸=QAB+QBC =CvTAB+ CpTBC 76例2：雙原子剛性理想氣體，作如圖所示的循環(huán)，A-B-C-A，BC是等溫過程，求（1）各過程中吸收的熱量。（2）循環(huán)一周，氣體作的功。（3）循環(huán)效率。解：TB =TC =2TAAp0V02V02p0BCVpQAB= CvTAB = (5/2)R（2TA-TA) = ( 5/2)RTA=5/2P

20、0V0 吸熱QBC= RTBln(vc/vB)=2RTAln2 = 2ln2 P0V0 吸熱QCA =CpTCA= (7/2)R（TA-2TA) = -( 7/2)RTA =-7/2 P0V0 放熱(1)77(2) A=Q凈吸 =QAB+QBC +QCA = (5/2+2ln2-7/2) P0V0 (3)Ap0V02V02p0BCVp78法國(guó)物理學(xué)家，熱力學(xué)的創(chuàng)始人之一，是第一個(gè)把熱和動(dòng)力聯(lián)系起來的人。他出色地、創(chuàng)造性地用“理想實(shí)驗(yàn)”的思維方法，提出了最簡(jiǎn)單但有重要理論意義的熱機(jī)循環(huán)卡諾循環(huán)，創(chuàng)造了一部理想的熱機(jī)(卡諾熱機(jī))?？ㄖZ (Sadi Carnot) 1796-18324. 卡諾循環(huán)(

21、Carnot cycle) 79 1824年卡諾提出了對(duì)熱機(jī)設(shè)計(jì)具有普遍指導(dǎo)意義的卡諾定理，指出提高熱機(jī)效率的有效途徑.卡諾36歲因霍亂早逝,死后他的論文才被開爾文發(fā)現(xiàn)， 他是建立熱力學(xué)第二定律的先驅(qū)。80abdcT1T2PV 卡諾循環(huán)(Carnot cycle) :由兩條等溫線和兩條絕熱線構(gòu)成的正循環(huán).a-b，c-d 等溫b-c，d-a 絕熱81a). a- b 等溫膨脹5.卡諾循環(huán)具體過程分析 吸熱,對(duì)外作功abdcT1T2PVQ吸Q放82 b). c- d 等溫壓縮.放熱,外界作功. abdcT1T2PVQ吸Q放83c). b- c 絕熱膨脹. d). d-a 絕熱壓縮 溫度升高 溫度下

22、降abdcT1T2PV84abdcT1T2PVQ吸Q放85卡諾熱機(jī)的效率:abdcT1T2PVQ吸Q放高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2熱機(jī)Q吸Q放W86三. 致冷機(jī)與卡諾致冷機(jī) 通過對(duì)工作物質(zhì)做功，而把低溫物體的熱量傳遞給高溫物體的裝置.（逆循環(huán)）1. 致冷機(jī)PVW0“熱 泵”87冰箱循環(huán)示意圖882.致冷機(jī)的工作原理高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩粗吕錂C(jī)Q吸W=Q放-Q吸Q放893. 致冷系數(shù)物理意義:做功的目的和效率高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩粗吕錂C(jī)Q吸W=Q放-Q吸Q放904. 卡諾致冷機(jī)高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2致冷機(jī)Q吸Q放WabdcT1T2PVQ吸Q放915. 卡諾致冷機(jī)的致冷系數(shù)高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2致冷機(jī)Q吸Q放

23、WabdcT1T2PVQ吸Q放92例題: 1mol單原子理想氣體,經(jīng)歷如圖循環(huán)過程,求三個(gè)分過程吸熱、放熱的情況和循環(huán)效率.P(atm)12V(l)22.444.8T=constabcPaVa = RTa =2269 Pa m3 解:PcVc= 4538 Pa m3 PbVb = RTb= 4538 Pa m393P(atm)12V(l)22.444.8T=constabc94P(atm)12V(l)22.444.8T=constabcQab=3403.5JQbc=3145JQca=-5672J95例題: 汽油機(jī)可近似看成如圖循環(huán)過程(Otto循環(huán)),其中DE和BC為絕熱過程,證明此循環(huán)效率為

