第八章热力学基础学习教案

1、会计学1第八章热力学基础第八章热力学基础(jch)第一页，共29页。篇序研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响研究物质热运动与其它(qt)运动形态之间的转化规律一 热学(rxu)的研究对象二研究(ynji)方法1.统计物理研究方法从物质的微观结构出发，依据每个粒子所遵循的力学规律，用统计的方法研究宏观物体的热力学性质优点：深入热现象的本质对其作出理论解释，能够解释决定宏观物理量的微观决定因素，物理过程与物理意义清晰第1页/共29页第二页，共29页。缺点：定量统计，需要理想近似(jn s)物理模型，因而常带有近似(jn s)色彩，与实验结果有一定误差2.热力学研究(ynji)方法由观察和实验总

2、结出热力学定律(dngl)；用严密的逻辑推理方法研究宏观物体的热力学性质优点：热力学根据热现象给出普遍、可靠的结果，可用来验证微观理论的正确性缺点：常带有经验或半经验性质，不能从本质上阐述热现象的深刻含义以及宏观测量对微观测量的依赖关系三本篇内容结构第七章统计物理初步第八章热力学基础第2页/共29页第三页，共29页。第八章热力学基础(jch)内容(nirng)结构一热力学第一(dy)定律从一个平衡态转化到另一个平衡态时，能量所满足的规律8.1 第3页/共29页第四页，共29页。8-1热力学第一(dy)定律一热力学过程的相关(xinggun)概念热力学过程：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平

3、衡态所经历的热力学过程的总合驰豫时间：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所需要(xyo)的时间非准静态过程：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所经历的中间状态是非平衡态过程准静态过程：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所经历的中间状态为平衡态第4页/共29页第五页，共29页。说明：A.准静态(jngti)过程为理想过程B.一个热力学过程为准静态(jngti)过程的必要条件为两平衡态转化所经历的时间大于驰豫时间C.准静态(jngti)过程可以用宏观参量图给予表示二热力学过程(guchng)中的能量转化1功 对无摩擦准静态过程pdVdlspAd )(说明：热力学系统中对功正

4、负符号的规定：体积膨胀时，系统对外作正功，体积缩小时，系统对外作负功如果(rgu)热力学系统经历非准静态过程，而外界压强恒定，上面表述式仍然适用第5页/共29页第六页，共29页。2.热量当系统(xtng)与外界有热传递时)(12TTcmQ 其中(qzhng)，C为比热容说明：A.热量是一过程量，而不是状态量(表示方法：)QdB.热量的正负号规定：系统(xtng)吸收热量为正，放出热量为负C.热量与作功是热力学系统(xtng)能量发生改变的两种不同方式3.热力学第一定律实验定律大量实验表明：确定的两热力学平衡状态所经历的中间过程的功和热量的总和是一定的AdEQd 说明：A.热力学第一定律是引入态

5、函数内能的理论基础B.热力学第一定律表明：第一永动机是不可实现的第6页/共29页第七页，共29页。三热力学平衡态的态函数内能(ni nn)，理想气体的内能(ni nn)1.内能的定义：热力学系统内部，分子的动能、分子间势能、热力学系统所处外场(wichng)的相互作用能的总和2.理想气体(l xin q t)的内能UEEk RTiME2 说明：理想气体的内能只与温度有关，只是热力学系统状态参量的函数第7页/共29页第八页，共29页。8-2 热容量一相关(xinggun)概念1.热容量：热力学系统(xtng)温度升高单位温度所吸收的热量dTQdC 2.摩尔热容量：一摩尔物质升高单位温度(wnd)

6、所吸收的热量3.比热容：单位物质升高单位温度所吸收的热量4.定容摩尔热容量等容情形下，一摩尔物质升高单位温度所吸收的热量dTQdCVV 第8页/共29页第九页，共29页。例：理想气体(l xin q t)的定容摩尔热容量由热力学第一定律AdEQd 考虑到0 pdVAdRTiME2 理想气体(l xin q t)的定容摩尔热容量RidTQdCVV2 5.定压摩尔热容量等压情形下，一摩尔物质(wzh)升高单位温度所吸收的热量dTQdCpp 第9页/共29页第十页，共29页。例：理想气体(l xin q t)的定压摩尔热容量由热力学第一定律AdEQd 考虑到RTiME2 RdTpdVAd 理想气体(

7、l xin q t)的定容摩尔热容量RCRRidTQdCVPP 26.比热容比（绝热系数(xsh)）iiCCVP2 例：求单原子分子气体、刚性双原子分子气体、刚性多原子分子气体的绝热系数第10页/共29页第十一页，共29页。iiCCVP2 由单原子分子气体3 i67. 135 刚性双原子分子气体5 i40. 157 刚性多原子分子气体6 i33. 168 第11页/共29页第十二页，共29页。-3 热力学第一定律(dngl)用于理想气体一等容过程(guchng)dEQdpdVAdAddEQdvv 0TCMEEQvv 12IIIA=0PV结论：等容过程中，系统吸收(xshu)的热量完全用来增加热

8、力学系统的内能二等温过程第12页/共29页第十三页，共29页。IIIPVAdQddETCMEAddEQdvVT 0 12ln2121VVRTMQdVVRTMQRTMpdVpdVQpdVQdTVVTVVTv 或21lnPPRTMQT 结论：等温过程中吸收的热量(rling)完全用来对外做功，而不用来增加热力学系统的内能第13页/共29页第十四页，共29页。三等压过程dTRCMQddTCMERdTMAddTpRMdVRTMpVpdVAdAddEQdvpvp)( 状态函数状态函数dTCMQdpp 或)(12TTCMQpp 第14页/共29页第十五页，共29页。四绝热过程(ju r u chn)III

