固體液體和氣體熱力學基礎

固體液體和氣體熱力學基礎1第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四1.固體(1)固體的分類及物理特性固體可以分為晶體和非晶體，而晶體又可以分為單晶體和多晶體.單晶體有規(guī)則的幾何外形.多晶體和非晶體沒有確定的幾何形狀.晶體有確定的熔點，非晶體沒有確定的熔點.單晶體表現(xiàn)為各向異性，多晶體和非晶體表現(xiàn)為各向同性.第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四(2)晶體的微觀結構晶體的宏觀特點是由晶體的內(nèi)部結構決定的，組成晶體的物質(zhì)微粒依照一定的規(guī)律在空間整齊的規(guī)則排列，晶體中物質(zhì)微粒的相互作用很強，微粒的熱運動表現(xiàn)為在一定平衡位置附近做微小的振動，這就是晶體的微觀結構模型.第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四2.液體(1)液體的微觀結構及物理特性從微觀上看有以下特點：液體分子密集在一起，體積不易壓縮；分子間距接近固體分子；液體分子在很小的區(qū)域內(nèi)有規(guī)則排列，此區(qū)域是暫時形成的，邊界和大小隨時改變，并且雜亂無章排列，因而液體表現(xiàn)為各向同性；液體分子的熱運動雖然與固體分子相似，但無長期固定的平衡位置，可在液體中移動，因而顯出流動性，且擴散比固體快.第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四(2)液體的表面張力液體表面層的液體分子間距要比液體內(nèi)部的大一些，因而表面的液體分子呈現(xiàn)為引力.我們把液面各部分間相互吸引的力，叫做液體的表面張力，所以液體表面具有收縮的趨勢.第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四3.液晶物體一方面像液體具有流動性，另一方面又像晶體具有光學、電學性質(zhì)各向異性，把這種介于晶體和液體之間的狀態(tài)的物質(zhì)叫做液晶.由于液晶分子的排列是不穩(wěn)定的，外界條件(如溫度、壓力、摩擦、電磁作用等)的微小變化都會引起液晶分子的排列的變化，從而改變液晶的某些性質(zhì).4.飽和蒸汽與飽和氣壓與液體處于動態(tài)平衡的汽叫做飽和蒸汽，第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四沒有達到動態(tài)平衡的汽叫做未飽和蒸汽，在一定溫度下，飽和蒸汽的分子密度是一定的，因而飽和蒸汽的壓強也是一定的，這個壓強叫做液體的飽和氣壓，它隨溫度升高而增大.5.空氣的濕度通常用水蒸氣的壓強p表示絕對濕度.用空氣中水蒸氣的壓強p與同一溫度時水的飽和氣壓ps之比表示該溫度下空氣的相對濕度，即B=(p/ps)×100%.第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

6.熱力學第一定律

和

都能改變物體的內(nèi)能，__

和

對改變物體的內(nèi)能是等效的.但從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點看又是有區(qū)別的：__

是其他能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化，功是內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度；而

是內(nèi)能間的轉(zhuǎn)移，熱量是內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度.

外界對物體所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增加ΔU，即ΔU=

，這在物理學中叫做

.做功熱傳遞做功熱傳遞做功熱傳遞Q+W熱力學第一定律第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四在這個表達式中，當外界對物體做功時W取正，物體克服外力做功時W取負；當物體從外界吸熱時Q取正，物體向外界放熱時Q取負；ΔU為正表示物體內(nèi)能增加，ΔU為負表示物體內(nèi)能減小.第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

7.能量守恒定律能量守恒定律指出：能量即不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式

。為別的形式，或者從一個物體

到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變.能量守恒定律是自然界普遍適用的規(guī)律之一，是研究自然科學的強有力的武器之一.

8.熱力學第二定律(1)熱傳導的方向性.熱傳導的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發(fā)地進行轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四(熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體)，但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進行.(2)第二類永動機不可能制成.我們把沒有冷凝器，只有單一熱源，從單一熱源吸收熱量全部用來做功，而不引起其他變化的熱機稱為第二類永動機.這表明機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性：機械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機械能而不引起其他變化.第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

(3)熱力學第二定律.表述：①

。

。

(按熱傳導的方向性表述).②

。

。

(按機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述).③第二類永動機是不可能制成的.熱力學第二定律使人們認識到：熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性.它揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，使得它成為獨立于熱力學第一定律的一個重要的自然規(guī)律.不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四9.能量耗散自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用.很多事例證明，我們無法把流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用.這種現(xiàn)象叫做能量的耗散.它從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀現(xiàn)象具有方向性.10.理想氣體的內(nèi)能理想氣體的分子間作用力為零，分子勢能為零，所以理想氣體的內(nèi)能等于

