大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念課件

熱力學(xué)第一定律和第二定律

當(dāng)一個(gè)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自然界的結(jié)構(gòu)有這么多不可思議的奧妙，他會(huì)有一個(gè)觸及靈魂的震動(dòng)。而這個(gè)時(shí)候的感覺(jué)，我想是和最真誠(chéng)的宗教信仰很接近的。

－－－楊振寧結(jié)構(gòu)框圖熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能變化的兩種量度功熱量熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律等值過(guò)程絕熱過(guò)程循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)（理想氣體）（對(duì)熱機(jī)效率的研究）大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念重點(diǎn)：內(nèi)能、功、熱量、摩爾熱容，泊松比熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于理想氣體等體、等壓、等溫過(guò)程，絕熱過(guò)程，和各種循環(huán)過(guò)程?？ㄖZ循環(huán)熱機(jī)效率和制冷系數(shù)熱力學(xué)第二定律難點(diǎn)：熱力學(xué)概率，熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念1)微觀理論－《統(tǒng)計(jì)物理》物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)粒子的熱運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)方法平均效果確定宏觀量與微觀量的聯(lián)系，描述熱現(xiàn)象的規(guī)律和本質(zhì)由基本假設(shè)構(gòu)造性理論熱學(xué)發(fā)展歷史的兩大特征：技術(shù)——物理——技術(shù)模式兩種研究方法——兩種理論前言2)宏觀理論－《熱力學(xué)》歸納觀測(cè)實(shí)驗(yàn)熱現(xiàn)象基本定律，宏觀過(guò)程進(jìn)行的方向和限度，不涉及微觀本質(zhì)永動(dòng)機(jī)是不可能成功的自然遵循什么法則由現(xiàn)象出發(fā)原理性理論大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念3)相互關(guān)系：互相補(bǔ)充，相輔相成統(tǒng)計(jì)物理－熱力學(xué)－宏觀理論，基本結(jié)論來(lái)自實(shí)驗(yàn)事實(shí)，普遍可靠，但不能解釋其本質(zhì)微觀理論，揭示熱現(xiàn)象本質(zhì)驗(yàn)證解釋熱力學(xué)第一定律的創(chuàng)始人熱力學(xué)第二定律的創(chuàng)始人大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念§20.1熱力學(xué)基本概念一、熱力學(xué)系統(tǒng)外界大量粒子組成的宏觀、有限的體系稱(chēng)為熱力學(xué)系統(tǒng)。與其比鄰的環(huán)境稱(chēng)為外界與外界有E

交換，無(wú)m

交換開(kāi)放系統(tǒng)：封閉系統(tǒng)：孤立系統(tǒng)：與外界有m、E

交換與外界無(wú)E、m

交換絕熱例開(kāi)放系統(tǒng)封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念1.描述系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量，如：p、T、V、E...稱(chēng)為系統(tǒng)的狀態(tài)參量。廣延量強(qiáng)度量無(wú)可加性，如p、T狀態(tài)參量有確定值的狀態(tài)——平衡態(tài)二、狀態(tài)參量、熱力學(xué)過(guò)程熱力學(xué)研究熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及狀態(tài)變化2、系統(tǒng)狀態(tài)變化——熱力學(xué)過(guò)程例：氣體自由膨脹非靜態(tài)過(guò)程：中間狀態(tài)不是平衡態(tài)氣體等溫膨脹準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：過(guò)程進(jìn)行得足夠緩慢中間狀態(tài)

~

平衡態(tài)（平衡過(guò)程）大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念3.相平面相圖以狀態(tài)參量為坐標(biāo)變量——

相平面、相空間相圖中的點(diǎn)——對(duì)應(yīng)平衡態(tài)相圖中的線——對(duì)應(yīng)平衡過(guò)程例：等溫、等壓、等體過(guò)程的相圖V大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念三、系統(tǒng)內(nèi)能熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換規(guī)律1.系統(tǒng)內(nèi)能E指所有分子熱運(yùn)動(dòng)能量和分子間相互作用勢(shì)能例：實(shí)際氣體理想氣體(剛性分子)2.內(nèi)能E

是狀態(tài)函數(shù)內(nèi)能變化ΔE只與初末狀態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)過(guò)的過(guò)程無(wú)關(guān)，可以在初、末態(tài)間任選最簡(jiǎn)便的過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念四、功和熱量注意：非靜態(tài)過(guò)程不適用1.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的體積功3.內(nèi)能變化方式做功熱傳遞大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念示功圖：

p-V圖上過(guò)程曲線下的面積系統(tǒng)對(duì)外界做功外界對(duì)系統(tǒng)做功循環(huán)過(guò)程的功大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念思考：注意：功是過(guò)程量過(guò)程不同，曲線下面積不同（可正、可負(fù)、可零）2.熱量中學(xué)：比熱熱容：摩爾熱容：等體摩爾熱容：等壓摩爾熱容：注意：熱量是過(guò)程量定義：大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念3.A與Q

