掌握自然界的基本规律

1、 1. 掌握自然界的基本规律掌握自然界的基本规律 热一：热一：能量守恒能量守恒 热二：热二：自然过程的方向自然过程的方向学习热力学的意义学习热力学的意义3. 热能是重要的能源热能是重要的能源4. 熵（熵（S）的概念与的概念与“信息信息”密切相关密切相关2. 学习唯象的研究方法学习唯象的研究方法（以实验为基础的（以实验为基础的 逻辑推理的研究方法）逻辑推理的研究方法）第第7 7章章 热力学热力学l 准静态过程准静态过程l 功功l 热量热量 热力学第一定律热力学第一定律l 热容热容l 绝热过程绝热过程l 循环过程循环过程l 卡诺循环卡诺循环一、热学的研究对象和内容一、热学的研究对象和内容7.1 热

2、学的研究对象和研究方法热学的研究对象和研究方法 对象：对象： 宏观物体（大量分子原子系统）宏观物体（大量分子原子系统）或物体系或物体系 热力学系统热力学系统 。外界外界系统系统外界外界 内容：内容：与与热现象热现象有关的性质和规律。有关的性质和规律。 关。关。微观上说是与热运动有微观上说是与热运动有有关；有关；宏观上说是与温度宏观上说是与温度热现象热现象 T二、描述方法二、描述方法1. 宏观描述宏观描述 从整体上描述系统的状态和属性。从整体上描述系统的状态和属性。 宏观量宏观量：一般可以直接测量。如一般可以直接测量。如 P、V、T 等等 2. 微观描述微观描述 描述系统内微观粒子的运动状态。描

3、述系统内微观粒子的运动状态。 微观量：微观量： 一般不能直接测量。如分子的质量一般不能直接测量。如分子的质量 m、速度速度 v 等。等。 宏观量是相应的微观量的统计平均值宏观量是相应的微观量的统计平均值 三、热学的研究方法：三、热学的研究方法： 从宏观的实验规律出发从宏观的实验规律出发 系统的各种宏观性质之间的联系系统的各种宏观性质之间的联系 优点优点：可靠、普遍。：可靠、普遍。 缺点缺点：未揭示微观本质。：未揭示微观本质。 物质的微观结构物质的微观结构 + 统计方法统计方法：可靠性、普遍性差。：可靠性、普遍性差。1.热力学热力学宏观理论宏观理论 2.统计物理学统计物理学微观理论微观理论（初级

4、理论为气体动理论（初级理论为气体动理论) 优点优点:揭示了热现象的微观本质。揭示了热现象的微观本质。 缺点缺点:受模型局限，普遍性较差。受模型局限，普遍性较差。 宏观法与微观法相辅相成宏观法与微观法相辅相成7.2 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程一、气体的状态参量一、气体的状态参量宏观量宏观量平衡态？平衡态？ 压强压强P：气体施加于器壁的正压力气体施加于器壁的正压力 1Pa=1N/m2 1atm=1.01325105Pa体积体积V：气体分子能自由活动的空间气体分子能自由活动的空间温度温度T：热物理学的状态量，反映物体的冷热程度热物理学的状态量，反映物体的冷热程度状态参量：描写系统

5、平衡态的变量状态参量：描写系统平衡态的变量在在不受外界影响不受外界影响的条件下，系统的的条件下，系统的宏观宏观性质性质不不随时间改随时间改变变的状态。的状态。二、平衡态二、平衡态气体气体真空真空平衡态平衡态注意：注意：2.不受外界的影响不受外界的影响孤立系统，与稳态不同孤立系统，与稳态不同1.平衡态是理想状态平衡态是理想状态 3.动态平衡动态平衡处在平衡态的系统内的大量分子仍在作热运动，每个分处在平衡态的系统内的大量分子仍在作热运动，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间 改变。改变。三、三、 温度温度ABA、B 两系统用两系统用绝热板绝热板

6、隔开隔开各自达到平衡态各自达到平衡态A、B 两系统用两系统用传热板传热板隔开隔开两系统各自的平衡态被破坏，最后两系统各自的平衡态被破坏，最后达到共同的新的平衡状态达到共同的新的平衡状态热平衡热平衡AB1.热平衡热平衡2.热力学第零定律热力学第零定律设设 A 和和 B、B 和和 C 分别达到热平衡，分别达到热平衡，则则 A 和和 C 一定达到热平衡。一定达到热平衡。ABC3.温度与温标温度与温标处于热平衡的物体应具有由一个共同的物理量所处于热平衡的物体应具有由一个共同的物理量所决定的宏观性质决定的宏观性质温度温度温标温标温度的数值表示法温度的数值表示法温度计温度计用来测量系统温度用来测量系统温度

