大學(xué)物理課件-新熱力學(xué)基礎(chǔ)課件

一、內(nèi)能功和熱量1.態(tài)函數(shù)描述狀態(tài)的物理量，是狀態(tài)參量的函數(shù)。（如P、V、T都是態(tài)函數(shù)）氣體的內(nèi)能

(內(nèi)能也是態(tài)函數(shù)！)態(tài)函數(shù)的特征：態(tài)函數(shù)的增量，只取決于初始狀態(tài)和終了 狀態(tài)，與過程無關(guān)！§9.1熱力學(xué)第確定律變更內(nèi)能的方法外界對系統(tǒng)作功（或反之）。外界對系統(tǒng)傳熱（或反之）。當(dāng)活塞移動一段有限距離時壓強(qiáng)作功（1）功dl2.功熱量計算系統(tǒng)在準(zhǔn)靜態(tài)膨脹過程中所作的功：10此過程所作的功反映在P-V圖上，就是曲線下的面積。系統(tǒng)對外界作功，A為正。外界對系統(tǒng)作功，A為負(fù)。20如圖：系統(tǒng)對外界作了功，系統(tǒng)的狀態(tài)變了，內(nèi)能也變了。“功”是系統(tǒng)內(nèi)能變更的量度，功不僅與初、末態(tài)有關(guān)，還與過程有關(guān)是過程量。1V2V12PVdV符號法則：留意：（2）熱量：在單純的傳熱過程中，系統(tǒng)內(nèi)能的增量，等于它從外界吸取的熱量。Q=E2-E1系統(tǒng)吸熱，Q為正。系統(tǒng)放熱，Q為負(fù)。符號法則：（1）作功和傳熱對變更系統(tǒng)的內(nèi)能效果是一樣的。（要提高一杯水的溫度，可加熱，也可攪拌）

（2）

國際單位制中，功、熱、內(nèi)能單位都是焦耳（J）。留意：（1卡=4.18焦耳)（3）功和熱量都是系統(tǒng)內(nèi)能變更的量度,但功和熱本身絕不是內(nèi)能。內(nèi)能：態(tài)函數(shù),系統(tǒng)每個狀態(tài)都對應(yīng)著確定內(nèi)能的數(shù)值。功、熱量：只有在狀態(tài)變更過程中才有意義，狀態(tài)不變，無功、熱可言。（4）作功、傳熱在變更內(nèi)能效果上一樣，但有本質(zhì)區(qū)分

作功：通過物體宏觀位移來完成，是系統(tǒng)外物體的有規(guī)則運動與系統(tǒng)內(nèi)分子無規(guī)則運動之間的轉(zhuǎn)換。

傳熱：通過分子間的相互作用來完成，是系統(tǒng)外、內(nèi)分子無規(guī)則運動之間的轉(zhuǎn)換。二、準(zhǔn)靜態(tài)過程系統(tǒng)閱歷一個過程，狀態(tài)發(fā)生變更，系統(tǒng)確定閱歷非平衡態(tài)平衡態(tài)非平衡態(tài)新平衡態(tài)每一時刻系統(tǒng)都無限接近于平衡態(tài)的過程。由一系列依次接替的平衡態(tài)組成。對“無限緩慢”的實際過程的近似描述。為利用平衡態(tài)性質(zhì)，引入準(zhǔn)靜態(tài)過程或平衡過程：微小變更時間>>馳豫時間無限緩慢：

1.準(zhǔn)靜態(tài)過程在準(zhǔn)靜態(tài)過程中，因為每一時刻系統(tǒng)都無限接近于平衡態(tài)，在理論計算上，我們可以近似認(rèn)為每一個狀態(tài)都為平衡態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過程功的計算：

dA=pdV(無限小平衡過程）

（有限大平橫過程）弛豫時間：系統(tǒng)由非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)所需時間2.準(zhǔn)靜態(tài)過程的功1.數(shù)學(xué)表式系統(tǒng)從外界吸熱Q為正系統(tǒng)對外界作功A為正系統(tǒng)內(nèi)能增加E為正對微小變更過程符號法則三、熱力學(xué)第確定律2.熱力學(xué)第確定律的物理意義（1）外界對系統(tǒng)所傳遞的熱量Q一部分用于系統(tǒng)對外作功，一部分使系統(tǒng)內(nèi)能增加。（2）熱一律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換和守恒定律。問：經(jīng)一循環(huán)過程不要任何能量供應(yīng)不斷地對外作功，或較少的能量供應(yīng)，作較多的功行嗎？第一類永動機(jī)是不行能制成的！熱一律可表述為：

