大學(xué)物理課件：熱力學(xué)基礎(chǔ)

熱力學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)基本要求

一、掌握內(nèi)能、功、熱量、準(zhǔn)靜態(tài)過程等概念；二、掌握熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用，及理想氣體在等值過程中功、熱量等物理量的計(jì)算；三、理解循環(huán)的意義，掌握卡諾循環(huán)和其他簡單循環(huán)效率的計(jì)算；四、了解可逆、不可逆過程，及熱力學(xué)第二定律和熵增加原理；1.熱力學(xué)過程：系統(tǒng)由狀態(tài)A隨時(shí)間變化達(dá)到狀態(tài)B，則稱該系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)熱力學(xué)過程。熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間的變化稱為熱力學(xué)過程。2.熱力學(xué)過程可分為：a.準(zhǔn)靜態(tài)過程；

b.非靜態(tài)過程；3.準(zhǔn)靜態(tài)過程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)經(jīng)一系列中間平衡態(tài)到另一平衡態(tài)的理想過程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程。13.1.1準(zhǔn)靜態(tài)過程13.1熱力學(xué)第一定律氣體活塞細(xì)砂12注意：

a.準(zhǔn)靜態(tài)過程是熱力學(xué)過程中的一種特殊過程，是相對(duì)緩慢的實(shí)際過程的近似；

b.準(zhǔn)靜態(tài)過程在P—V圖中對(duì)應(yīng)曲線；1.功：能量傳遞和轉(zhuǎn)換的量度，可引起系統(tǒng)狀態(tài)變化；2.準(zhǔn)靜態(tài)過程系統(tǒng)對(duì)外界的體變功為：注意：a.功是過程量；

b.本章僅討論體變功；(1)(2)13.1.2功2.改變系統(tǒng)狀態(tài)的兩種方法：作功、傳熱；c.功與熱量的物理本質(zhì)不同；b.等效性：改變系統(tǒng)狀態(tài)(1卡

=4.18J；1J=0.24

卡)；a.過程量：與熱力學(xué)過程有關(guān)；討論：功與熱量的異同；1.熱量：由于存在溫差，外界與系統(tǒng)傳遞的能量稱為熱量；13.1.3熱量2AB1**1.實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)從狀態(tài)A

變化到狀態(tài)B

，可采用做功和傳熱的方法，但不管經(jīng)過什么過程，只要始、末狀態(tài)確定，做功和傳熱之和保持不變：13.1.4內(nèi)能2.熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能是由系統(tǒng)的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所決定的單值函數(shù)。內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)初、終態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)經(jīng)歷的過程無關(guān)：2AB1**3.理想氣體內(nèi)能:

其內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)：(1)

我一生的樂趣在于不斷地去探求未知的那個(gè)世界。如果我能夠?qū)ζ溆幸稽c(diǎn)點(diǎn)的了解，能有一點(diǎn)點(diǎn)的成就，那我就非常知足。

JamesPrescortJoule,1818-1889焦耳：對(duì)熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)作出了杰出的貢獻(xiàn)。該發(fā)現(xiàn)被視為十九世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之首。焦耳一生沒有受過正規(guī)的學(xué)校教育，可他竟然以一位釀酒商的身份于業(yè)余時(shí)間成為現(xiàn)代熱力學(xué)的始祖。13.1.5熱力學(xué)第一定律機(jī)械功改變系統(tǒng)狀態(tài)的焦耳實(shí)驗(yàn)AV電功改變系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)1.熱力學(xué)第一定律：系統(tǒng)從外界吸收熱量，部分使系統(tǒng)內(nèi)能增加,部分使系統(tǒng)對(duì)外界做功:12**(2)(3)準(zhǔn)靜態(tài)過程：(4)微小過程：13.1.5熱力學(xué)第一定律

a.能量轉(zhuǎn)換和守恒定律；

b.實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)；

c.自然界的普遍規(guī)律;+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對(duì)外界做功外界對(duì)系統(tǒng)做功2.規(guī)定：3.第一定律的物理意義：2.該定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，是自然界最基本的規(guī)律之一：自然界物質(zhì)的能量具有各種形式，并能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，由一個(gè)系統(tǒng)傳遞給另一個(gè)系統(tǒng)，但在傳遞與轉(zhuǎn)換過程中，能量保持不變；關(guān)于熱力學(xué)第一定律：3.第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。1.該定律指出了功與熱量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，是熱力學(xué)的基本規(guī)律之一；13.2.1等體過程氣體的摩爾定體熱容2.摩爾定體熱容：理想氣體在等體過程中吸收的熱量，使溫度升高，其摩爾定體熱容為：過程方程：(1)熱力學(xué)第一定律：(2)(3)13.2.熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用1.等體過程的特征：