7、定标点：定标点： 水的冰点水的冰点0 C 水的沸点水的沸点100 C 定义定义理想气体温标理想气体温标 T，水的三相点作为一个定标点水的三相点作为一个定标点KT16.273t = T - 273.15四、理想气体状态方程四、理想气体状态方程RTRTMmpVm气体的质量气体的质量M气体的摩尔质量气体的摩尔质量 摩尔数摩尔数)/(31.8KmolJR普适气体常数普适气体常数molNA/10023.623KJNRkA/1038. 123RTNNpVANKTpV nKTp 克拉珀龙方程克拉珀龙方程理想气体理想气体：任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体：任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体理想气体理

8、想气体实际气体在实际气体在P0时的极限时的极限实际气体在一般实际气体在一般T和较低和较低P近似地看成理想气体近似地看成理想气体理想气体方程理想气体方程一、内能一、内能系统在系统在一定状态一定状态下的能量下的能量包括所有分子的动能包括所有分子的动能EK与分子间的势能与分子间的势能EP理想气体：理想气体： EP=0pkEEE ),(VTEE kEE ABEAEBABEEE7.3 功功 热量热量 内能内能 热力学第一定律热力学第一定律1. 定义：微观上定义：微观上 焦耳实验焦耳实验实验结果实验结果T 系统的内能与温系统的内能与温度有关度有关绝绝热热壁壁E 是系统热力学状态的是系统热力学状态的单值函数

9、，其变化可以单值函数，其变化可以用系统用系统绝热绝热时，外界对时，外界对系统系统 所作的功来量度。所作的功来量度。理想气体的内能是温理想气体的内能是温度的单值函数。度的单值函数。2. 内能的性质内能的性质1212Aa外外Aa外外绝绝热热壁壁Aa外外R水水Aa外外绝绝热热壁壁RI水水定义：定义：1212aAEE （外界对系统作的功）（外界对系统作的功）实验：实验： 与过程无关。与过程无关。12III aaaAAA 外外外外记记3. 内能的宏观定义内能的宏观定义aAE 真正要确定某系统内能的多少真正要确定某系统内能的多少要选定一个作参考的内能零点。要选定一个作参考的内能零点。实际有意义的是实际有意

10、义的是内能的差值内能的差值系统内能的增量等于系统对外界作的系统内能的增量等于系统对外界作的 绝热功的负值绝热功的负值-内能的宏观定内能的宏观定义。义。（Aa系统对外界作的功）系统对外界作的功）1212aAEE （外界对系统作的功）（外界对系统作的功）绝绝热热壁壁恒温热源恒温热源TA外外=0A非保内非保内=0T E Q外界对系统输入外界对系统输入 能量能量热量。热量。改变系统的热力学状态的途径：改变系统的热力学状态的途径：（1） A外外 E宏观有规则的能宏观有规则的能 量转变成微观无规则的能量量转变成微观无规则的能量.（2） Q E一个系统的微观无一个系统的微观无 规则的能量，转变成另一个系统规

11、则的能量，转变成另一个系统 的微观无规则的能量的微观无规则的能量.二、热量二、热量 传热是否可以改变系统传热是否可以改变系统 的热力学状态？的热力学状态？ 传热的微观本质是：传热的微观本质是： 分子无规则运动的能量分子无规则运动的能量 从高温物体向低温物体传递。从高温物体向低温物体传递。 热量也是过程量。热量也是过程量。 dQdQ系统系统外界外界dQ热量是通过温度差传递的能量。热量是通过温度差传递的能量。三三. .热力学第一定律热力学第一定律 实验结果：实验结果：对于任一过程对于任一过程 另一另一叙述：叙述：第一类永动机第一类永动机 是不可能制成的。是不可能制成的。 对于任一元过程对于任一元过

12、程 热力学第一定律适用于热力学第一定律适用于 任何系统任何系统( (气液固气液固) )的的任何过程任何过程( (非准静态过程也适用非准静态过程也适用),),AEQ 符号规定符号规定: : Q 0 0 系统吸热系统吸热 E 0 0 系统内能增加系统内能增加 A 0 0 系统对外界作正功系统对外界作正功dAdEdQ 热力学第一定律热力学第一定律是反映热现象中是反映热现象中 能量转化与守恒的定律。能量转化与守恒的定律。为什么要引入准静态过程的概念？为什么要引入准静态过程的概念？ 原平衡态原平衡态 一系列一系列 非平衡态非平衡态新平衡态新平衡态 系统从一个系统从一个热力学热力学状态状态 变化到另一个状

13、态变化到另一个状态 , ,称称 为热力学过程。为热力学过程。汽缸汽缸7.4 准静态过程中功和热量的计算准静态过程中功和热量的计算一、准静态过程一、准静态过程2.2.准静态过程的实际意义？准静态过程的实际意义？准静态过程准静态过程: :一个过程，如果任一中间状态都无限一个过程，如果任一中间状态都无限 接近于平衡态，则此过程称为准静态过程。接近于平衡态，则此过程称为准静态过程。 例如，实际气缸的例如，实际气缸的压缩过程：压缩过程： ( ( T ) )过程过程0.10.1秒秒 L/v = 0.1= 0.1米米/100/100（米（米/ /秒）秒） = 0.001 = 0.001秒秒弛豫时间弛豫时间

