大学物理热力学基础(201109).ppt

第第1111章章 热力学基础热力学基础 风力发电 为了环境不受污染，也为解决一次性能源大量消耗终将导致枯竭的危险，人 们在不断的寻求新能源。目前全球风力发电装机容量已超过13932 MW 教学安排 （1）内容 热学、机械振动、机械波、波动光学、量子物理基础 力学、狭义相对论、电磁学 （2）答疑地点：中2-3218 （答疑室） 时间：周一 周四 （晚上 7：300 10：00）（第二周开始） （3）作业 （4）物理竞赛（大约在12周进行） 一、热学的研究对象 11.1 热力学的研究对象和研究方法 热现象：与温度有关的物理现象. 热 学：研究热现象的理论 例如： （与温度有关的物理性质及状态的变化） 气体的受热膨胀 物质的三态变化 金属零件的热处理（淬火、退火） 温 度：是热学中所引入的物理量. 宏观-冷热程度 微观-物质内部微观粒子热运动的剧烈程度 与物质内部的微观粒子热运动有关的物理现象. 半导体器件的散热 二、热学的研究方法 热现象：与温度有关的物理现象（宏观宏观量） 宏观： P 随温度 T 的变化 与微观粒子的热运动有关的物理现象（微观微观量）. 例如 气体 微观： x （实验） 热学有两种研究方法, 并形成了对应的两个理论. 气体模型 微观粒子 力学原理 统计平均 宏观方法(宏观理论) -热力学（通过观察、实验总结归纳）. 微观方法(微观理论) -统计物理学或统计力学. 三、气体动理论(微观理论) 的基本观点 1.分子的观点 （组成） 2.热运动的观点（与温度相关） 3.分子力的观点（电作用力） 4.统计平均的观点（统计规律） 由大量微观粒子所构成的系统遵循统计规律. 11.2 平衡态与准静态过程 理想气体状态方程 热力学系统：热力学所研究的具体对象，简称系统. 热力学中的常见名词： 加热 系统 外界( 环境）：系统以外的部分。 系统与外界有相互作用 例如：热传递、作功、质量交换 孤立系统：不受外界影响。 绝热系统：与外界无热量交换。 热力学系统都是由大量分子组成的系统（气、液、固） 最简单的热力学系统是 作功 外界 气体系统。 一、气体的状态参量 1.状态参量:描述系统状态的物理量. 2.气体的状态参量：( p,V,T ) 说明：几何参量 力学参量 热学参量( 温度 T ) 热力学第零定律热平衡 A BB TA TBTA1 = TB1 A B C 温度测量 TA=TC TB=TC TA=TB 温度计 测量方法 Tmax=108K Tmin=2x10-8 K THEl=4K TNl=77K Tsunin=107K Tsuns=6000K 接触式测温的依据 温度测量（接触式）：温度计 测温物质+温标 温标： 热力学温标、摄氏温标和华氏温标（欧美） 温标： 273.16K0.01 -32.02F -273.15 -459.67F 0K (热力学温标、摄氏温标和华氏温标的对应关系) 水的三相点 P =610.6 Pa 相图相变 系统 二、平衡态 1.平衡态与状态参量 2.平衡态定义： 在不受外界影响的条件下 ，系统各部分的宏观性质不再 随时间变化的状态。 平衡态是一种宏观效果， 是一种热动平衡。 说明： 平衡态与外界影响的关系 系统 平衡态时系统各部分的宏观性质不一定相同 外界影响孤立系统 外界影响 T2 平衡态时系统内各不存在宏观量的流（可作为判据）（温度均匀） 平衡态时的气体系统： T1 T1 T2 若没有外场影响，则系统各部分性质均匀 稳态 三、准静态过程 讨论：过程与平衡态 1.热力学过程： 1 2 21 2.准静态过程： 无限缓慢进行的过程是准静态过程,准静态过程是理想过程. 4.实际过程的处理准静态过程 过程进行时间 t 弛豫时间 例如实际汽缸的压缩过程 3.准静态过程的特点：可用状态参量的变化描述过程。 中间状体是否是平衡态？是否有可能？ 在过程进行的每一时刻，系统都无限地接 近平衡态，这样的过程称作准静态过程。 系统从某状态开始经历一系列的中间 状态到达另一状态的过程，简称过程。 =10 -310 -2s T ？ 四、理想气体的状态方程 气体的状态方程 理想气体的状态方程 混合气体的理想 气体的状态方程 说明： 只适用于平衡态； 只与状态有关，与过程无关。 系统的一个平衡态可在( p,V )上可用一个点表示。 （p1,V1） p V p V 过程曲线（过程方程） 等压过程方程：p = C (恒量) 等容过程方程： V = C (恒量) Q 等温过程方程： T = C (恒量) 或 pV = (恒量) T 准静态过程 1 2 Q m 五、 实际气体的状态方程 理想气体适用范围：温度不太低、压强不太大. 范德瓦尔斯方程（1 mol ）： 实际气体CO2的等温线 范德瓦耳斯等温线 （a,b是与气体有关的范德瓦尔斯修正量，由实验确定） p OV 48 13 C B A A B 48.1 31.1 21 13 p/105Pa 液 液汽共存 气 A C B 73.2 46.5 2.17 10-3 比容v/(m3/kg) 汽 31.05 TCO2=31.05 TH2O=401TN2=147.15 11.3 功、热量、内能 热力学第一定律 一. 功、热量、内能 1.功与内能的关系 F 对系统作绝热功：AQ 结论：若初末态一定，则 绝热功相同。 光滑 1 2 内能:系统中存在一种与 热运动状态相关的 能量内能。 