(2024年)大學(xué)物理《熱力學(xué)基礎(chǔ)》課件

大學(xué)物理《熱力學(xué)基礎(chǔ)》課件12024/3/26熱力學(xué)基本概念與定律熱量傳遞與熱機(jī)效率熵增原理與熱力學(xué)第二定律理想氣體狀態(tài)方程及應(yīng)用相變與臨界點(diǎn)現(xiàn)象實(shí)際氣體性質(zhì)及近似方法contents目錄22024/3/2601熱力學(xué)基本概念與定律32024/3/26熱力學(xué)系統(tǒng)及其分類孤立系統(tǒng)封閉系統(tǒng)開放系統(tǒng)與外界有能量交換但無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。與外界既無物質(zhì)交換也無能量交換的系統(tǒng)。42024/3/26在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)長時間內(nèi)不發(fā)生變化的狀態(tài)。系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)的經(jīng)過。熱力學(xué)平衡態(tài)與過程熱力學(xué)過程平衡態(tài)52024/3/26熱力學(xué)第零定律與溫度概念熱力學(xué)第零定律如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)之間也將達(dá)到熱平衡。溫度概念表征物體冷熱程度的物理量，是物體分子熱運(yùn)動的平均動能的標(biāo)志。62024/3/26熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。熱力學(xué)第一定律在一個孤立系統(tǒng)中，不論發(fā)生何種變化或過程，其總能量始終保持不變。能量守恒熱力學(xué)第一定律與能量守恒72024/3/2602熱量傳遞與熱機(jī)效率82024/3/26熱傳導(dǎo)物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于溫度差異引起的熱能傳遞現(xiàn)象。特點(diǎn)是無物質(zhì)遷移，僅通過微觀粒子的熱運(yùn)動傳遞能量。熱對流流體中由于溫度差異引起的熱能傳遞現(xiàn)象。特點(diǎn)是伴隨著流體的宏觀運(yùn)動，熱量通過流體質(zhì)點(diǎn)的位移來傳遞。熱輻射物體通過電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。特點(diǎn)是無需介質(zhì)，能量以光速傳播，且溫度越高，輻射越強(qiáng)。熱量傳遞方式及特點(diǎn)92024/3/26固體中的熱傳導(dǎo)、液體中的熱傳導(dǎo)、氣體中的熱傳導(dǎo)等。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象傅里葉定律描述了熱傳導(dǎo)過程中熱流密度與溫度梯度之間的關(guān)系，即熱流密度正比于溫度梯度，比例系數(shù)稱為熱導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)規(guī)律熱傳導(dǎo)現(xiàn)象與規(guī)律102024/3/26對流換熱原理牛頓冷卻定律描述了對流換熱過程中熱流密度與溫差之間的關(guān)系，即熱流密度正比于溫差，比例系數(shù)稱為對流換熱系數(shù)。對流換熱應(yīng)用自然對流和強(qiáng)制對流是兩種常見的對流換熱方式，廣泛應(yīng)用于散熱器設(shè)計(jì)、電子設(shè)備冷卻等領(lǐng)域。對流換熱原理及應(yīng)用112024/3/26VS所有物體都會向外發(fā)射熱輻射，同時也會吸收和反射來自其他物體的熱輻射。黑體輻射黑體是一種理想化的物體，能夠完全吸收所有波長的輻射能量，沒有反射和透射。黑體輻射的規(guī)律由普朗克輻射定律描述，即黑體輻射的能量密度與溫度的四次方成正比。熱輻射現(xiàn)象熱輻射現(xiàn)象及黑體輻射122024/3/2603熵增原理與熱力學(xué)第二定律132024/3/26熵增原理在一個孤立系統(tǒng)中，熵（代表系統(tǒng)的無序程度）總是趨向于增加，即系統(tǒng)總是向著更加無序的方向發(fā)展。熵增原理的意義揭示了自然界中不可逆過程的普遍性和必然性，為熱力學(xué)第二定律提供了理論基礎(chǔ)。