大学物理第5章-热力学基础-4课时.ppt

第五章热力学基础 世界冷暖的奥妙三大定律 热学 研究热现象及其规律的学科 热力学系统以外的物体称为外界 例 若汽缸内气体为系统 其它为外界 1 热学的研究对象及内容 对象 宏观物体 大量分子原子的系统 或物体系 称为热力学系统 5 1热学的基本概念 宏观 热现象是与温度有关的现象 微观 热现象是与分子热运动有关的现象 5 1 1热力学系统平衡态 孤立系统 和外界无质量 能量交换 封闭系统 和外界无质量交换 有能量交换 开放系统 和外界既有质量交换 也有能量交换 2 热学的研究方法 热力学 thermodynamics 宏观基本实验规律 热现象规律 统计力学 statisticalmechanics 对微观结构提出模型 假设 热现象规律 热力学系统的分类 系统状态的描述 1 宏观描述法 用一些可以直接测量的物理量 称为宏观量 来描述系统的宏观性质 例如 p V T 等 2 微观描述法 给出系统中每个微观粒子的力学参量 称为微观量 来描述系统 例如 分子的质量 速度 直径 动量 微观量与宏观量有一定的内在联系 在不受外界影响的条件下 热力学系统的宏观性质不随时间改变的状态 称为平衡态 反之 则为非平衡态 平衡态 体系的温度 压强 密度等宏观量处处相同 不随时间改变 3 平衡态 equilibriumstate 处在平衡态的大量分子仍在作热运动 而且因为碰撞 每个分子的速度经常在变 动态平衡 平衡态是热学中的一个理想化状态 一组状态参量 一个平衡态 状态参量之间的函数关系称为状态方程 记作 描写平衡态下系统宏观属性的一组独立宏观量 称为状态参量 stateparameter 例如 气体系统的p V T 5 1 2热力学第零定律 温度的初级定义 温度是表征物体冷热程度的物理量 以上定义具有主观感觉色彩 不科学 不严密 冬天 两者温度一样 可是实际的感觉不一样 壁 刚性不能移而且不能通过物质的物体 宏观物体相互接触能否达到热平衡依赖于用来分离它们的壁的性质 绝热壁 石棉 导热壁 金属材料 在无机械及电的作用时 若两物体的状态能自动发生改变 直到平衡为止 将具有这种性质的壁称为导热壁 反之若两物体的状态不发生任何变化 称该种壁为绝热壁 热平衡 热接触的两个系统经过一段时间后 各自状态不再变化而达到的一共同状态叫热平衡态 两系统称相互处于热平衡 热力学第零定律1930年由英国科学家福勒 R H Fowler 正式提出 比热力学第一定律和热力学第二定律晚了80余年 虽然这么晚才建立热力学第零定律 但实际上之前人们已经开始应用它了 因为它是后面几个定律的基础 在逻辑上应该排在最前面 所以叫做热力学第零定律 如果两个热力学系统中的每一个都和第三个热力学系统处于热平衡 那么 它们彼此也必定处于热平衡 这个结论叫做热力学第零定律 例如 绝热壁 导热壁 热力学第零定律为建立温度概念提供了实验基础 这个定律反映出 处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征 这个特征就是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数 这个状态函数被定义为温度 进一步认识 温度 这一基本物理量实质是反映了系统的某种性质 注意 1 大量实验总结 不能逻辑推证 如两个物体的温度相加 要么相等 要么不等 2 借以建立温度概念 温度的概念 热力学第零定律揭示出均相物系存在着一个新的平衡性质 称之为温度 概括为下述的温度定理 任一热力学的均相体系 在平衡态各自都存在一个状态函数 称之为温度 符号为T 它们具有这样的特性 对于一切互呈热平衡的均相系 其温度彼相此等 温度定理肯定了每个均相系都存在一个新的平衡性质 温度以及它所具有的特性 温度的标度 温标 1 经验温标 以某物质的某一属性随冷热程度的变化为依据而确定的温标称为经验温标 经验温标除标准点外 其他温度并不完全一致 如 水冰点沸点 摄氏温标 00C1000C 热力学温标 273 15K373K 2 理想气体温标 以理想气体作测温物质 3 热力学温标 不依赖任何具体物质特性的温标 规定 水的三相点T0 273 