大学物理热力学基础(201109).ppt

第11章 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,B,B,TA TB,TA1 = TB1,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：,水的三相点,P =610.6 Pa,相图相变,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：,1,2,2.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, 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),等温过程方程： T = C (恒量) 或 pV = (恒量),准静态过程,1,2,五、 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）,TCO2=31.05,TH2O=401,TN2=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),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,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,适合于任何的准静态过程,功是过程量，见图。,V1,V2,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,r,0,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,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 , ）,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：,？,双曲线,三、等温过程( T = C , ),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,R,CV,2. 过程曲线,A,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,A,B,分 析：,C,(p2,V,T0),(p1,V1,T0),(p0,V,T),绝 热,等 体,解,A,B,C,(p2,V,T0),(p1,V1,T0),(p0,V,T),绝热,等体,二、多方过程,1. 多方过程功的计算,(n 多方指数),2. 多方过程内能增量的计算,3. 多方过程热量的计算,例,指出图中各多方过程摩尔热容的范围。,解,(1) 0 n 1,Cp Cn ,(2) 1 n ,- Cn 0,(3) n ,0 Cn CV,小结：,理想气体各种典型过程的主要公式,注意，表中发生的各过程均为准静态过程，在绝热自由膨胀过程中，系统对外不作功，内能不变。,如图， 一容器被一可移动、无摩擦且绝热的活塞分割成， 两部分。活塞不漏气，容器左端封闭且导热，其他部分绝热。开始时在， 中各有温度为T0= 273.15K，压强 p0=1.013105 Pa 的刚性双原子分子的理想气体。两部分的容积均为V0 =36升。 现从容器左端缓慢地对中气体加热，使活塞缓慢地向右移动，直到中气体的体积变为 V 2= 18升为止。,分析：,中气体:,例：,试求：,中气体吸收的热量。,（1） 、 中的气体内能增量 = 中气体吸收的热量,（2）确定末态参量。,(p2, V 2, T