適用范圍：任何熱力學(xué)系統(tǒng)的任何熱力學(xué)過程。（平衡過程可計算Q、A

）一.等體過程1特征：dV=0，V=恒量，參量關(guān)系P/T=恒量2熱一律表達(dá)式：對有限變更過程系統(tǒng)吸取的熱量全部用來增加系統(tǒng)本身的內(nèi)能，系統(tǒng)對外不做功。意義：9.2熱一律在志向氣體等值過程中的應(yīng)用二等壓過程1特征：dP=0，P=恒量，參量關(guān)系V/T=恒量。2熱一律表達(dá)式有限的變更過程系統(tǒng)吸取的熱量，一部分對外作功，一部分增加自身的內(nèi)能。意義：三等溫過程1特征：dT=0，T=恒量，參量關(guān)系PV=恒量2熱一律表式系統(tǒng)吸取的熱量全部用來對外作功。3計算等溫過程功：熱量：內(nèi)能的變更：意義：§9.3志向氣體的熱容絕熱過程一、熱容量與摩爾熱容量1.熱容量（C）：系統(tǒng)在某一無限小過程中吸取熱量dQ與溫度的變更dT的比值2.摩爾熱容量(Cm)：1mol物質(zhì)的熱容量單位：J/K單位：J/（mol·K）二、志向氣體的摩爾熱容量1.定體摩爾熱容量（Cv）：

1mol氣體在等體過程中吸取熱量dQ與溫度的變更dT之比所以，志向氣體內(nèi)能表達(dá)式又可寫成2.定壓摩爾熱容量（Cp）：

1mol氣體在定壓過程中吸取熱量dQ與溫度的變更dT之比邁耶公式3.比熱容比絕熱過程：系統(tǒng)與外界無熱交換，系統(tǒng)狀態(tài)變更的過程。準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程：無限緩慢地進(jìn)行。1.準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程：參量關(guān)系當(dāng)氣體絕熱膨脹對外作功時，氣體內(nèi)能削減。非靜態(tài)絕熱過程，如：絕熱自由膨脹（1）特征dQ=0意義：絕熱三絕熱過程2.絕熱線與等溫線的比較：由相同的初態(tài)a作同樣的體積膨脹時，絕熱過程的壓強(qiáng)比等溫過程的壓強(qiáng)削減得多些。等溫：絕熱：絕熱等溫系統(tǒng)作等溫膨脹所作的功比絕熱膨脹的功要多。過程特征參量關(guān)系QAE定體定壓等溫絕熱V常量

P常量T常量（P/T）=常量（V/T）=常量PV=常量常量常量常量===g--g-ggTPTVPV11

§9.4循環(huán)過程卡諾循環(huán)一、循環(huán)過程1.循環(huán)過程：系統(tǒng)的工作物質(zhì)，經(jīng)一系列變更過程又回到了初始狀態(tài)，假如每一段過程都是平衡過程，表現(xiàn)在P—V圖上就是：

過程按順時針進(jìn)行叫正循環(huán)，反之，叫逆循環(huán)。（1）特征：dE=0E=0（2）通過各種平衡過程組合起來實現(xiàn)。（3）熱功計算：按各不同的分過程進(jìn)行，總合起來求得整個循環(huán)過程的熱量、凈功。2.熱機(jī)致冷機(jī)工質(zhì)的循環(huán)用到工程技術(shù)中去，制成熱機(jī)、致冷機(jī)。（1）熱機(jī)：工質(zhì)燃燒作功把熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的裝置。熱機(jī)的循環(huán)確定是正循環(huán)以保證（2）致冷機(jī)：將熱機(jī)的工作過程反向運轉(zhuǎn)（逆循環(huán)），就是致冷機(jī)。二卡諾循環(huán)由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成（1）卡諾熱機(jī)：由4個過程組成的正循環(huán)1—2:系統(tǒng)對外作功Q12—3:系統(tǒng)對外作功3—4:系統(tǒng)對外作功4—1:系統(tǒng)對外作功1—2:系統(tǒng)從外吸熱熱量凈功循環(huán)過程Q22—3:系統(tǒng)從外吸熱3—4:系統(tǒng)從外吸熱4—1:系統(tǒng)從外吸熱T1T2依據(jù)熱一律：即T1T2（2）卡諾熱機(jī)效率*對卡諾熱機(jī)，可以證明：~（1）從單一熱源吸取熱量的熱機(jī)是不行能的（2）