15K 温度计种类 电阻温度计 蒸汽压温度计 热电偶温度计 光学温度计等 水银温度计 酒精温度计 温度最低极限值 0K 极限值 不能达到 第三定律 自然界最低极限值 1K 自然界最冷的温度 星际空间深处 自然界最高温度 宇宙大爆炸时的温度为4万亿 是太阳中心区域温度的25万倍 几种环境温度量级 1 人体正常的温度范围 36 37 2 2 地球表面 94 5 58 3 原子弹爆炸5000万 4 氢弹爆炸 1000万 热力学第一定律 是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式 说明热力学能 热和功之间可以相互转化 但总的能量不变 也可以表述为 第一类永动机是不可能制成的 第一定律是人类经验的总结 5 2热力学第一定律 第一类永动机 firstkindofperpetualmotionmechine 一种既不靠外界提供能量 本身也不减少能量 却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机 它显然与能量守恒定律矛盾 历史上曾一度热衷于制造这种机器 均以失败告终 也就证明了能量守恒定律的正确性 第一类永动机 firstkindofperpetualmotionmechine 奥恩库尔永动机 滚珠永动机 阿基米德螺旋永动机 功 work Q和W都不是状态函数 其数值与变化途径有关 体系吸热 Q 0 体系放热 Q 0 热 heat 体系与环境之间因温差而传递的能量称为热 用符号Q表示 Q的取号 体系与环境之间传递的除热以外的其它能量都称为功 用符号W表示 功可分为膨胀功 体积功 和非膨胀功 除体积膨胀功以外的其它各种功 两大类 W的取号 环境对体系作功 W 0 体系对环境作功 W 0 热和功的概念 热力学能 thermodynamicenergy 以前称为内能 internalenergy 它是指体系内部能量的总和 包括分子运动的平动能 分子内的转动能 振动能 电子能 核能以及各种粒子之间的相互作用位能等 热力学能是状态函数 用符号E表示 它的绝对值无法测定 只能求出它的变化值 E Q W 对微小变化 dE dQ dW 也可用 E Q W表示 两种表达式完全等效 只是W的取号不同 用该式表示的W的取号为 环境对体系作功 W0 物理意义 实验经验总结 自然界的普遍规律 理想气体 热力学第一定律的数学表达式 准静态过程 在过程进行的每一瞬间 体系都接近于平衡状态 以致在任意选取的短时间dt内 状态参量在整个系统的各部分都有确定的值 整个过程可以看成是由一系列极接近平衡的状态所构成 这种过程称为准静态过程 准静态过程是一种理想过程 实际上是办不到的 上例无限缓慢地压缩和无限缓慢地膨胀过程可近似看作为准静态过程 5 2 1 等体过程 气体体积始终保持不变 1 过程特征 3 热力学第一定律表述 热一的表达式为 吸热 内能 功 2 P V图 说明吸收的热全部用于增加热力学能 5 2 2等压过程 气体压强始终保持不变 1 过程特征 2 P V图 3 热力学第一定律表述 说明 吸收的热 热力学能 对外所做的功 5 2 3等温过程 气体温度始终保持不变 2 P V图 1 过程特征 3 热力学第一定律表述 说明 吸收的热 对外所做的功 能量转换 物质的热容 热力学系统温度升高dT 所吸收的热量为dQ 与过程有关 可以 0 0 0 摩尔热容 规定物质的数量为1mol的热容 单位为 摩尔定体热容CV m 摩尔定压热容Cp m i表示自由度 单原子分子 双原子分子 多原子分子 例 0 032kg的氧气温度由20 升高至100 问在等体和等压过程中各吸收多少热量 比热容比 解 由i 5 摩尔质量0 032kg mol 等体过程 等压过程 5 2 4绝热过程 系统与外界没有热量交换的过程 系统和外界无热量交换进行的过程为绝热过程 重要特征 dQ 0 Q 0 理想气体状态方程 热力学第一定律 1 2 两式微分得 3 4 两式联立 消去dT可得 利用理想气体状态方程 由此还可以得到 整理 分离变量 得 上式积分得 或 理想气体绝热方程 过程 等容 等压 等温 绝热 四种准静态过程 5 2 