第九熱力學(xué)基礎(chǔ)演示文稿

第九熱力學(xué)基礎(chǔ)演示文稿當(dāng)前1頁，總共53頁。優(yōu)選第九熱力學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)前2頁，總共53頁。介紹作為熱力學(xué)物理基礎(chǔ)的幾個基本定律，統(tǒng)計物理學(xué)的基本概念以及氣體分子運動論的基本內(nèi)容。

目錄第九章熱力學(xué)基礎(chǔ)第十章氣體動理論當(dāng)前3頁，總共53頁。常見的一些現(xiàn)象：1、一壺水開了，水變成了水蒸氣。2、溫度降到0℃以下，液體的水變成了固體的冰塊。3、氣體被壓縮，產(chǎn)生壓強。4、物體被加熱，物體的溫度升高。熱現(xiàn)象當(dāng)前4頁，總共53頁。第九章熱力學(xué)基礎(chǔ)9-1熱力學(xué)的基本概念9-2熱力學(xué)第一定律9-3熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用9-4循環(huán)過程9-5熱力學(xué)第二定律當(dāng)前5頁，總共53頁。9-1熱力學(xué)的基本概念熱力學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)：一些相對較大的，能為我們感官所察覺的物體。外界：系統(tǒng)以外的物體。孤立系統(tǒng)：與外界不發(fā)生任何能量和物質(zhì)的熱力學(xué)系統(tǒng)。封閉系統(tǒng)：與外界只有能量交換而沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。當(dāng)前6頁，總共53頁。對熱力學(xué)系統(tǒng)有兩種描述方法：1.宏觀量

從整體上描述系統(tǒng)的狀態(tài)量，一般可以直接測量。例如：溫度（T）：溫度是表征在熱平衡狀態(tài)下系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量。兩熱力學(xué)系統(tǒng)相互接觸，而與外界沒有熱量交換，當(dāng)經(jīng)過了足夠長的時間后，它們的冷熱程度不再發(fā)生變化，則我們稱兩系統(tǒng)達到了熱平衡。當(dāng)前7頁，總共53頁。熱力學(xué)第零定律：如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)達到熱平衡，則這兩個系統(tǒng)彼此也處于熱平衡。ABCABC溫度的宏觀定義：表征系統(tǒng)熱平衡時宏觀性質(zhì)的物理量。溫標——溫度的數(shù)值表示法。當(dāng)前8頁，總共53頁。攝氏溫標：t℃熱力學(xué)溫標：

TK水的冰點——0℃水的沸點——100℃冰點和沸點之差的百分之一規(guī)定為1

℃

。絕對零度：

T=0Kt=-273.15℃水三相點（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的共存狀態(tài)）273.16K當(dāng)前9頁，總共53頁。熱力學(xué)研究的對象包含極大量的分子、原子，以阿佛加德羅常數(shù)

NA=6×1023計。2.微觀量描述系統(tǒng)中單個微觀粒子的物理量,一般只能間接測量。分子的質(zhì)量、速度、直徑、動量、能量等。例如：微觀量與宏觀量有一定的內(nèi)在聯(lián)系。宏觀量總是一些微觀量的統(tǒng)計平均值。

例如，氣體的壓強是大量分子撞擊器壁的平均效果，它與大量分子對器壁的沖力的平均值有關(guān)。當(dāng)前10頁，總共53頁。平衡態(tài)準靜態(tài)過程平衡態(tài)：一個孤立系統(tǒng)，其宏觀性質(zhì)在經(jīng)過充分長的時間后保持不變（即其狀態(tài)參量不再隨時間改變）的狀態(tài)。注意：如果系統(tǒng)與外界有能量交換，即使系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化，也不能斷定系統(tǒng)是否處于平衡態(tài)。當(dāng)前11頁，總共53頁。