.那么決定一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能的宏觀標志是

.分子動能溫度第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四11.理想氣體狀態(tài)方程三個參量：P,V,T核心公式：PV/T=nR其中(n為物質(zhì)的量，R為一常量)幾個等值變化過程(1)絕熱過程絕熱一般指封閉氣體的材料絕熱或過程完成得迅速，此過程的特點是熱量Q=0，那么同學們可以討論當一個絕熱氣缸內(nèi)的氣體向外膨脹時，氣體的內(nèi)能如何變化？氣體的溫度如何變化？第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四當一個絕熱氣缸內(nèi)的氣體向外膨脹的過程中，氣體的體積變大，氣體對外做功，又因為是絕熱過程，氣體既不吸熱也不向外界放熱，根據(jù)熱力學第一定律，其內(nèi)能減小，氣體的溫度降低.(2)等溫過程等溫過程——玻意耳定律內(nèi)容：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變時，壓強和體積的乘積是恒量.第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四表達式：p1V1=p2V2，圖象表示為：等溫過程中氣體的溫度保持不變，所以其內(nèi)能不變.那么當一定質(zhì)量的理想氣體的壓強增大，系統(tǒng)是吸熱還是放熱？第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四因為是等溫過程，所以系統(tǒng)的內(nèi)能不變；根據(jù)玻意耳定律，當氣體壓強增大時，氣體的體積變小，外界對氣體做功；根據(jù)熱力學第一定律，系統(tǒng)向外界放熱.(3)等容過程等容過程——查理定律內(nèi)容：一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的情況下，它的壓強和熱力學溫標成正比.第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四表達式：P1/T1=P2/T2等容過程的特點是什么？那么當一定質(zhì)量的理想氣體的壓強增大，系統(tǒng)是吸熱還是放熱？體積不變，所以做功W=0；根據(jù)查理定律，氣體的壓強增大，則溫度升高，內(nèi)能變大；根據(jù)熱力學第一定律，系統(tǒng)從外界吸熱.(4)等壓過程等壓變化——蓋·呂薩克定律第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)容：一定質(zhì)量的氣體，在壓強不變的情況下，它的體積和熱力學溫標成正比.表達式：等壓過程的特點是什么？那么當一定質(zhì)量的理想氣體的體積增大，系統(tǒng)是吸熱還是放熱？壓強不變，根據(jù)蓋·呂薩克定律，氣體的體積增大，則溫度升高，內(nèi)能變大；又因為氣體的體積變大，氣體對外界做功；根據(jù)熱力學第一定律，系統(tǒng)從外界吸熱.第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四主題(1)熱力學第一定律

(單選)關于物體內(nèi)能的變化，下列說法正確的是(

)A.氣體對外做功，溫度一定降低，內(nèi)能一定減少B.氣體吸收熱量，溫度一定增加，內(nèi)能一定增大C.氣體吸收熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變D.氣體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能可能不變C第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

熱力學第一定律氣體內(nèi)能的變化與外界對氣體做功(或氣體對外界做功)、氣體從外界吸熱(或向外界放熱)兩種因素有關.氣體吸收熱量，但有可能同時對外做功，故內(nèi)能有可能不變甚至減少，A錯；同理，氣體對外做功的同時有可能吸熱，故內(nèi)能不一定減少，B錯；若氣體吸收的熱量與對外做功相等，則內(nèi)能不變，C正確；而放熱與對外做功都是使氣體內(nèi)能減少，D錯.所以應選C.第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時氣體對外做了6×105J的功，問：(1)物體的內(nèi)能變化多少？(2)分子勢能是增加還是減少？(3)分子動能如何變化？

熱力學第一定律，ΔU=Q+W的定量分析第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

(1)因氣體從外界吸收熱量，所以Q=4.2×105J，氣體對外做功W=-6×105J，據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q得ΔU=-6×105J+4.2×105J=-1.8×105J，所以物體內(nèi)能減少了1.8×105J.(2)因為氣體對外做功，體積膨脹，分子間距離增大了，分子力做負功，氣體的分子勢能增加了.(3)因為氣體內(nèi)能減少了，而分子勢能增加了，所以分子動能必然減少了，且分子動能的減少量一定大于分子勢能的增加量.第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四(雙選)下列說法正確的是(

)A．外界對氣體做功，氣體的內(nèi)能一定增加B．熱量不可能從低溫物體傳遞到高溫物體C．第一類永動機不可能制成，因為它違反能量守恒定律D．自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性CD第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四如果外界對氣體做功，同時氣體對外界放出熱量，當放出熱量多于做功，則物體的內(nèi)能一定減少；當放出熱量等于做功，則物體的內(nèi)能一定不變；當放出熱量少于做功，則物體的內(nèi)能一定增加，故A錯誤；在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，B錯誤；CD都是按熱力學第一、二定律來判斷．第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四主題(2)熱力學第二定律