熵增原理及意義142024/3/26克勞修斯表述不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。開爾文表述不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。熵增表述在孤立系統(tǒng)中，熵總是增加的，即系統(tǒng)的無序程度總是增加的。熱力學(xué)第二定律表述152024/3/26可逆過程01系統(tǒng)經(jīng)過某一過程從狀態(tài)1變到狀態(tài)2后，如果能使系統(tǒng)和環(huán)境都完全復(fù)原（即不留下任何永久性的變化），則這樣的過程稱為可逆過程。不可逆過程02系統(tǒng)經(jīng)過某一過程從狀態(tài)1變到狀態(tài)2后，無論采用何種方法都不能使系統(tǒng)和環(huán)境都完全復(fù)原的過程稱為不可逆過程。可逆過程與不可逆過程的區(qū)別03可逆過程是理想化的過程，實(shí)際中不存在；而不可逆過程是實(shí)際過程中普遍存在的現(xiàn)象?？赡孢^程與不可逆過程162024/3/26卡諾循環(huán)與卡諾定理由兩個等溫過程和兩個絕熱過程構(gòu)成的循環(huán)稱為卡諾循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)是一種理想化的循環(huán)，用于研究熱機(jī)效率的理論極限?？ㄖZ循環(huán)在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(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)；在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率都小于可逆熱機(jī)的效率?？ㄖZ定理172024/3/2604理想氣體狀態(tài)方程及應(yīng)用182024/3/26理想氣體狀態(tài)方程表達(dá)式pV=nRT，其中p為壓強(qiáng)，V為體積，n為物質(zhì)的量，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。理想氣體狀態(tài)方程的適用條件適用于稀薄氣體或高溫低壓下的真實(shí)氣體，此時分子間相互作用力可忽略不計(jì)。理想氣體狀態(tài)方程的意義揭示了氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度之間的內(nèi)在聯(lián)系，為熱力學(xué)分析提供了基礎(chǔ)。理想氣體狀態(tài)方程030201192024/3/2603等溫過程應(yīng)用利用等溫過程可以計(jì)算氣體在等溫條件下的狀態(tài)變化，如等溫膨脹、等溫壓縮等。01等溫過程定義在等溫條件下，氣體發(fā)生狀態(tài)變化的過程。02等溫過程特點(diǎn)在等溫過程中，氣體的內(nèi)能不變，吸收的熱量全部用于做功。理想氣體等溫過程分析202024/3/26在絕熱條件下，氣體與外界沒有熱量交換的過程。絕熱過程定義在絕熱過程中，氣體的內(nèi)能發(fā)生變化，但無法通過熱傳遞與外界交換能量。絕熱過程特點(diǎn)利用絕熱過程可以分析氣體在絕熱條件下的狀態(tài)變化，如絕熱膨脹、絕熱壓縮等。絕熱過程應(yīng)用理想氣體絕熱過程分析212024/3/26理想氣體多方過程分析在多方條件下，氣體發(fā)生狀態(tài)變化的過程，其中多方指數(shù)n不等于1。多方過程特點(diǎn)在多方過程中，氣體的內(nèi)能、體積和壓強(qiáng)均發(fā)生變化，且滿足pV^n=常數(shù)的關(guān)系。多方過程應(yīng)用利用多方過程可以分析氣體在多方條件下的狀態(tài)變化，如多方膨脹、多方壓縮等。同時，多方過程也是連接等溫過程和絕熱過程的橋梁。多方過程定義222024/3/2605相變與臨界點(diǎn)現(xiàn)象232024/3/26物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)的過程，如固-液、液-氣、固-氣等相變。根據(jù)相變過程中熱力學(xué)性質(zhì)的變化，可分為一級相變和二級相變。一級相變伴隨著熱量的吸收或釋放，體積發(fā)生變化；二級相變則不伴隨熱量的吸收或釋放，體積不發(fā)生變化。