大學(xué)物理課件：熱力學(xué)1

第二篇熱學(xué)第5章熱力學(xué)基礎(chǔ)

熱力學(xué)(1)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功熱量和內(nèi)能熱力學(xué)第一定律在各等值過(guò)程中的應(yīng)用主要內(nèi)容：熱力學(xué)第一和第二定律主要內(nèi)容:研究方法:

熱力學(xué)的研究方法能量法（宏觀法）以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ),從能量觀點(diǎn)出發(fā),分析研究物態(tài)變化過(guò)程中有關(guān)功熱轉(zhuǎn)換的關(guān)系和條件，是宏觀理論。第5章熱力學(xué)基礎(chǔ)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，第二定律則討論熱功轉(zhuǎn)換的條件和熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行的方向性?！?.1

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功熱量和內(nèi)能1.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程◎準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

（平衡過(guò)程）

實(shí)際熱力學(xué)過(guò)程的近似,要求過(guò)程進(jìn)行得足夠緩慢，過(guò)程中系統(tǒng)的每一個(gè)中間狀態(tài)都是平衡態(tài)。

本課程有關(guān)計(jì)算功和熱量的過(guò)程均設(shè)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。非靜態(tài)過(guò)程中間狀態(tài)不是平衡態(tài)以狀態(tài)參量為坐標(biāo)軸構(gòu)成相空間◎相圖：平衡態(tài)——對(duì)應(yīng)相空間中的一個(gè)點(diǎn)pVV1V2po準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程——

對(duì)應(yīng)相空間中的一條線（直線或曲線）注:

熱力學(xué)中有關(guān)計(jì)算功和熱量的過(guò)程均設(shè)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

有規(guī)則運(yùn)動(dòng)與無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）之間的能量轉(zhuǎn)換，與宏觀位移相聯(lián)系。功(work)

——改變系統(tǒng)狀態(tài)(內(nèi)能)的一種方式2.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中功的計(jì)算氣缸中氣體壓強(qiáng)為p

時(shí)，作用于活塞的壓力為Spdl氣體作準(zhǔn)靜態(tài)膨脹dl時(shí)，氣體對(duì)外做的元功：系統(tǒng)從狀態(tài)1沿任意過(guò)程曲線到狀態(tài)2，對(duì)外做的總功：pV12

系統(tǒng)所做的功W,數(shù)值上等于p-V圖上過(guò)程曲線下的面積。pV12pV21系統(tǒng)膨脹，對(duì)外做功，

系統(tǒng)被壓縮，外界對(duì)系統(tǒng)做功，

熱力學(xué)中計(jì)算功的一般式(體積功)公式pV12ⅡI注意：功是一個(gè)過(guò)程量

系統(tǒng)與外界之間熱運(yùn)動(dòng)能量的傳遞，通過(guò)分子碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)，與溫差相聯(lián)系。1mol

物質(zhì)溫度升高1K

所吸收的熱量。用C

表示

熱量用Q

表示，單位為J

。Q

>0，表示系統(tǒng)吸熱，Q

<

0,系統(tǒng)放熱。3.熱量(heat)

——改變系統(tǒng)狀態(tài)(內(nèi)能)的另一種方式注意：熱量Q也是過(guò)程量◎摩爾熱容量

(Molarspecificheat)

：J/(mol.K)

因?yàn)闊崃縌

是過(guò)程量，因此同一物質(zhì)可有無(wú)數(shù)個(gè)摩爾熱容量。常用的有兩個(gè)。

1mol

氣體在等壓過(guò)程中，溫度升高

1K

所吸收的熱量?！?/p>

定壓摩爾熱容量1mol

氣體在等體過(guò)程中，溫度升高1K

所吸收的熱量?！?/p>

定容摩爾熱容量熱力學(xué)中計(jì)算熱量的一般式x表示任意過(guò)程

一個(gè)反映熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)特性的宏觀物理量。分子動(dòng)理論觀點(diǎn)：系統(tǒng)的內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)所有分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子間相互作用的勢(shì)能之總和。氣體的內(nèi)能應(yīng)是溫度和體積的函數(shù)。熱力學(xué)中關(guān)心的是內(nèi)能的改變量。4.內(nèi)能(internalenergy)——系統(tǒng)內(nèi)部的能量?jī)?nèi)能是個(gè)狀態(tài)量，是溫度的單值函數(shù)對(duì)理想氣體，分子間相互作用力忽略不計(jì)，因而無(wú)分子勢(shì)能，理想氣體的內(nèi)能只是溫度的單值函數(shù)。理想氣體內(nèi)能公式式中i是分子自由度，單原子氣體，雙原子氣體多原子氣體1.熱力學(xué)第一定律

數(shù)學(xué)形式：對(duì)于微小過(guò)程，注意：*系統(tǒng)吸熱Q>0，系統(tǒng)放熱Q<0。*系統(tǒng)對(duì)外做功W>0，外界對(duì)系統(tǒng)做功W<0。(積分形式）(微分形式）*系統(tǒng)內(nèi)能增加，系統(tǒng)內(nèi)能減少。*第一類永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)?！?.2熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用2.熱力學(xué)第一定律在理想氣體等值過(guò)程的應(yīng)用（1）等容（體）過(guò)程V=const.

特征：◎等容過(guò)程

W、Q、的計(jì)算由熱力學(xué)第一定律對(duì)一有限過(guò)程即等容過(guò)程，系統(tǒng)吸收的熱量全部用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能?！虻热菽枱崛荩?）等壓過(guò)程◎過(guò)程方程特征：◎等壓過(guò)程W、Q、的算pVV1V2po◎等壓摩爾熱容等壓過(guò)程吸收的熱量——邁耶公式

與

的比稱為比熱容比，用表示

等壓過(guò)程中系統(tǒng)吸收的熱量，一部分用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能，一部分用于對(duì)外界做功，因此

Cp>CV

。pQQ=W

（3）等溫過(guò)程T=const.◎過(guò)程方程特征：◎等溫過(guò)程W、Q、的計(jì)算內(nèi)能不變V1V2pVW

等溫過(guò)程系統(tǒng)內(nèi)能不變，吸收的熱全部用于對(duì)外做功?！虻葴剡^(guò)程的摩爾熱容例1將500J的熱量傳給標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下2mol的氫。（1）V

不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的溫度為多少？?）T不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的p、V

各為多少？（3）p不變，熱量變?yōu)槭裁?？氫的T、V

各為多少？解：（1）QV=E

，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能（2）QT=W，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ?）QP=

W+E，熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣蛢?nèi)能例2一定量的理想氣體，由狀態(tài)a

經(jīng)b

到達(dá)c

。（圖中abc為一直線），求此過(guò)程中：

（1）氣體對(duì)外做的功；（2）氣體內(nèi)能的增量；（3）氣體吸收的熱量。p(atm)V(l)0321321cba解：p(atm)V(l)0321321cba例3

質(zhì)量為2.810-3kg，壓強(qiáng)為1atm

，溫度為27℃的氮?dú)?，先等容增壓，壓?qiáng)升至3atm

；再等溫膨脹，壓強(qiáng)降至1atm

；然后等壓壓縮，體積壓縮一半。試求氮?dú)庠谌窟^(guò)程中的內(nèi)能變化、所做的功和吸收的熱量，并畫(huà)出p-V圖。解：V3V4Vp(atm)132V1V3V4Vp(atm)132V1V3V4Vp(atm)132V1等容過(guò)程：等溫過(guò)程：V3V4Vp(atm)132V1等壓過(guò)程：小結(jié)1、熱力學(xué)第一定律2、熱力學(xué)中