熱力學(xué)過程：熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間發(fā)生變化的過程。P準靜態(tài)過程：狀態(tài)變化過程進行得非常緩慢，以至于過程中的每一個中間狀態(tài)都近似于平衡態(tài)。準靜態(tài)過程的過程曲線可以用P-V圖來描述，圖上的每一點都表示系統(tǒng)的一個平衡態(tài)。(PB,VB,TB)(PA,VA,TA)PVO(PC,VC,TC)當(dāng)前12頁，總共53頁。理想氣體狀態(tài)方程m----質(zhì)量；M----摩爾質(zhì)量普適氣體常量----摩爾數(shù)當(dāng)前13頁，總共53頁。9-2熱力學(xué)第一定律改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩條途徑熱功當(dāng)量內(nèi)能：系統(tǒng)內(nèi)分子熱運動的動能和分子之間的相互作用勢能之總和。理想氣體內(nèi)能：

理想氣體的內(nèi)能只與分子熱運動的動能有關(guān)，是溫度的單值函數(shù)。當(dāng)前14頁，總共53頁。改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種不同方法：鉆木取火

——通過做功的方式將機械能轉(zhuǎn)換為物體的內(nèi)能?？净?/p>

——通過熱量傳遞提高物體內(nèi)能。當(dāng)前15頁，總共53頁。熱量(Q)

：系統(tǒng)之間由于熱相互作用而傳遞的能量。焦耳用于測定熱功當(dāng)量的實驗裝置。注意：功和熱量都是過程量，而內(nèi)能是狀態(tài)量，通過做功或傳遞熱量的過程使系統(tǒng)的狀態(tài)（內(nèi)能）發(fā)生變化。熱功當(dāng)量：1卡=4.186焦耳當(dāng)前16頁，總共53頁。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)描述熱力學(xué)第一定律：包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒和轉(zhuǎn)換定律。

Q表示系統(tǒng)吸收的熱量，W表示系統(tǒng)所作的功，E表示系統(tǒng)內(nèi)能的增量。熱力學(xué)第一定律微分式：當(dāng)前17頁，總共53頁。符號規(guī)定：1、系統(tǒng)吸收熱量Q為正，系統(tǒng)放熱Q為負。2、系統(tǒng)對外作功W為正，外界對系統(tǒng)作功W為負。3、系統(tǒng)內(nèi)能增加E為正，系統(tǒng)內(nèi)能減少E為負。第一類永動機：不需要外界提供能量，但可以繼續(xù)不斷地對外做功的機器。熱力學(xué)第一定律：“不可能制造出第一類永動機”。當(dāng)前18頁，總共53頁。準靜態(tài)過程中熱量、功和內(nèi)能(1)準靜態(tài)過程中功的計算dl(PB,VB,TB)(PA,VA,TA)PV0dlVAVB當(dāng)前19頁，總共53頁。結(jié)論：系統(tǒng)所做的功在數(shù)值上等于P-V圖上過程曲線以下的面積。

若W>0

系統(tǒng)對外界作功若W<0

外界對系統(tǒng)作功（2）準靜態(tài)過程中熱量的計算熱容：系統(tǒng)溫度升高1度所吸收的熱量即：單位：比熱：單位質(zhì)量物質(zhì)熱容量。單位：當(dāng)前20頁，總共53頁。摩爾熱容：1mol物質(zhì)的熱容量。定體摩爾熱容：

1mol理想氣體在體積不變的狀態(tài)下，溫度升高一度所需要吸收的熱量。當(dāng)前21頁，總共53頁。定壓摩爾熱容：

1mol理想氣體在壓強不變的狀態(tài)下，溫度升高一度所需要吸收的熱量。（i為分子的自由度數(shù)）單原子氣體：i=3,氦、氖雙原子氣體：i=5，氫、氧、氮多原子氣體：i=6，水蒸汽、二氧化碳、甲烷當(dāng)前22頁，總共53頁。微過程的熱量計算式：熱量計算式：（3）準靜態(tài)過程中內(nèi)能變化的計算設(shè)想一個狀態(tài)變化過程，過程中系統(tǒng)的體積不變。當(dāng)前23頁，總共53頁。即有內(nèi)能增量：內(nèi)能：結(jié)論：理想氣體的內(nèi)能只是溫度的單值函數(shù)。注意：內(nèi)能是狀態(tài)量，內(nèi)能的增量與過程無關(guān)，因此上式適合于任意過程。當(dāng)前24頁，總共53頁。9-3熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用熱力學(xué)的等值過程（1）等體過程3.對外作功4.吸收熱量2.過程曲線1.過程方程OpV