等體升壓

12

等體降壓

12(5)(4)(6)1213.2.2等壓過程摩爾定壓熱容1.等壓過程的特征：2.摩爾定壓熱容:理想氣體在等壓過程中吸收的熱量，溫度升高，其摩爾定壓熱容：過程方程：(1)體變功：(2)W(4)(3)熱一律：(5)(6)Mayer公式：(7)3.摩爾熱容比：

(8)12W等壓膨脹12W等壓壓縮

W

W(11)(10)系統(tǒng)等壓過程吸收的熱量：系統(tǒng)等壓過程內(nèi)能的增量：(9)系統(tǒng)等壓過程的體變功：4.比熱容對(duì)任意物質(zhì)組成的熱力學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)歷任意過程，則可定義對(duì)應(yīng)于該過程的：熱容：(12)比熱容：(13)注意：

1.熱容是過程量，與系統(tǒng)經(jīng)歷的過程有關(guān)；

2.熱容與系統(tǒng)的質(zhì)量有關(guān)；

3.比熱容僅與過程有關(guān)；例題13.2.1設(shè)氣缸內(nèi)儲(chǔ)有1mol的氫氣，在壓強(qiáng)保持不變的條件下，其溫度升高120K。試求：

（1）氫氣吸收的熱量；

（2）氫氣的內(nèi)能增量；

（3）氫氣所做的功；解：分析由題意知為等壓過程，將氫氣視為剛性雙原子構(gòu)成的理想氣體，則由相應(yīng)關(guān)系式可解：（1）由其摩爾定壓熱容得到氫氣等壓過程吸收的熱量為：（3）由熱力學(xué)第一定律得到氫氣等壓過程對(duì)外界做的功為：（2）由其摩爾定體熱容得到氫氣等壓過程內(nèi)能的增量為：等溫過程的特征：

恒溫?zé)嵩碩12過程方程：常量(1)熱力學(xué)第一定律：(2)(3)13.2.3等溫過程等溫過程有：12等溫膨脹W12W等溫壓縮

W

W(4)1.絕熱過程的特征：12絕熱的汽缸壁和活塞(2)(3)(1)熱一律：13.2.4絕熱過程12W由(3)式及：可得：(4)(5)(6)2.絕熱過程方程的推出：12(1)(2)分離變量得：(4)(3)由(2)式得：(5)(4)(6)絕熱過程方程：(4)式整理得：12W絕熱膨脹12W絕熱壓縮

W

W3.絕熱線與等溫線a.絕熱過程曲線的斜率b.等溫過程曲線的斜率常量(1)(2)(3)常量(4)ABC常量(5)(6)ABC常量結(jié)論：絕熱線的斜率（絕對(duì)值）大于等溫線的斜率。(7)例題13.2.2設(shè)有10mol的氧氣，如圖13.7所示初態(tài)的壓強(qiáng)為、溫度為，試求下列過程把氧氣壓縮為原來體積的時(shí)所做的功：（1）等溫過程；（2）絕熱過程；（3）兩過程終態(tài)氣體壓強(qiáng).解：分析由等溫、絕熱準(zhǔn)靜態(tài)過程功的關(guān)系式及過程方程可解：（1）等溫過程外界對(duì)氧氣做的功為：（2）將氧氣視為剛性雙原子分子，其摩爾定體熱容及摩爾熱容比為：經(jīng)絕熱過程氧氣的終態(tài)溫度為：則絕熱過程外界對(duì)氧氣所做的功為：（3）經(jīng)等溫過程、絕熱過程，其終態(tài)壓強(qiáng)由對(duì)應(yīng)過程方程分別求得：1.熱機(jī)發(fā)展簡介：1698年薩維利、1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機(jī)。但當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)效率極低，1765年瓦特進(jìn)行了重大改進(jìn)，大大提高了蒸汽機(jī)效率。3.各種熱機(jī)效率比較：液體燃料火箭：柴油機(jī)：汽油機(jī)：蒸汽機(jī)：2.研究目的：人們一直為提高熱機(jī)效率而努力。從理論上研究熱機(jī)效率問題，可指明提高熱機(jī)效率的方向，另一方面也推動(dòng)了熱學(xué)理論的發(fā)展。13.3熱力學(xué)循環(huán)與卡諾定理1.

