高中物理竞赛热力学ppt课件

.,1,第8章热力学,8-1热平衡与平衡状态,8-2功、热、内能,8-3热力学第一定律,8-4物质的相变,.,2,8-1热平衡与平衡状态,一、热力学系统描述,手段：观察、实验,描述：热力学坐标（参量）,几何、力学、电磁、化学,.,3,系统达到热平衡的条件,A、B各自达到平衡后，绝热壁改为导热壁，但A、B中参量并不变化,即：与第三个系统达到热平衡的二个系统必互为热平衡,热力学第零定律,某系统参量为X，Y,系统处在平衡态：参量选定后，在外界条件不变的情况下始终保持不变,平衡态：宏观性质不随时间变化的状态,二、平衡态,.,4,三、热力学过程,系统状态随时间变化，便经历了一个热力学过程,非静态过程,平衡态,非平衡态,平衡态,.,5,准静态过程,过程中的每一状态都是平衡态,外界对系统做功,非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间。如果实际每压缩一次所用时间都大于弛豫时间，则在压缩过程中系统就几乎随时接近平衡态。,外界压强总比系统压强大一小量P，就可以缓慢压缩。,.,6,系统（初始温度T1）从外界吸热,系统温度T1直接与热源T2接触，最终达到热平衡，不是准静态过程。,因为状态图中任何一点都表示系统的一个平衡态，故准静态过程可以用系统的状态图，如P-V图（或P-T图，V-T图）中一条曲线表示，反之亦如此。,END,.,7,理想气体：,8-2功、热、内能,完全描述分子运动所需的独立坐标数,（确定分子的空间位置）,i理想气体分子的自由度,一、系统内能,t平动自由度,r转动自由度,.,8,如：,(a)原子（质点）的直线运动，只需一个变数。,自由度=1。,(b)原子的一般运动，需三个坐标描述。,自由度=3。,t平动自由度,单原子分子（质点，无转动等）的自由度为3。,.,9,刚性多原子分子,因三个原子的间距确定，实际上只需6个变量。,刚体多原子分子的最大自由度6。,需33=9个变量！？,只要确定其三个原子，即可确定其状态。,包括：3个质心平动自由度和3个转动自由度。,.,10,系统的内能只与系统温度有关，是状态量。,在热力学过程中内能的变化：,只与初、末态有关，与过程无关。,系统能量改变的原因是系统与外界的相互作用：,（1）做功的形式,（2）热量传递,.,11,做功可以改变热力学系统的状态（内能）摩擦升温（机械功）、电加热（电功）等本章仅限于讨论力学的功（气体系统）,二、做功,对于气体系统作功必然伴随着系统体积的变化,.,12,对一个有限的过程（如图所示）,对不同的过程，压强变化规律不同，p与V的关系不同，作功也不同！,作功与气体经历的过程有关。功是过程量！,.,13,系统和外界温度不同时，就会发生传热形式的能量交换，热量传递可以改变系统的状态。,微小热量：,0表示系统从外界吸热；,总热量：,积分与过程有关。,热量是过程量,三、热量传递（热传导）,温度高的物体温度降低（内能减小）；低温物体温度升高（内能增加），最后温度相同，达到热平衡。,bc，EaEbEc(B)aEc(C)a=bc，EaEb=Ec(D)a=bEb=Ec,C,.,27,如图表示一定质量的理想气体，沿箭头所示方向发生状态变化的过程，则下列说法正确的是()。(A)从状态c到状态d，气体的压强减小(B)从状态d到状态b，外界对气体做功，且等于气体放出的热量(C)从状态a到状态c，气体分子平均动能变大(D)a、b、c、d四个状态相比，气体在b状态时的压强最大,A、B、C、D,.,28,如图所示，有一导热板把绝热气缸分成A和B两部分，分别充满两种不同气体。