Ⅰ

Ⅱp2p1V5.內(nèi)能增量當(dāng)前25頁，總共53頁。3.對外作功4.吸收熱量2.過程曲線（2）等壓過程1.過程方程5.內(nèi)能增量OpV

Ⅰ

ⅡV2V1p當(dāng)前26頁，總共53頁。定體摩爾熱容與定壓摩爾熱容的關(guān)系邁耶公式：結(jié)論：

同一狀態(tài)下1摩爾的理想氣體溫度升高1K，等壓過程需要吸收的熱量比等體過程吸收的熱量多8.31J。比熱容比：單原子分子：雙原子分子：當(dāng)前27頁，總共53頁。3.對外作功4.吸收熱量2.過程曲線1.過程方程5.內(nèi)能增量（3）等溫過程OpVV1V2Ⅰ(E1)Ⅱ(E2)等溫線當(dāng)前28頁，總共53頁。[例]

一定量的理想氣體,由狀態(tài)a經(jīng)

b

到達

c。求此過程中(1)氣體對外做的功；(2)氣體內(nèi)能的增量；(3)氣體吸收的熱量。(2)(3)解：(1)氣體對外做的功當(dāng)前29頁，總共53頁。絕熱過程多方過程絕熱過程：系統(tǒng)和外界沒有熱量交換的過程。特點：（1）理想氣體準靜態(tài)絕熱過程1.過程方程熱力學(xué)第一定律dWdE當(dāng)前30頁，總共53頁。理想氣體狀態(tài)方程當(dāng)前31頁，總共53頁。泊松公式（絕熱過程方程）或2.過程曲線理想氣體的絕熱線比等溫線“更陡”當(dāng)前32頁，總共53頁。3.對外作功4.吸收熱量5.內(nèi)能增量絕熱功當(dāng)前33頁，總共53頁。間接法絕熱過程靠減少系統(tǒng)的內(nèi)能來對外做功。當(dāng)前34頁，總共53頁。（2）絕熱自由膨脹特征：Q=0非準靜態(tài)過程，無過程方程。只能靠普遍的定律。真空絕熱剛性壁隔板T1T2器壁絕熱：Q=0向真空膨脹：W=0熱一律E1=E2（是否等溫過程？）對理想氣體：T1=T2當(dāng)前35頁，總共53頁。注意：這里只是初態(tài)、末態(tài)的溫度相等而已，不是準靜態(tài)等溫過程！所以準靜態(tài)等溫過程與這里的絕熱自由膨脹過程是不同的！對于一個準靜態(tài)等溫過程：也有ΔE=0------但是系統(tǒng)對外作功并且要吸熱當(dāng)前36頁，總共53頁。主要公式理想氣體、各種準靜態(tài)過程熱一律摩爾定壓熱容量摩爾定體熱容量準靜態(tài)過程、系統(tǒng)對外作的功當(dāng)前37頁，總共53頁。準靜態(tài)絕熱過程方程(泊松方程)準靜態(tài)絕熱過程的功泊松比當(dāng)前38頁，總共53頁。9-4循環(huán)過程循環(huán)過程循環(huán)過程：

系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列狀態(tài)變化過程以后，又回到原來狀態(tài)的過程。