内能是系统状态的函数 即E(状态) 12 12 2.热量与内能的关系 T 传递热量亦可以改变 热力学系统的状态 热量是物体之间存在温差 时传递的内能 说明： 内能是系统状态的单值函数，E=E（状态），是状态量。 功和热量是过程量，不属于任何系统。 功和热量的比较。 二、热力学第一定律 对于无限小过程： （注意符号规定） 本质：能量守恒 作功 传热 1212 12 相同, 不同 11.4 准静态过程中功和热量的计算 一、准静态过程中功的计算 S p V 适合于任何的准静态过程 1 2 功是过程量，见图。 V1V2 几何意义： 二、准静态过程中热量的计算 Q = E2 E1 + A 1. 摩尔热容： 比热(c): 摩尔热容( C ): 摩尔热容是过程量与具 体过程有关。 例 ：绝热过程、等温过程 2. 定体和定压摩尔热容(CV、 Cp ) 3. 热量计算 （一般情况下Cx，是温度的函数. ） 若Cx与温度无关，则 11.5 理想气体的内能和CV，CP 一、理想气体的内能 内能是状态的函数，函数的具体形式怎样？E(气体状态参量) 焦耳实验（英国物理学家焦耳在1845年通过试验研究了这个问题） 1. 实验装置 温度一样 实验结果： 膨胀前后温度 计的读数未变 气体自由膨 胀过程中 Q = E2 E1 + A 焦耳定律 理想气体 分析： 水 量 热 器 说明： 焦耳实验室是在1845完成的。温度计的精度为：0.01 C 水的热容比气体热容大的多，因而水的温度可能有 变化，由于温度计精度不够而未能测出。 目前温度计（铂电阻）的精度可达到：万分之一C的变化。 通过改进实验或其它实验方法（焦耳汤姆孙实验） 证实仅理想气体有上述结论。 真实气体的内能与体积有关的微观解释：Ep r0 由于分子间存在相互作用力 ，存在有相互作用势能。 绝热系统，气体自由膨胀 气体温度升高？下降？ 焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。 根据热力学第一定律，有 解 因为初、末两态是平衡态，所以有 如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等 的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为 p0，右边一半 为真空。 例 求 把中间隔板抽去后，达到新平衡时气体的压强 绝热过程 自由膨胀过程 讨论:真实气体. 二、理想气体的摩尔热容和内能的计算 E = E(气体状态参量) = E ( T ) 1. 理想气体定体和定压摩尔热容(CV、 Cp ) （迈耶公式 ）为什么 ？ CpCV （比热容比 ） 单原子分子： 双原子刚性分子： 2. 理想气体内能的计算 11.6 热力学第一定律的应用（） （理想气体准静态过程） 回顾： 一、 等体过程（ V = C , ） 1.功：A = 0 p V a b 2.吸收的热量： 3.内能的增量： 吸收的热量，全部用来增加系统的内能，使的温度上升。 二、等压过程（p = C , ） S p V a b 1.功： 2.吸收的热量： 3.内能的增量： 等压过程 吸收的热量，一部分用来对外作功，其余部分则用来增加其内能。 结论验证： ？ Q 双曲线 S 恒 温 热 源 三、等温过程( T = C , ) p V a b 1.内能的增量： 2.功： 3.吸收的热量： 等温膨胀过程中 ，理想气体吸收的热量全部用来对外作功 ；在等温压缩 中，外界对气体所的功，都转化为气体向外界放出的热量 总结： 一、 等体过程（ V = C , ） A = 0 二、等压过程（p = C , ） 三、等温过程( T = C , ) 例1. 1 mol 氦气由状态 M(p1,V1) 沿图中的直线到 N(p2V2)。 M(p1,V1) N(p2V2) p 求：（1）过程方程；（2）E=?, A=?,Q=? （3）求此过程的摩尔热容。 V 解（1） （2） （3）求此过程的摩尔热容： 理想气体内能的计算 P V T1 T2 1 2 11.7热力学第一定律的应用（）(绝热过程) 一、绝热过程( Q = 0 , dQ = 0 ) 系统在绝热过程中始终 不与外界交换热量. 良好绝热材料包围的系统发生的过程 进行得较快(仍是准静态)而来不及和外界交换热量的过程 1. 过程方程 无限小的准静态绝热过程 微分 泊松方程 R CV 2. 过程曲线 p V A 微分 绝热线 等温线 3. 绝热过程中功和热量的计算 绝热过程中 ，理想气体不吸收的热量，系统减少内能，对外作功 。 一定量氮气，其初始温度为300K，压强为1atm。将其绝热 压缩，使其体积变为初始体积的 。试求压缩后的压强和 温度。 解： 分析： p、V 的关系 T、V 的关系 例： 测定空气比热容比 = Cp / CV 的实验装置如图所示 。先关闭活塞B，将空气由活塞 A 压入大瓶 C 中，并 使瓶中气体的初温与室温T0相同，初压 p1略高于大气 压 p0；关闭活塞 A，然后打开活塞 B，待气体膨胀到 压强与大气压平衡后，迅速关闭 B，此时瓶内气体温 度已略有降低。待瓶内气体温度重新与室温平衡时， 压强变为p2。把空气视为理想气体，试证明空气的 可以从下式算出 例 AB 分 析： C (p2,V,T0) (p1,V1,T0) (p0,V,T ) 绝 热 等 体 解 AB C (p2,V,T0) (p