相變現(xiàn)象分類相變現(xiàn)象及分類242024/3/26臨界點(diǎn)現(xiàn)象在特定的溫度和壓力下，物質(zhì)的氣態(tài)和液態(tài)之間的差別消失，形成一個單一的、高密度的流體狀態(tài)，稱為超臨界狀態(tài)。特點(diǎn)在臨界點(diǎn)附近，物質(zhì)的密度、粘度、擴(kuò)散系數(shù)等物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化；超臨界流體具有類似氣體的擴(kuò)散性和類似液體的溶解能力。臨界點(diǎn)現(xiàn)象及特點(diǎn)252024/3/26熔化物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程，需要吸收熱量，破壞晶格結(jié)構(gòu)，使分子或原子的振動幅度增大，最終導(dǎo)致物質(zhì)熔化。要點(diǎn)一要點(diǎn)二凝固物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，需要釋放熱量，分子或原子重新排列形成晶格結(jié)構(gòu)。固-液相變過程分析262024/3/26123物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程，發(fā)生在液體表面，分子從液體表面逸出，進(jìn)入氣相。蒸發(fā)物質(zhì)在液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生的劇烈的汽化現(xiàn)象，需要吸收大量熱量，使液體內(nèi)部形成氣泡并上升至液面破裂。沸騰物質(zhì)從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程，需要釋放熱量，氣相中的分子聚集成團(tuán)，最終形成液滴。凝結(jié)液-氣相變過程分析272024/3/2606實(shí)際氣體性質(zhì)及近似方法282024/3/26實(shí)際氣體的壓縮性實(shí)際氣體在受到壓力作用時，體積會發(fā)生變化，表現(xiàn)出壓縮性。實(shí)際氣體的熱膨脹性實(shí)際氣體在吸收或放出熱量時，體積也會發(fā)生變化，表現(xiàn)出熱膨脹性。實(shí)際氣體與理想氣體的差異實(shí)際氣體分子間存在相互作用力，且分子本身具有一定體積，這使得實(shí)際氣體的性質(zhì)與理想氣體有所不同。實(shí)際氣體性質(zhì)簡介292024/3/26范德華方程及應(yīng)用范德華方程雖然比理想氣體方程更精確，但仍然是一種近似方法，對于某些特殊情況可能不夠準(zhǔn)確。范德華方程的局限性范德華方程是描述實(shí)際氣體狀態(tài)的一個方程，它考慮了分子間的相互作用力和分子本身的體積，能夠更準(zhǔn)確地描述實(shí)際氣體的性質(zhì)。范德華方程的形式及意義范德華方程適用于中低壓、中低溫的實(shí)際氣體，對于高壓、高溫或極低溫的情況，需要使用更精確的方程來描述。范德華方程的應(yīng)用范圍302024/3/26對應(yīng)態(tài)原理的內(nèi)容對應(yīng)態(tài)原理指出，不同氣體在相同的對應(yīng)狀態(tài)下具有相似的性質(zhì)。這里的對應(yīng)狀態(tài)是指具有相同的對比壓力、對比溫度和對比體積的狀態(tài)。對應(yīng)態(tài)原理的應(yīng)用利用對應(yīng)態(tài)原理，可以通過已知某種氣體的性質(zhì)來推測其他氣體在相同對應(yīng)狀態(tài)下的性質(zhì)，從而簡化實(shí)際問題的處理。對應(yīng)態(tài)原理的局限性對應(yīng)態(tài)原理是一種近似方法，其準(zhǔn)確性受到氣體種類和對比狀態(tài)參數(shù)范圍的影響。在某些情況下，可能需要使用更精確的方法來描述氣體的性質(zhì)。010203對應(yīng)態(tài)原理及應(yīng)用312024/3/26近似處理方法的種類根據(jù)實(shí)際需要和精度要求，可以選擇不同的近似處理方法來描述實(shí)際氣體的性質(zhì)，如范德華方程、對應(yīng)態(tài)原理等。近似處理方法的適用條件不同的近似處理方法有不同的適用條件，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。