在平衡态下，A和B两种气体的温度相同。当活塞缓慢运动压缩绝热气缸A内的气体时，（）。,（A）A的内能增加了；,（B）B的温度升高了；,（C）A和B的总内能增加了；,（D）A的分子运动比B的分子运动更剧烈。,选：（A）、（B）、（C）,.,29,如图所示为一定质量理想气体状态由A至B，至C，至D，又回到A变化的pT图线，可以判定是放热过程的是（）。(A)由A状态至B状态(B)由B状态至C状态(C)由C状态至D状态(D)由D状态回至A状态,B,.,30,（1）从图中可以知道，AB是等容过程，因为体积不变，所以气体做功W=0，又因为TBTA温度升高，气体内能增大，Q0，所以一定在吸热。,由分析可知此题应选(B)。,（2）BC是等压压缩，外界对气体做功WTD温度升高，气体内能增大，所以一定吸热Q0。,（3）CD是等温膨胀，气体对外界做功W0，因为温度不变，气体内能不变，则Q0，所以一定吸热。,.,31,在竖直放置的密闭绝热容器中，有一质量为m的活塞，活塞上方为真空，下方封闭了一定质量的单原子理想气体。接通容器中功率为N的加热器对气体加热，活塞开始缓慢地向上运动。求经过多少时间，活塞上升H。(不计活塞的吸热和摩擦),.,32,解：设被封理想气体的摩尔数为n。气体等压膨胀做的功,在这段时间t内，n摩尔单原子气体增加的内能,由克拉伯龙方程有,所以,将式代入式,由热力学第一定律,可解得,.,33,真空中有一绝热筒状气缸。最初，活塞A由支架托住，其下容积为10L，由隔板B均分为二：上部抽空，下部有1mol的氧，温度为27。抽开B，气体充满A的下部空间。平衡后，气体对A的压力刚好与A的重力平衡。再用电阻丝R给气体加热，使气体等压膨胀到20L。求抽开B后整个膨胀过程中气体对外做的功和吸收的热量。,.,34,解：由于B板上部原来是真空，所以抽开B板后气体做的是自由膨胀，平衡后，气体的状态为,加热时气体等压膨胀,气体对外做功,内能增量,气体吸收的热量,.,35,在一个绝热壁气缸内，有一个装有小阀门L的绝热活塞。气缸A端装有电加热器。起初活塞位于气缸B端，缸内装有温度为T0的理想气体，忽略摩擦。现把活塞压至A、B中点，并用销钉将活塞固定。此过程外力做功W，左部气体温度变成了T。然后开启活塞上的阀门，经过足够长的时间再关闭。拔出销钉，并用电热器加热左部气体。最后左室内气体的压强变成加热前的1.5倍，右室内气体的体积变为加热前的0.75倍。求电热器传给气体的热量。,.,36,解：设气缸内共有n摩尔气体，第一个压缩气体的过程因为是绝热的，所以外力做功等于气体内能增加,打开阀门让气体进入右半室的过程是自由膨胀，故气体温度仍为T。设平衡后二室中气体的压强都是p，体积都是V，那么加热后左室中气体的压强为1.5p，体积为5V4，设此时A室中气体温度为TA，则,，,，,内能的增加量,.,37,加热结束后右室中气体压强也为,，体积为,设温度为TB，,。,，,内能的增加量,所以，电热器传给气体的总热量,.,38,1molHe的温度T和体积V的变化规律为T=V2，试判断体积由V1减至V2的过程是吸热还是放热？吸或放多少热？,.,39,解：将pV=RT代入,p和V成正比,热一：,+,（放热）!,.,40,的单原子理想气体，经历ABCDA循环过程，在p-V图上是一个圆(上图)。（1）循环过程中哪一点温度最高，温度是多少?（2）从C到D，气体内能的增加量、气体对外界所做的功、气体吸收的热量各为多少?（3）可否设计一个过程，使nmol的单原子理想气体从下图的初态A(PA、VA、TA)到终态B(PB=PA、VB=2VA、TB)气体净吸热刚好等于内能的增量。