第06章 熱力學(xué)基礎(chǔ)

引言

研究一切與溫度有關(guān)的各種宏觀現(xiàn)象——熱現(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象的微觀機制。1．熱學(xué)的研究對象2.3宏觀與微觀的關(guān)系：微觀粒子的熱運動與系統(tǒng)的各種宏觀熱現(xiàn)象之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。宏觀量等于微觀量的統(tǒng)計平均值。2.宏觀與微觀2.1宏觀現(xiàn)象與宏觀量：宏觀現(xiàn)象即一個系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的各種物理性質(zhì)以及這些性質(zhì)的變化規(guī)律。描述一個系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量稱為宏觀量。例：P、V、T、E、C等。2.2微觀運動與微觀量：微觀運動即系統(tǒng)內(nèi)部的微觀粒子的熱運動。描述微觀粒子熱運動的物理量稱為微觀量。例：m、v、

等。3．熱學(xué)的兩種研究方法宏觀方法：把系統(tǒng)看成一個整體，從基本的熱力學(xué)定律（這些定律是從觀察、實驗中總結(jié)出來的）出發(fā)，通過嚴(yán)密的邏輯推理的方法研究系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)及其變化規(guī)律——熱力學(xué)。微觀方法：依據(jù)微觀粒子熱運動所滿足的力學(xué)定律，通過統(tǒng)計的方法研究系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)，并揭示各種熱現(xiàn)象的本質(zhì)——統(tǒng)計物理學(xué)。第六章熱力學(xué)基礎(chǔ)§6-1熱力學(xué)第一定律§6-2熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用§6-3循環(huán)過程§6-4熱力學(xué)第二定律卡諾定理§6-5熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義熵的概念§6-1熱力學(xué)第一定律1．熱力學(xué)過程1.1熱力學(xué)過程1.2準(zhǔn)靜態(tài)過程系統(tǒng)從一個平衡態(tài)向另一個平衡態(tài)過渡的過程系統(tǒng)的熱力學(xué)過程進(jìn)行得無限緩慢，以致于每一個中間狀態(tài)都可視為平衡態(tài)p12一個點：表示一個平衡態(tài)一條曲線：表示一個準(zhǔn)靜態(tài)過程O2(p2,V2,T)V

1(p1,V1,T)p

內(nèi)能是狀態(tài)量：實際氣體：理想氣體：內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)：

內(nèi)能不包括系統(tǒng)整體的機械能2.1內(nèi)能

系統(tǒng)內(nèi)分子熱運動的動能和分子之間相互作用勢能的總和。1.改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種途徑熱功當(dāng)量做功：通過宏觀力的作用使系統(tǒng)與外界之間產(chǎn)生能量交換，從而使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生改變。做功的大小等于此過程中系統(tǒng)與外界之間交換的能量。pF鉆木取火2.2改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種途徑與熱功當(dāng)量熱傳遞：通過熱相互作用使系統(tǒng)與外界之間產(chǎn)生能量交換，從而使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生改變的方式。此過程中系統(tǒng)與外界之間交換的能量，稱為熱量。Q熱量當(dāng)量：熱量與其它形式的能量（機械能、電能、化學(xué)能等）可以相互轉(zhuǎn)換。一定熱量的產(chǎn)生（消失）總是伴隨著其它形式的能量的消失（產(chǎn)生）。熱功當(dāng)量為：3.熱力學(xué)第一定律

系統(tǒng)所吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分用于系統(tǒng)對外做功：無限小過程：

QAp1E1p2E24.準(zhǔn)靜態(tài)過程中的功與熱量4.1準(zhǔn)靜態(tài)過程中的功pFdl12mnVV2V1Op4.2準(zhǔn)靜態(tài)過程中的熱量熱容準(zhǔn)靜態(tài)過程中的熱量：12mnVV2V1Op熱容、比熱容和摩爾熱容：使物質(zhì)溫度升高單位溫度所需的熱量稱為熱容：C、c和Cm與過程有關(guān)使單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高單位溫度所需的熱量稱為比熱容：使單位摩爾的物質(zhì)溫度升高單位溫度所需的熱量稱為摩爾熱容：熱量與熱容：作業(yè)：9-4§6-2熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用V＝const.Q1(p1,V1,T1)2(p2,V1,T2)pOV(p1/T1=p2/T2)1．等容過程2．等壓過程p＝const.QW1(p1,V1,T1)2(p1,V2,T2)pOV(V1/T1=V2/T2)3．等溫過程T＝const.QW(p1V1=p2V2)1(p1,V1,T1)2(p2,V2,T1)V

Op4.1絕熱過程的過程方程－－泊松公式4．絕熱過程Q＝0W

絕熱線與等溫線絕熱線

等溫線O

V

pA(pA,VA,TA)

4.2絕熱過程的E、W、Q和Cmp

O

V1(p1,V1,T1)2(p2,V2,T2)V(10－3m3)2

a

b1p(105Pa)26O

作業(yè)：9-5、9-8§6-3循環(huán)過程1．循環(huán)過程

系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列變化過程后又回到原來的狀態(tài)，這樣的過程稱為循環(huán)過程：

p~V曲線為閉合曲線

p

O

V

abmn

順時針：W=Wamb－Wbna>0——熱機循環(huán)

逆時針：W=Wanb－Wbma<0——致冷循環(huán)