5循环过程 系统经过一系列状态变化后 又回到原来的状态的过程叫循环过程 简称循环 正循环 逆循环 介绍一个具体的热机 蒸汽机内燃机 高温热源 低温热源 热机 A 热机的效率 5 2 5 1热机 工作物质做正循环的机器叫做热机 如蒸汽机和内燃机 正循环 热机必须有工作物质 高温热源 锅炉 低温热源 冷凝器 工作物质做逆循环的机器叫做制冷机 如冷冻机 5 2 5 2制冷机 高温热源 低温热源 制冷机 致冷机 在外界作功的条件下 从低温热源吸收热量传向高温热源 定义 致冷系数 单位数量的功能从低温热源提取的热量来说明致冷的性能 逆循环 一直敞开冰箱门能制冷整个房间吗 思考 打开冰箱凉快一下 问题 循环类型很多 哪种循环的效率最高 如何提高热机的效率 最大可能的效率是多少 萨迪 卡诺 Sadi Carnot 1796 1832 其父拉萨尔 卡诺是法国的著名人物 萨迪 卡诺从父亲那里学习了物理 数学等知识 后来先后进入巴黎工艺学院和工兵学校学习 专心研究热机理论 1832年8月24日因霍乱病逝 终年36岁 卡诺在1824年提出要研究两个重要问题 热机的效率与工作物质有无关系 热机效率是不是有一个限度 瀑布的动力依赖于他的高度和水量 热的动力依赖于所用热质的量和热质的下落高度 卡诺利用类比方法得到结论 蒸汽机必须工作于高温热源和低温热源之间 提出了一个理想热机模型和一个理想的循环模型 卡诺采用了类比 科学抽象和理想模型的思维方法 1824年 卡诺研究了一种理想循环 并从理论上证明了他的效率最高 从而指出了提高热机效率的途径 这种循环叫卡诺循环 循环工作的热机叫卡诺机 定义 由两个等温过程和两个绝热过程组成的准静态循环过程为卡诺循环 按卡诺循环工作的热机为卡诺机 2 卡诺机的热机效率 a b等温膨胀吸热为 由等温过程求吸热Q1和放热Q2 c d等温压缩放热为 5 2 6卡诺循环 代入热机效率一般公式 利用绝热过程方程 整理化简 b c绝热膨胀 d a绝热压缩 上面两式相除 卡诺循环效率 提高高温热源的温度现实些 1 理论指导作用 讨论 2 理论说明低温热源温度T2 0 说明热机效率 现代热电厂的汽轮机利用的水蒸气温度达到580 C 冷凝水温度为30 C 按卡诺循环计算 1 T1 T2 64 5 实际情况差很多 最高为36 卡诺循环效率 例 一可逆卡诺热机低温热源的温度为70C 效率为40 若将效率提高到50 则高温热源温度需提高几度 解决与热现象有关过程方向性问题 独立于热力学第一定律的基本定律 一 热力学第二定律的表述 1 开尔文表述 不可能制造一种循环动作的热机 只从一个热源吸收热量 使之完全变成有用的功 其他物体不发生任何变化 功变热不可逆 第二类永动机 从单一热源吸收热量 并将之全部转化为功而不产生其他变化的热机 5 3热力学第二定律 热力学第二定律是关于自然过程方向的一条基本的普遍定律 它是较热力学第一定律层次更深的定律 2 克劳修斯表述 热量不能自动地从低温物体传到高温物体 热传导不可逆 二 两种表述的等价性 违背克劳修斯表述则必违背开尔文表述 三 可逆过程和不可逆过程 可逆过程 任何一个系统状态变化过程若能使系统沿着相反方向经过与原来完全一样的中间状态再回到原状态而不引起其他变化 说明 1 系统复原 2 外界复原 不可逆过程 若一过程产生的效果无论用任何复杂的方法 在不引起其他变化的条件下 都不能回复原态 开氏表述的实质 功变热不可逆 克氏表述的实质 热传导不可逆 功变热不可逆 热传导不可逆 开氏 克氏表述等效性 实质 一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 热力学第二定律的实质 五 卡诺定理 可逆机的效率都相同 在T1 T2间工作 一切非可逆机的效率小于可逆机的效率 提高热机效率的方法 熵 一个重要状态函数 其变化指明了自发过程进行的方向 克劳修斯不等式 等号对应于可逆过程 不等号对应于不可逆过程 熵的微分定义式 函数 我们将此态函数定义为熵 即 对于从状态A到状态B的可逆过程有 系统处于B态和A态的熵差等于沿A B之间任意一可逆路径R 如图中的R1和R2 的热温商的积分 熵具有可加性 系统的熵等于各子系统