當(dāng)前39頁，總共53頁。（2）正循環(huán)（順時針）吸熱，對外作功

--熱機循環(huán)逆循環(huán)（逆時針）放熱，對系統(tǒng)作功--致冷循環(huán)（1）循環(huán)過程在P-V圖上有什么特點？如果循環(huán)的各階段均為準靜態(tài)過程，則循環(huán)過程可用狀態(tài)圖（如pV圖）上的閉合曲線表示。做功：W=曲線包圍面積熱機：工作物質(zhì)作正循環(huán)的機器。致冷機：工作物質(zhì)作逆循環(huán)的機器。當(dāng)前40頁，總共53頁。熱機循環(huán)(正循環(huán))2)熱流圖高溫低溫3)熱循環(huán)效率制冷循環(huán)(逆循環(huán))1)PV

圖2)熱流圖高溫低溫3)制冷系數(shù)目的：吸熱對外作功目的：通過作功吸熱1)PV

圖熱機和制冷機當(dāng)前41頁，總共53頁。卡諾循環(huán)及其效率卡諾（法國人、

1796-1832）他出色地、創(chuàng)造性地用“理想實驗”的思維方法，提出了最簡單，但有重要理論意義的熱機循環(huán)——卡諾循環(huán)，并假定該循環(huán)在準靜態(tài)條件下是可逆的，與工質(zhì)無關(guān)，創(chuàng)造了一部理想的熱機（卡諾熱機）?？ㄖZ的目標是揭示熱產(chǎn)生動力的真正的、獨立的過程和普遍的規(guī)律。1824年卡諾提出了對熱機設(shè)計具有普遍指導(dǎo)意義的卡諾定理，指出了提高熱機效率的有效途徑，揭示了熱力學(xué)的不可逆性，被后人認為是熱力學(xué)第二定律的先驅(qū)。

法國青年工程師、熱力學(xué)的創(chuàng)始人之一，是第一個把熱和動力聯(lián)系起來的人。當(dāng)前42頁，總共53頁?？ㄖZ循環(huán)卡諾循環(huán)：只和兩個恒溫?zé)釒靷鬟f熱量并對外作功的準靜態(tài)、無摩擦循環(huán)。設(shè)系統(tǒng)是理想氣體：2341等溫T1等溫T2絕熱絕熱V1V4V3V2PV高溫?zé)釒霻1低溫?zé)釒霻2卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)能流圖兩個等溫過程和兩個絕熱過程構(gòu)成的理想化循環(huán)。當(dāng)前43頁，總共53頁。2341等溫T1等溫T2絕熱絕熱V1V4V3V2PV理想氣體工質(zhì)

1→2：

3→4：

等溫過程絕熱過程

2→3：

4→1：卡諾循環(huán)的效率當(dāng)前44頁，總共53頁?？ㄖZ循環(huán)的效率：卡諾致冷機的致冷系數(shù)：可以證明:在相同的高溫?zé)釒旌偷蜏責(zé)釒熘g工作的一切可逆熱機，其效率都相等，與工作物質(zhì)種類無關(guān)。當(dāng)前45頁，總共53頁。9-5熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)過程的方向性熱一律：一切熱力學(xué)過程都應(yīng)滿足能量守恒。但滿足能量守恒的過程是否一定都能進行？問題：熱二律：滿足能量守恒的過程不一定都能進行！過程的進行還有個方向性的問題。

設(shè)在某一過程中，系統(tǒng)從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B。如果能使系統(tǒng)進行逆向變化，從狀態(tài)B回復(fù)到初態(tài)A，而且在回復(fù)到初態(tài)A時，周圍的一切也都恢復(fù)原狀，則該過程稱為可逆過程。當(dāng)前46頁，總共53頁。自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的，所謂可逆過程只是一種理想過程。

----存在著時間箭頭可逆機：能產(chǎn)生可逆循環(huán)過程的機器。不可逆機：不能產(chǎn)生可逆循環(huán)過程的機器。如果系統(tǒng)不能回復(fù)到原狀態(tài)A，或者雖能回復(fù)到初態(tài)A，但周圍一切不能恢復(fù)原狀，則該過程稱為不可逆過程。生命過程是不可逆的:

出生“今天的你我怎能重復(fù)昨天的故事!”少年青年中年老年……童年——不可逆！