循環(huán)過程：系統(tǒng)經(jīng)一系列中間變化又回到初態(tài)的過程稱為熱力學(xué)循環(huán)過程，簡稱循環(huán)。準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程在P—V圖上對(duì)應(yīng)一閉合曲線。13.3.1循環(huán)過程2.規(guī)定：P—V圖中按順時(shí)針進(jìn)行的循環(huán)為正循環(huán)，對(duì)應(yīng)熱機(jī)；P—V圖中按逆時(shí)針進(jìn)行的循環(huán)為逆循環(huán)，對(duì)應(yīng)致冷機(jī)。3.循環(huán)過程的功：P—V圖中正循環(huán)所包圍的“面積”是系統(tǒng)對(duì)外的凈功；P—V圖中逆循環(huán)所包圍的“面積”是外界對(duì)系統(tǒng)的凈功；AB總放熱：（注意：取絕對(duì)值）總吸熱：凈功：(3)熱一律：(2)循環(huán)特征：(1)AB(4)13.3.2熱機(jī)和致冷機(jī)熱機(jī)高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碅B熱機(jī)效率：(5)熱機(jī)正循環(huán)AB致冷機(jī)高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩粗吕湎禂?shù)：(6)致冷機(jī)逆循環(huán)13.3.3卡諾循環(huán)

低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)WABCD1.卡諾循環(huán)：由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫過程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程組成的循環(huán)。2.理想氣體卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的計(jì)算

a—b

等溫膨脹：吸熱；

b—c

絕熱膨脹：

c—d

等溫壓縮：放熱；

d—a

絕熱壓縮：Wabcd卡諾循環(huán)對(duì)應(yīng)的過程：a—b等溫膨脹吸熱:(1)(2)c—d

等溫壓縮放熱：b—c

絕熱過程：(3)

d—a

絕熱過程：(4)(5)WABCD(3)、(4)(6)結(jié)論：卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無關(guān)，只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高.

卡諾熱機(jī)效率：(7)Wabcd高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯ㄖZ致冷機(jī)3.卡諾致冷機(jī)（卡諾逆循環(huán)）Wabcd卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)：(8)

圖中兩卡諾循環(huán)嗎？討論：例題13.3.11mol氧氣經(jīng)歷如圖13.13所示循環(huán)過程，其中，試求：(1)，和各過程氣體吸收或釋放的熱量；

(2)該循環(huán)對(duì)應(yīng)的熱機(jī)效率。解：分析由理想氣體物態(tài)方程、過程方程及熱機(jī)效率關(guān)系式可求：為等體升壓過程，該過程吸收的熱量為：為等壓膨脹過程，該過程吸收的熱量為：

為等容降壓過程，該過程釋放的熱量為：

為等壓壓縮過程，溫度降低釋放熱量為：(2)循環(huán)過程氣體對(duì)外做的功及熱機(jī)效率：

整個(gè)循環(huán)過程吸收總熱量為：

解：分析由卡諾熱機(jī)效率可直接求解，于是得到鍋爐的效率為：例題13.3.2設(shè)蒸汽機(jī)車的鍋爐溫度為，其冷卻器溫度為，若將鍋爐的循環(huán)視為理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)卡諾正循環(huán)，試求鍋爐的效率。