,.,41,解:写出p-V坐标系里圆的方程和气态方程,消去V，得到T=f(p)，然后再求p为多少时T有极大值。,C到D气体对外界做的功,.,42,(3)从热力学第一定律可知，凡满足WAB=0条件的过程，均有QAB=DEAB的关系，而具有WAB=0特点的过程有无穷多个。不难看出，图中ACDEB过程就是WAB=0的典型过程之一。,.,43,质量为2.810-3kg，压强为1atm，温度为27的氮气。先在体积不变的情况下使其压强增至3atm，再经等温膨胀使压强降至1atm，然后又在等压过程中将体积压缩一半。试求氮气在全部过程中的内能变化，所作的功以及吸收的热量，并画出p-V图。,解：,.,44,.,45,等容过程：,等温过程：,.,46,等压过程：,.,47,有810-3kg氧气，体积为0.4110-3m3，温度为27。（1）如氧气作绝热膨胀，膨胀后的体积为4.110-3m3，问气体作多少功？（2）如作等温膨胀，膨胀后的体积也为4.110-3m3，问气体作多少功？,解：,绝热方程：,.,48,解：,(1),.,49,0,V(l),30,b,a,10,0.5,1.5,c,(2)作与ab相切的等温线，切点为c,ab过程方程：,.,50,0,d,V(l),30,b,a,10,0.5,1.5,c,（3）气体吸放热如下：,ac：气体对外做功，温度升高，必然吸热,cd：与过c的绝热线相比,db：与过d的绝热线相比,气体对外做功较多，温度下降较少，必然吸热,气体对外做功较少，温度下降较多，必然放热。,.,51,理想气体，质量m，摩尔质量M，cV=3R/2M，经历如图过程。(1)TV关系；(2)比热c和V的关系。,由图得过程方程,消去p得,（1）,（2）,.,52,.,53,1mol单原子理想气体，(4p0,V0)(p0/4,8V0)。在过程的每一小过程中热功效率DW/DQ均相同，求过程中对外做的总功。,hDQ=DW,DQ=DW+CVDT,此过程摩尔热容量,多方过程,以初、末态代入pVn=C得,n=4/3,以g=5/3，CV=3R/2代入,初终态温度：,.,54,多方过程,满足,摩尔热容量,.,55,等压,绝热,等容,等温,特例：,.,56,（1）系统绝热,解：,.,57,（2）下方气体多方过程作功,上方气体内能变化,.,58,气缸内充有空气(质量比例为氮气76.9%，氧气23.1%，其它成分忽略)，并有一些铁屑。气缸的活塞能无摩擦运动，缸内气压恒定为1atm。缸内非常缓慢地进行化学反应，当生成1molFe2O3后因氧气耗尽而中止。反应在300K条件下进行，在此过程中释放8.24105J热量。求在此过程中(1)系统内能改变量；(2)缸内气体内能改变量；(3)氮气密度改变量。,(1),生成1molFe2O3需1.5molO2,此为气缸中全部氧气，反应结束后缸内气体体积减少DV,忽略Fe和Fe2O3体积,系统对外做功W=pDV=DnRT=-3739.5J,已知此过程系统吸热Q=-8.24105J,DE=Q-W=-8.203105J,系统的内能减少,.,59,(2)缸内气体包括O2和N2，N2的温度不变，又未参加反应，摩尔数也不变。因此内能不变。,O2温度不变，但摩尔数减少，内能相应减少。,(3)反应前缸内氧气质量,M1=1.53210-3kg=4810-3kg,氮气质量,反应前：,N2：,p为氮气分压强,O2：,P0=1atm,.,60,N2：,p为氮气分压强,O2：,P0=1atm,反应结束后，N2：,反应过程缸内压强不变，因此氮气体积减少,V为反应后氮气体积,反应前后缸内氮气密度改变量,.,61,8-4物质的相变,具有相同的成分以及相同的物理、化学性质的均匀物质称为相。