大学物理热力学基础.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13932MW,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7：30010：00）（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,TATB,TA1=TB1,温度测量,TA=TCTB=TCTA=TB,温度计测量方法,Tmax=108KTmin=2x10-8KTHEl=4KTNl=77KTsunin=107KTsuns=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=610.6Pa,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（1mol）：,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=E2E1+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=E2E1+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：0.01C,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1.1mol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,