9、PV等温过程等温过程绝热过程绝热过程1.绝热过程(ju r u chn)的功)(012TTCMAdTCMdETCMEdEAdQdAddEQdvvvv 2.绝热过程(ju r u chn)的状态方程 dTCMpdVdEAdTCMERdTMpdVVdpRTMpVvv pdVRCVdpCCRpdVpdVVdpVVv)( 第15页/共29页第十六页，共29页。 constTpconstTVconstpVconstpVconstVpVdVpdpVdppdVCCVp 11lnln讨论：同一(tngy)初始状态气体的等温过程与绝热过程的比较绝热过程p-V曲线的斜率AAQVpdVdpconstpV )(等温过

10、程p-V曲线的斜率AATVpdVdpconstpV )( 第16页/共29页第十七页，共29页。同一初始状态气体的绝热过程与等温过程相比，变化相同体积时，绝热过程压强下降更快。原因是绝热过程对外做功，依靠的是系统的内能的减小，而压强减小既由于气体动量的减小，又由于气体密度的减小。等温过程对外做功，气体分子的动量依靠对外吸收热量保持(boch)不变，压强的减小原因仅由于气体分子密度的减小。第17页/共29页第十八页，共29页。-4循环(xnhun)过程卡诺循环(xnhun)一循环过程的相关(xinggun)概念循环(xnhun)过程：系统经一系列变化后又回到原状态的过程正循环(xnhun)：规定

11、顺时针方向的循环(xnhun)为正循环(xnhun)逆循环(xnhun)：规定逆时针方向的循环(xnhun)为逆循环(xnhun)正循环A0PV高温热源低温热源Q1Q2A热机第18页/共29页第十九页，共29页。热机效率：对外做功与从高温热源吸收热量(rling)的比值11211 QQQQA 正循环A0PV高温热源低温热源Q2Q1A制冷机制冷(zhlng)系数：在低温热源吸收热量与外界对系统所做功的比值12 AQ 第19页/共29页第二十页，共29页。二卡诺循环1.卡诺(k nu)热机效率ab，等温膨胀1211lnVVRTMQ bc，绝热膨胀，对外做功(zugng)，温度降至T2cd，等温压缩

12、4322lnVVRTMQ a(p1,v1)b (p2,v2)c (p3,v3)T1T2d(p4,v4)da，绝热压缩(y su)，温度回升到T1考虑到绝热过程的物态方程21123)(TTVV 21114)(TTVV 联立求解1211211TTTQQQQA 第20页/共29页第二十一页，共29页。2.卡诺制冷热机(rj)制冷系数与求解(qi ji)卡诺热机效率步骤类似，可求解(qi ji)到卡诺制冷机制冷系数21221TTTAQQA 结论：卡诺热机或制冷机的工作效率，只与两个热源(ryun)温度有关与工作物质无关第21页/共29页第二十二页，共29页。-5热力学第二(d r)定律一热力学自发过程

13、的发生(fshng)方向问题特例(tl)：理想气体的绝热膨胀与压缩过程系统对外做功W1外界系统做功W2存在能量损耗W1 W2热力学过程不可能自动发生其逆过程，而不给外界带来其它变化第22页/共29页第二十三页，共29页。二热力学第二(d r)定律1.热力学第二(d r)定律的两种表述开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使它完全转变为功而不引起其它(qt)变化热源QA讨论A. 从单一热源吸收热量，使它完全转变为功，一定要引起其它变化特例：等温过程从单一热源吸收热量，并完全用来做功，必导致系统体积变化B.第二类永动机不可能制成热力学机械需要循环，消除外界需要能量损耗第23页/共29页第二十四页，

14、共29页。克劳修斯表述：不可能(knng)把热量从低温物体传向高温物体，而不引起其它变化高温热源低温热源Q2Q1A讨论A.没有外界做功，不可能从低温热源将热量(rling)传输到高温热源B.第二类永动机不可能制成2.热力学第二定律两种表述(bio sh)的等效性A.开尔文表述不成立克劳修斯表述不成立第24页/共29页第二十五页，共29页。低温热源QA=QQ1Q2=A+Q1 = Q+Q1高温热源设开尔文表述不成立热机从高温(gown)热源吸热Q热机制冷热机对外做功A在A作用下，制冷机从低温热源(ryun)吸热Q1热机在高温释热 Q+Q1全过程等效于制冷机从低温热源(ryun)吸热Q1，而不引起任何变化克劳修斯表述不成立类似地，可以证明当克劳修斯表述不成立时，开尔文表述也不成立第25页/共29页第二十六页，共29页。低温(dwn)热源Q1AQ1Q高温(gown)热源设克劳修斯表述不成立(chngl)冷机从低温热源吸热Q1热机制冷在高温热源释放Q1热机在高温热源吸热Q在低温热源释热Q1，全过程等效于热机从高温热源吸热Q-Q1，对外做功A1而不引起任何变化开尔文表述不成立Q1对外做功A1第26页/共29页第二十七页，共29页。三热力学过程(guchng)的不可逆性1.大温差(wnch)传热升温过程不可逆A，T1B，T2C，T0升温至T1降温至T0热量转移C与A接触