卡諾熱機(jī)的效率只與T1、T2有關(guān)，與工作物無關(guān)。（3）

不行能討論熱機(jī)至少要在兩個熱源中進(jìn)行循環(huán)從高溫?zé)嵩次鼰崛缓蠓乓徊糠譄崃康降蜏責(zé)嵩慈?，因而兩個熱源的溫度差才是熱動力的真正源泉，工作物質(zhì)的選擇是無關(guān)緊要的。結(jié)論§9.5熱力學(xué)其次定律多數(shù)試驗證明：效率為100%的、循環(huán)動作的熱機(jī)也是不行能制成的。一、熱力學(xué)其次定律的開爾文表述不行能制成一種循環(huán)動作的熱機(jī)，只從一個熱源吸熱，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ渌矬w不發(fā)生任何變更。（1）若不是“循環(huán)動作”的熱機(jī)，只從一個熱源吸熱，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ环艧?，是可以辦到的。（2）只從一個熱源吸取熱量，并將全部熱量變?yōu)楣Φ难h(huán)動作的熱機(jī)，稱為其次類永動機(jī)。其次類永動機(jī)是不行能制成的！留意:——熱力學(xué)其次定律自然過程都具有確定的方向性。（3）“其它物體都不發(fā)生任何變更”指外界和系統(tǒng)都復(fù)原原狀態(tài)。（4）熱力學(xué)其次定律以否定的方式建立，其深刻含意在于它事實上說明白一個熱力學(xué)過程方向的普遍規(guī)律。二、熱力學(xué)其次定律的克勞修斯表述熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體。

10“自動地”幾個字…...20熱量自動地由低溫傳到高溫,不違反熱力學(xué)第確定律，但違反了熱力學(xué)其次定律。30熱二律的開氏描述和克氏描述表面上看風(fēng)馬牛不相及,事實上是等價的。留意:1.可逆過程在某過程ab中系統(tǒng)由a態(tài)-b態(tài)。如能使系統(tǒng)由b態(tài)回到a態(tài)，四周一切也各自復(fù)原原狀，那么，ab過程稱為可逆過程。（1）無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程（如PV圖上的過程）都是可逆的。（2）對任何一個可逆過程不確定都要引入它的逆過程。PVb注意：a三、可逆過程與不行逆過程2.不行逆過程如1.所述，若系統(tǒng)復(fù)原不了原態(tài)，ab就是不行逆的。若系統(tǒng)復(fù)原了原態(tài)卻引起了外界的變更ab也是不行逆的。例：（1）功變熱的過程系統(tǒng)：+Q1外界：-A*~A*→Q1如何復(fù)原？設(shè)計一個熱機(jī)…...系統(tǒng)：復(fù)原了原狀。外界：？功變熱的過程是不行逆的！Q1外界沒有復(fù)原!結(jié)論（2）熱量從高溫物體傳到低溫物體的過程通過外界對系統(tǒng)作功的方法，提高系統(tǒng)的溫度，當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于外界時，系統(tǒng)將當(dāng)時所吸的熱量及由外界作功所轉(zhuǎn)變的內(nèi)能全部交還給外界，系統(tǒng)復(fù)原了原狀。外界呢？總能量沒削減，但原來付出的機(jī)械能變成了熱能，外界沒有復(fù)原原狀。所以熱量從高溫物體傳到低溫物體的過程是不行逆的！結(jié)論

氣體不須任何外界的幫助即從左室擴(kuò)散到整個容器，是否也可以不須外界任何幫助就回到左室呢？氣體的自由膨脹的過程是不行逆的?。?）氣體的自由膨脹過程結(jié)論不行！自發(fā)過程是不行逆的。四、卡諾定理

1.在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，其效率都相等，與工作物質(zhì)無關(guān)2.在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切不行逆熱機(jī)，其效率不行能大于可逆熱機(jī)的效率五、克勞修斯熵對于一個微小的可逆過程熵增加原理：在孤立系統(tǒng)中所發(fā)生的一切不行逆過程的熵總是增加的，可逆過程的熵不變。SB-SA≥0

系統(tǒng)由平衡態(tài)A經(jīng)一可逆過程達(dá)到平衡態(tài)B，過程中各段所吸的熱量與相應(yīng)的溫度之比的和的極限，等于系統(tǒng)熵的增加。對無限小的可逆過程：留意：1