（雙選）根據(jù)熱力學第二定律，可知下列說法中正確的有(

)A.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，也可能從低溫物體傳到高溫物體C.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，但熱量不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能D.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量也可能全部轉(zhuǎn)化為機械能BD第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

熱力學第二定律

根據(jù)熱傳遞的規(guī)律可知熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體；當外界對系統(tǒng)做功時，可以使系統(tǒng)從低溫物體吸取熱量傳到高溫物體上去，制冷機(如冰箱和空調(diào))就是這樣的裝置.但是熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體.選項A錯誤，B正確.第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

一個運動的物體，克服摩擦阻力做功，最終停止，在這個過程中機械能全部轉(zhuǎn)化為熱量.外界條件發(fā)生變化時，熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能；如在等溫膨脹過程中，系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外界做的功，選項C錯誤，D正確.在做判斷或推理時，一定要注意定律的完整性，不能理解片面．第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

(雙選)以下說法中不正確的是(

)A.即使氣體的溫度很高，仍有一些分子的運動速率是非常小的B.空調(diào)制冷時，將熱量從溫度較低的室內(nèi)送到溫度較高的室外，所以是不遵守熱力學第二定律的C.對于一定量的氣體，當溫度降低時，速率大的分子數(shù)目減小，而速率小的分子數(shù)目增加D.從單一熱源吸取熱量使之完全變成有用的機械能是不可能的BD第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

①氣體的溫度很高，只能說明氣體分子的平均動能很大，但不能排除極個別分子由于碰撞等原因造成的運動速率非常小的現(xiàn)象.②“熱量不能自發(fā)的從低溫物體傳到高溫物體”，這是熱力學第二定律的克勞修斯表述，里面有“自發(fā)”二字！空調(diào)機使用時，消耗了電能才把熱量從溫度較低的室內(nèi)送到溫度較高的室外，不能說它不遵守熱力學第二定律.第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四③熱力學第二定律的開爾文表述為：“不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響”，定律的敘述中，最后有“而不產(chǎn)生其他影響”，答案D是不完整的，所以錯誤.

第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四(單選)根據(jù)熱力學第二定律，下列判斷不正確的是(

)A．熱機中燃氣的內(nèi)能不可能全部變成機械能B．電能不可能全部變成內(nèi)能C．在火力發(fā)電機中，燃氣的內(nèi)能不可能全部變成電能D．在熱傳導中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體B第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀現(xiàn)象都具有方向性．無論采用任何設備和手段進行能量轉(zhuǎn)化，總是遵循“機械能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變化”，故A正確；火力發(fā)電機發(fā)電時，能量轉(zhuǎn)化的過程為內(nèi)能—機械能—電能，因為內(nèi)能—機械能的轉(zhuǎn)化過程中會對外放出熱量，故燃氣的內(nèi)能必然不能全部變?yōu)殡娔?，C正確．第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四熱量從低溫物體傳遞到高溫物體不能自發(fā)進行，必須借助外界的幫助，結果會帶來其他影響，這正是熱力學第二定律第一種表述的主要思想，故D正確．由電流熱效應中的焦耳定律可知，電能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故B錯誤．第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四主題(3)理想氣體狀態(tài)方程

（單選）已知理想氣體的內(nèi)能與溫度成正比.如圖13-2-1所示的實線表示汽缸內(nèi)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)1到狀態(tài)2的變化曲線，則在整個過程中汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能(

)圖13-2-1

A.先增大后減小B.先減小后增大

C.單調(diào)變化D.保持不變B第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

理想氣體狀態(tài)方程

由pV/T為恒量，由圖象與坐標軸圍成的面積表示pV乘積，從實線與虛線等溫線比較可得出，該面積先減小后增大，說明溫度T先減小后增大，內(nèi)能先減小后增大.

圖象與坐標軸圍成的面積的意義在氣態(tài)方程中比較常用.第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四(雙選)一定質(zhì)量的理想氣體，在等溫膨脹過程中，下列說法正確的是(

)A．氣體對外做功，內(nèi)能減少B．氣體內(nèi)能不變，對外做功，吸收熱量C．氣體吸收熱量，內(nèi)能增大D．氣體與外界發(fā)生熱交換BD一定質(zhì)量的理想氣體，等溫變化，內(nèi)能不變，體積增大，氣體對外做功，根據(jù)熱力學第一定律可知，氣體必須從外界吸收熱量．第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四