24、DECBP證明吸放967-5. 熱力學(xué)第二定律一.問題的引出 要使熱機(jī)效率為100%，并不違反熱力學(xué)第一定律，但無法構(gòu)成循環(huán)。P1P2V1 V2 VP以等溫過程為例97二.熱力學(xué)第二定律(second law of thermodynamics)1. 開爾文(Kelvin)表述2. 克勞修斯表述 (Clausius) 98英國(guó)著名物理學(xué)家、發(fā)明家，原名W.湯姆孫(William Thomson),開爾文研究范圍廣泛，在熱學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、地球物理、數(shù)學(xué)、工程應(yīng)用等方面都做出了貢獻(xiàn). 他一生發(fā)表論文多達(dá)600余篇，取得70種發(fā)明專利. 開爾文(Lord Kelvin,18241907)

25、99開爾文是熱力學(xué)的主要奠基人之一。他1848年創(chuàng)立了熱力學(xué)溫標(biāo), 1851年提出熱力學(xué)第二定律. 1852年與焦耳合作進(jìn)一步研究氣體的內(nèi)能，發(fā)現(xiàn)了焦耳湯姆孫效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)成為獲得低溫的主要方法之一. 為了紀(jì)念他在科學(xué)上的功績(jī)，國(guó)際計(jì)量大會(huì)把熱力學(xué)溫標(biāo)(即絕對(duì)溫標(biāo))稱為開爾文(開氏)溫標(biāo)，熱力學(xué)溫標(biāo)以開爾文為單位，是現(xiàn)在國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一。100 在電磁學(xué)理論和工程應(yīng)用上, 1848年開爾文發(fā)明了電像法，這是計(jì)算一定形狀導(dǎo)體電荷分布所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)問題的有效方法。他把自己的全部研究成果，毫無保留地介紹給了麥克斯韋，為麥克斯韋最后完成電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ)。 1875年他預(yù)言了城市將采用電

26、力照明，1879年又提出了遠(yuǎn)距離輸電的可能性。1881年他對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改造，大大提高了電動(dòng)機(jī)的實(shí)用價(jià)值。在電工儀器方面，他發(fā)明了鏡式電流計(jì)、雙臂電橋、虹吸記錄器等，大大促進(jìn)了電測(cè)量?jī)x器的發(fā)展。在工程技術(shù)中，1855年他研究了電纜中信號(hào)傳播情況，解決了長(zhǎng)距離海底電纜通訊的一系列理論和技術(shù)問題, 于1858年協(xié)助裝設(shè)了第一條大西洋海底電纜. 101 開爾文一生謙虛勤奮，意志堅(jiān)強(qiáng)，不怕失敗，百折不撓。在對(duì)待困難問題上他講：“我們都感到，對(duì)困難必須正視，不能回避；應(yīng)當(dāng)把它放在心里，希望能夠解決它。無論如何，每個(gè)困難一定有解決的辦法，雖然我們可能一生沒有能找到?！彼@種終生不懈地為科學(xué)事業(yè)奮斗的精神，

27、永遠(yuǎn)為后人敬仰。1896年在格拉斯哥大學(xué)慶祝他50周年教授生涯大會(huì)上，他說：“有兩個(gè)字最能代表我50年內(nèi)在科學(xué)研究上的奮斗，就是失敗兩字。”這足以說明他的謙虛品德。102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。他還是氣體動(dòng)理論創(chuàng)始人之一。他還導(dǎo)出氣體壓強(qiáng)公式，提出比范德瓦耳斯更普遍的氣體物態(tài)方程。克勞修斯（1822-1888）103 不可能制成一種循環(huán)工作的熱機(jī)，它只從單一熱源吸熱，全部用于對(duì)外做功,而不產(chǎn)生任何其它影響。1. 開爾文(Kelvin)表述高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2熱機(jī)Q吸Q放=0W= Q吸104a) 從單一熱源吸熱全部用于對(duì)外做功是可能的，但