,物质有三个相气、液、固。,物质在气、液、固等不同的相间转换，称为相变。,物质相变有三种：气液相变、固液相变、固气相变。,.,62,一、气液相变,气液相变分两种：,液气，汽化、气液，液化或凝结。,汽化包括：（1）蒸发（任意温度下）。与温度、液体表面积、通风等因素有关。,（2）沸腾在一定的外界压强下，在某一特定温度（沸点）下液体发生的汽化过程。,沸点与液体外的压强有关。,对密闭的容器内液体，在一定温度下，当汽化和凝结达到平衡时，蒸发实际上就停止了。液体上的蒸汽压称为饱和蒸汽压与温度有关，与气体体积、其他种类的气体多少无关。,.,63,液体汽化时要吸收热量（与温度有关）。,使单位质量液体汽化为相同温度的气体所需热量称为汽化热。,气体液化时要放出热量，数值上与相同温度的液体的汽化热相同。,汽化热通常用L汽表示。,.,64,二、固液相变,固液相变分两种：,固液，溶解、液固，凝固或结晶。,固体（在一定温度、压强下）溶解时需要吸收热量。,使单位质量固体溶解为液体所需热量称为溶解热。,晶体溶解时温度保持不变（如冰、金属晶体等），对应的温度称为熔点。,非晶（固）体溶解时，没有确定的熔点。先软化，再变为液体，如玻璃等。,晶体物质凝固时的温度称为凝固点。,使单位质量液体凝固时释放热量称为凝固热。,.,65,三、固气相变,固气相变分两种：,固气，升华（干冰变为CO2气体）、气固，凝华（如冬天的结霜）。,升华只发生在固体表面。,单位质量固体升华为气体所需热量称为升华热。,升华热在数值上等于在相同条件下的溶解热和汽化热之和。,固体升华吸收大量热量，因此可用来制冷。如干冰（固体CO2）。,.,66,四、三相点,任何物质当气、液、固三相共存时，各种相变达到平衡。平衡时，三相有确定的压强和对应的温度。,在p-T图上，对应于汽化曲线、溶解曲线和升华曲线的交点三相点。,例如：水的三相点（如图所示）对应的温度为273.16K。,水的三相点温度作为国际温标中最基本的固定参考点。,.,67,质量M为2.0kg、温度T为-13、体积V为0.19m3的氟利昂(分子量为121)，在等温条件下被压缩，体积V变为0.10m3。试问在此过程中有多少千克氟利昂被液化?(已知在-13时液态氟利昂密度f=1.44103kgm3，其饱和蒸气压ps=2.08l05Pa，氟利昂的饱和蒸气可近似地看作理想气体。),.,68,解：设氟里昂被压缩后，液态部分质量为M1、体积为V1；汽态部分质量为M2、体积为V2，压强即为饱和蒸汽压ps，则,可解得,假设被压缩前全部氟利昂都以气态存在，其压强可由气态方程求得,因为pips，说明被压缩前气体未饱和，前面假设成立。所以压缩过程中有0.84kg氟利昂被液化。,.,69,质量为M的活塞上方为真空，下方为水和水蒸气，当加热器功率为N1时，活塞以v1缓慢上升；当N2=2N1时，v2=2.5v1，此时容器的T不变，求T=？（L=2.2106J/kg，N1=100W，M=100kg，v1=0.01m/s）,.,70,解：因为P饱不变，T肯定不变，要考虑散热，散热速率q不变,由、,.,71,在一个横截面积为S的密闭容器中，有一个质量为M的活塞把容器隔成I、两室，I室中为饱和水蒸气，室中有质量为m的氮气。活塞可在容器中无摩擦地滑动。原来，容器被水平地放置在桌面上活塞处于平衡时，活塞两边气体的温度均为T0=373K，压强同为P0，如左图所示。今将整个容器缓慢地转到右图所示的直立位置，两室内的温度仍是T0，并有少量水蒸气液化成水。已知水的汽化