2．熱機與致冷機2.1熱機循環(huán)及其效率熱機：能夠不斷地把熱轉(zhuǎn)變成功的裝置。

熱機通過循環(huán)過程不斷地把熱轉(zhuǎn)變成功

熱機循環(huán)為正循環(huán)

p

O

V

鍋爐冷卻器水泵氣缸WQ1Q2

蒸汽機工作簡圖

熱機的效率：

WQ2Q1工作物質(zhì)T1T2

2.2致冷機及其致冷系數(shù)致冷機：使熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f的裝置。

致冷循環(huán)為負(fù)循環(huán)

p

O

V

致冷機通過循環(huán)過程不斷地使熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f熱交換器蒸發(fā)器節(jié)流閥壓縮機WQ1Q2

致冷機工作簡圖致冷機的致冷系數(shù)

WQ2Q1工作物質(zhì)T1T2

3.1卡諾循環(huán)3214OV

pT=T1絕熱T=T2絕熱3.卡諾循環(huán)及其效率由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成:3.2卡諾熱機的效率3(p3,V3,T2)2(p2,V2,T1)1(p1,V1,T1)4(p4,V4,T2)OV

pQ1Q2

WQ2Q1工作物質(zhì)T1T2

結(jié)論：1）只與T1和T2有關(guān)，而與工質(zhì)無關(guān)2）=1-T2/T1<100%3.3卡諾致冷機的致冷系數(shù)WQ2Q1工作物質(zhì)T1T2

3(p3,V3,T2)2(p2,V2,T1)1(p1,V1,T1)4(p4,V4,T2)OV

pQ1Q2結(jié)論：2）1）e只與T1和T2有關(guān)，而與工質(zhì)無關(guān)薩迪-卡諾（SadiCarnot）,1796～1832,法國物理學(xué)家。1824年，他（28歲）創(chuàng)立理想熱機理論，“卡諾熱機”、“卡諾循環(huán)”和“卡諾定理”，已是大家所熟悉的科學(xué)名詞。但卡諾的理論在創(chuàng)立后長期未能得到應(yīng)有的重視。

VV2V1p

Oacb作業(yè)：9-10、9-11§6-4熱力學(xué)第二定律問題的提出

是否滿足熱力學(xué)第一定律的過程就一定會發(fā)生？

熱力學(xué)過程必須滿足熱力學(xué)第一定律。T1W=QQEQT1ET2Q1.熱力學(xué)第二定律的兩種典型表述1.1開爾文表達(dá)

不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。

理解“不產(chǎn)生其影響”的含義W=Q1-Q2Q2Q1ET1T2T2T1Q2W=Q1-Q2T1W=QQE

單熱源熱機（第二類永動機）是不可能制成的

實際熱機最少要有兩個高低溫?zé)嵩矗═1，T2），熱機的效率<100%WQ2Q1ET1T2

表明了熱功轉(zhuǎn)化的不可逆性fv01.2克勞修斯表達(dá)

熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體而不引起其它變化。WQ2Q1＝Q2＋WET1T2T2T1Q2W=Q1-Q2

理解“不產(chǎn)生其影響”的含義

要使熱量從低溫物體傳給高溫物體，必須有外界做功。即致冷機的致冷系數(shù)不可能無限大。WQ2Q1ET1T2

表明了熱量傳遞的不可逆性T1T2Q(T1>T2)T1T2Q(T1>T2)2.兩種表述的等效性1.1如果開爾文表述不成立，則克勞修斯表述也不成立Q2Q1+Q2EW=Q1EQ1高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2Q2Q2高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩22.2如果克勞修斯表述不成立，則開爾文表述也不成立Q2W=Q1-Q2Q2Q1E高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2W=Q1-Q2EQ1-Q2高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2開爾文Kelvin，WilliamThomson，Lord（1824～1907）克勞修斯（RuelolfClausius,1822--1888）,

設(shè)在某一過程L中，系統(tǒng)從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B。如果能使系統(tǒng)從狀態(tài)B逆向回復(fù)到初狀態(tài)A，而同時外界也恢復(fù)原狀，過程L就稱為可逆過程。

如果系統(tǒng)不能回復(fù)到原狀態(tài)A，或者雖然能回復(fù)到初態(tài)A，但外界不能恢復(fù)原狀，那么過程L稱為不可逆過程。3.自然過程的不可逆性3.1可逆過程與不可逆過程3.2自然過程的不可逆性熱功轉(zhuǎn)換的方向性：AQ100％AQ100％T1T2Q(T1>T2)T1T2Q(T1>T2)熱傳遞的不可逆性：氣體絕熱自由膨脹的不可逆性：墨水?dāng)U散是一個不可逆過程潑水難收破鏡難圓樓倒塌是一個不可逆過程生命過程是一個不可逆過程結(jié)論：

大量事實表明：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的，熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)在于揭示了自然過程的不可逆性。???君不見黃河之水天上來奔流到海不復(fù)回君不見高堂明鏡悲白發(fā)朝如青絲暮成雪不可逆過程4.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，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的效率小于可逆機的效率。=:對應(yīng)可逆機

<:對應(yīng)不可逆機AQ2Q1ET1T2AQ2Q1ET1T2

可逆熱機與不可逆熱機AQ2Q1ET1T2可逆熱機:AQ