28、要完成一個(gè)循環(huán),則會(huì)引起其它影響。b) 從卡諾循環(huán)可見，要使工作物質(zhì)恢復(fù)原態(tài),總要釋放一部分熱量給冷源。c).另一種敘述：第二類永動(dòng)機(jī)造不成 第二類永動(dòng)機(jī) -效率等于100% 的熱機(jī)能量的利用率受到限制105 熱量不可能自動(dòng)地從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩?而不引起外界的變化.2. 克勞修斯表述 (Clausius) 房 間空調(diào)耗電W=0Q1=Q2Q2室外熱傳遞T高T低T更高T更低Impossible Auto Process106a) 熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f是可能的， 但要以外界做功為代價(jià)。b) 排除了第二類永動(dòng)制冷機(jī)的可能1073. 兩類表述的等價(jià)性a) 違背開爾文說法,同時(shí)違背克勞修斯說法

29、。b) 違背克勞修斯說法,則同時(shí)違背開爾文說法。1087-6可逆過程和不可逆過程卡諾定理一.定義 系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，如果逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài)，且不引起其他變化,則該過程為可逆過程。1.可逆過程1092.不可逆過程 無論我們用何種手段，系統(tǒng)不能恢復(fù)原狀態(tài); 或能恢復(fù)原狀態(tài),但要引起周圍發(fā)生變化的過程.110實(shí)例單擺的擺動(dòng)時(shí)間，生命.l單擺、鐘擺、秋千的擺動(dòng)不可逆可 逆自由落體不可逆111氣體的擴(kuò)散隔板不可逆過程真空香水的擴(kuò)散112 自然界中一切自發(fā)進(jìn)行的過程都是不可逆的，只有無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程才是可逆的。3. 過程可逆的條件1）過程無限緩慢，即為準(zhǔn)靜態(tài)過程（任一時(shí)刻為平衡態(tài)）2）無摩擦

30、力、粘滯力或其他耗散力作功，能量耗散效應(yīng)忽略。4.普遍結(jié)論113開爾文表述說明了：功變熱過程不可逆 反映了功熱轉(zhuǎn)化過程的方向二. 熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)1. 一般熱力學(xué)系統(tǒng)中宏觀過程的不可逆性 功可以完全變?yōu)闊?如摩擦生熱),但要把熱完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響是不可能的.114克勞修斯表述說明了：熱傳遞過程的不可逆 反映了熱傳第過程的方向 熱量能自動(dòng)地從高溫物體向低溫物體傳遞,但不能自動(dòng)地從低溫物體向高溫物體傳遞.115 熱力學(xué)第一定律指出:在任何過程中,能量必須守恒2. 孤立系統(tǒng)中宏觀自發(fā)過程的單向性。 熱力學(xué)第二定律指出:并非所有滿足能量守恒的過程都能實(shí)現(xiàn),反映過程進(jìn)行的方向.116a) 在

31、相同高溫?zé)嵩碩1和相同低溫?zé)嵩碩2間工作的一切 可逆卡諾機(jī),不論工作物質(zhì)如何,效率都相同,為三.卡諾定理 (Carnot theorem) b) 在相同高溫?zé)嵩碩1和相同低溫?zé)嵩碩2間工作的一切非可逆機(jī)的效率117一. 熵(entropy)熵（S）是態(tài)函數(shù)，和內(nèi)能一樣。7-7熵，熵增原理孤立系統(tǒng)：可逆過程熵不變 不可逆過程熵增加二.熵增加原理三.熵的物理意義熵是孤立系統(tǒng)無序度的量度。118（一）理解功W、內(nèi)能E、熱量Q、摩爾熱容 量C以及可逆過程、不可逆過程、熵等 概念?；疽螅ǘ┱莆諢崃W(xué)第一定律，并能熟練地分 析、計(jì)算理想氣體等溫、等容、等壓 和絕熱過程中的功、熱量及內(nèi)能增量。119（三）理解正循