注意：實(shí)際蒸汽機(jī)的效率遠(yuǎn)小于上述結(jié)果。由于鍋爐內(nèi)燃料燃燒的熱量只有部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝臒崮?，、再加上各種損耗，蒸汽機(jī)車的最高效率只有8%～9%。目前效率較低的蒸汽機(jī)車已被內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車、動(dòng)車組取代。例13.3.3設(shè)電冰箱置于室溫的房間內(nèi)，冷藏室的溫度維持在，由于冰箱老化密封性能欠佳，每天有熱量傳遞到電冰箱內(nèi)。設(shè)電冰箱的制冷題系數(shù)為卡諾制冷機(jī)制冷系數(shù)的55%，若要使冷藏室的溫度維持在，試求電冰箱壓縮機(jī)每天做的功及功率。解：分析由題意已知電冰箱制冷系數(shù)，故由卡諾制冷機(jī)制冷系數(shù)及制冷系數(shù)定義，帶入已知數(shù)據(jù)可求對(duì)應(yīng)功及功率如下：2.開爾文說法（熱機(jī)表述）：不可能從單一熱源吸取熱量，使其完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生任何其它影響。13.4.1熱力學(xué)第二定律的兩種表述提出問題：違背熱力學(xué)第一定律的熱力學(xué)過程一定不會(huì)發(fā)生，符合該定律的熱力學(xué)過程一定會(huì)發(fā)生嗎？13.4熱力學(xué)第二定律1.第二類永動(dòng)機(jī)：從單一熱源吸熱，將其全部用來對(duì)外作功而不放出熱量到低溫?zé)嵩吹臒釞C(jī)，效率可達(dá)百分之百！12W

WWABCD低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)卡諾循環(huán)等溫膨脹過程卡諾致冷機(jī)：雖然該機(jī)能把熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體，但需外界作功且使環(huán)境發(fā)生變化。3.克勞修斯說法（致冷機(jī)表述）：不可能把熱量由低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生任何其它影響。高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯ㄖZ致冷機(jī)WABCD

1.熱力學(xué)第二定律是大量實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)；

3.熱力學(xué)第二定律可有多種等效說法；

2.熱力學(xué)第二定律的兩種說法具有等效性；注意：13.4.2熱力學(xué)第二定律兩種表述的等效性可以證明：開爾文表述與克勞修斯表述等效。1.可逆過程:在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，若其逆過程能重復(fù)正過程的每一狀態(tài),而不引起其他變化,這樣的過程叫做可逆過程。13.5可逆過程與不可逆過程卡諾定理準(zhǔn)靜態(tài)無摩擦過程為可逆過程13.5.1可逆過程與不可逆過程3.不可逆過程：在不引起其他變化的條件下，不能使逆過程重復(fù)正過程的每一狀態(tài)，或雖能重復(fù)但必然引起其他變化，這樣的過程叫做不可逆過程。2.可逆過程的條件：無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程；注意：自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際過程都是不可逆過程；4.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)：指出自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的。指出實(shí)際宏觀過程自發(fā)進(jìn)行的方向。結(jié)論：珍惜時(shí)間，愛護(hù)生命！充實(shí)自我，天天向上！1.在相同高、低溫?zé)嵩撮g工作的任意工質(zhì)的可逆機(jī)都具有相同的效率；13.5.2卡諾定理2.工作在相同高、低溫?zé)嵩撮g的一切不可逆機(jī)的效率都不可能大于可逆機(jī)的效率；以卡諾機(jī)為例：結(jié)論：一切循環(huán)中：

a.可逆卡諾正循環(huán)效率最高；

b.可逆卡諾逆循環(huán)致冷系數(shù)最大；卡諾定理的意義：為提高熱機(jī)效率指明了方向；要提高熱機(jī)效率：向可逆卡諾正循環(huán)逼近！1.結(jié)論：可逆卡諾循環(huán)中,熱溫比總和為零。熱溫比等溫過程中吸收或放出的熱量與熱源溫度之比?？赡婵ㄖZ機(jī)：問題：如何判斷孤立系統(tǒng)中過程進(jìn)行的方向？(1)(2)13.6熵和熵增加原理13.6.1克勞修斯等式對(duì)所有微小循環(huán)求和：2.任意可逆循環(huán)：可視為許多可逆卡諾循環(huán)所組成；結(jié)論：

對(duì)任一可逆循環(huán)過程,熱溫比之和為零。該結(jié)論稱為克勞修斯等式。任一微小可逆卡諾循環(huán)：(3)當(dāng)時(shí)，則：(4)熵：在可逆過程中，系統(tǒng)從狀態(tài)A到狀態(tài)B

，其熱溫比的積分只決定于始末狀態(tài)，而與過程無關(guān)。據(jù)此可知熱溫比的積分是一態(tài)函數(shù)的增量，此態(tài)函數(shù)稱熵。3.熵(Entropy)是態(tài)函數(shù)**ABCD對(duì)可逆過程：由：故對(duì)于可逆過程有：(5)無限小可逆過程：

熱力學(xué)系統(tǒng)從初態(tài)A

變化到末態(tài)B，系統(tǒng)熵的增量等于初態(tài)