比較E改變方式特點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換量度做功熱傳遞與宏觀位移相聯(lián)系通過(guò)非保守力做功實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)A與溫差相聯(lián)系，通過(guò)分子碰撞實(shí)現(xiàn)熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)Q在系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中，A、Q、△E

間數(shù)量關(guān)系包含熱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍的能量守恒定律熱力學(xué)第一定律大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念§20.2熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用一.熱力學(xué)第一定律1.數(shù)學(xué)形式：系統(tǒng)從外界吸熱=內(nèi)能增量+系統(tǒng)對(duì)外界做功準(zhǔn)靜態(tài)：dQ=dE+pdV理想氣體：微小過(guò)程：dQ=dE+dA增量微小量微小量大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念2.物理意義：涉及熱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換及守恒定律。3.其它表述：第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)：系統(tǒng)不斷經(jīng)歷狀態(tài)變化后回到初態(tài)（不消耗內(nèi)能），不從外界吸熱，只對(duì)外做功蓄水槽發(fā)電機(jī)泵電池蓄水槽重力型浮力型毛細(xì)型子母型……違反熱力學(xué)第一定律，所以不可能成功。即：大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念二.對(duì)理想氣體的應(yīng)用等值過(guò)程

等體過(guò)程

等壓過(guò)程

等溫過(guò)程絕熱過(guò)程1）過(guò)程方程查理定律1.等體過(guò)程（dV=0V=c)大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念2）熱力學(xué)第一定律的具體形式3）等體摩爾熱容單原子分子氣體雙原子分子（剛性）由得吸熱全部用于增加內(nèi)能：注意：大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念2.等壓過(guò)程（dp=0p=c)2)熱力學(xué)第一定律的具體形式1)過(guò)程方程蓋.呂薩克定律大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念3)等壓摩爾熱容邁耶公式泊松比單原子分子氣體雙原子剛性分子大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念討論：理論值與實(shí)驗(yàn)值的差異（P648）注意：大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念實(shí)驗(yàn)結(jié)果：CV隨溫度變化顯示經(jīng)典理論缺陷，是導(dǎo)致近代物理革命原因之一。理論值與實(shí)驗(yàn)值差異的原因：經(jīng)典理論認(rèn)為能量連續(xù)分布，實(shí)際上只有近似連續(xù)，均是量子化的。隨T升高，轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)能量相繼解凍（被激發(fā)），曲線出現(xiàn)三個(gè)臺(tái)階。大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念3.等溫過(guò)程（dT=0T=c)1）過(guò)程方程玻意耳—馬略特定律2）熱力學(xué)第一定律的具體形式吸熱全部用于對(duì)外做功大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念3）摩爾熱容4.絕熱過(guò)程特點(diǎn)：dQ=0絕熱材料快速進(jìn)行（如氣體自由膨脹）大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念1）過(guò)程方程熱力學(xué)第一定律條件:準(zhǔn)靜態(tài)：理想氣體：消去dT絕熱方程大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念2）絕熱線絕熱線：比等溫線陡等溫線：

pV=恒量雙曲線過(guò)pV圖中某點(diǎn)（A)微觀解釋?zhuān)旱葴亟^熱大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念3)熱力學(xué)第一定律的具體形式4)摩爾熱容大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念*5.多方過(guò)程(一般情況)pVo特例：大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念小結(jié)：1.P651表理想氣體典型過(guò)程比較大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念小結(jié)：2.A：準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程非靜態(tài)過(guò)程Q：等體絕熱Q=0等溫（準(zhǔn)靜態(tài)）等壓大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念練習(xí)1.

理想氣體絕熱自由膨脹，去掉隔板實(shí)現(xiàn)平衡后壓強(qiáng)p=?由絕熱方程解1：解2：哪一個(gè)解對(duì)？為什么？絕熱方程對(duì)非靜態(tài)過(guò)程不適用大學(xué)物理熱力學(xué)基本概念解：由氣體狀態(tài)方程可得答案：（D）

一定量的理想氣體，在p—T

圖上沿著一條直線從平衡態(tài)a變化到b則這是一個(gè)：（）(A)絕熱膨脹（B）等容吸熱

(C)吸熱壓縮（D）吸熱膨脹練習(xí)2abp2p1T1T2Tp0大學(xué)物理熱力學(xué)