14、: :从从平衡态破坏到新的平衡态建立平衡态破坏到新的平衡态建立所需的时间。所需的时间。-“-“无限缓慢无限缓慢” ” 实际气缸的压缩过程：可抽象成实际气缸的压缩过程：可抽象成准静态压缩过程准静态压缩过程。1.1.准静态过程的理论意义？准静态过程的理论意义？- - 理想化模型！理想化模型！改变系统热力学状态的方法：改变系统热力学状态的方法： 1. 1.作功作功 2. 2.传热传热 ( ( T ) )过程过程-准静态过程的条件准静态过程的条件3.3.准静态过程准静态过程可以用可以用 P-V 图上的一条曲线图上的一条曲线 ( (过程曲线过程曲线) )来表示。来表示。T2系统系统T T1 1系统系统

15、（T1）直接与直接与 热源热源 （T2）有限温差传热的有限温差传热的热传导为非准静态过程热传导为非准静态过程系统系统T T1 1T1+TT1+2TT1+3TT2若传热过程若传热过程“无限缓慢无限缓慢”，或保持系统与，或保持系统与外界无穷小温差，可看成准静态传热过程外界无穷小温差，可看成准静态传热过程。. . 1. 1.热库或热源热库或热源( (热容量无限大、温度不变热容量无限大、温度不变) )。2.2.准静态传热过程准静态传热过程( (温差无限小温差无限小) )：P1F P2F xdxrdFdAP0V21VVPdVAP1V1P2V2iPSF系统作功系统作功PSdxdA活塞位移活塞位移idxPd

16、VP1V1 P2V2dV 0 A 0 系统作正功系统作正功dV 0 A 0 0 系统吸热系统吸热 E 0 0 系统内能增加系统内能增加 A 0 0 系统对外界作正功系统对外界作正功dAdEdQ 7.5等体摩尔热容等体摩尔热容 和和等压摩尔热容等压摩尔热容 一、准静态过程中的热量计算一、准静态过程中的热量计算 热容热容 Q = m c ( T2T1)上式中上式中 c 是物体的是物体的比热容比热容，物体的质量与比热容的，物体的质量与比热容的乘积乘积 mc ，称为物体的称为物体的热容热容。1 mol 物质的物质的热容热容，称，称为为摩尔热容。摩尔热容。定定义义dTdQCx1. 等体摩尔热容：等体摩尔

17、热容：dTdECVdTdEdTdACxdEdAdQ摩尔热容摩尔热容: 1摩尔气体经过某一热力学过程，温度摩尔气体经过某一热力学过程，温度升高（降低）升高（降低）1K所需要吸收（释放）的热量。所需要吸收（释放）的热量。,dEdEdAdQvTCEdTCdEvV,理想气体的内能理想气体的内能:单单双双多多 5/37/54/3dTdVpCdTdVpdTdEdTdQCvp由理想气体的状态方程由理想气体的状态方程RTpV RdTdVpp)(Rccvp3. 比热容比：比热容比：vpCC迈耶公式迈耶公式单单原子分子气体原子分子气体 RCV23双双原子分子气体原子分子气体RCV252. 等压摩尔热容等压摩尔热容

18、dEpdvdEdAdQp7.6 热力学第一定律对热力学第一定律对 理想气体理想气体在典型准静态过程的应用在典型准静态过程的应用状态状态1状态状态2准静态过程准静态过程系统的系统的Q 、A 、 E ？ E QAmol 理想气体理想气体RTMmPV Q =A +（E2-E1）喷汽前喷汽前等体积过程等体积过程喷汽时喷汽时等压过程等压过程 一、等容过程一、等容过程V一定一定 d v = 0PVO P-V图图上对应一直线上对应一直线 过程方程过程方程恒量VRTp 能量转换关系能量转换关系0 pdVdA12EEQvTCV)(12ppCRVVdEdQV二、等压过程二、等压过程 P一定一定 d P = 0PV

19、O P-V图图上对应一直线上对应一直线 过程方程过程方程恒量pRTVpdVdA )(12VVpA )(12TTR )(12TTCEV )(12TTCQpp1212 系统做正功系统做正功 Q021 系统做负功系统做负功 Q1)1)。 （1 1）从）从A A点经等温膨胀过程点经等温膨胀过程 V - n -P （2 2）从）从A A点经绝热膨胀过程点经绝热膨胀过程 V - n -P 且因绝热对外做功且因绝热对外做功 E - T - P P2 T2热量从系统热量从系统1传到系统传到系统2其反过程不会自动实现其反过程不会自动实现热传导过程具有方向性。热传导过程具有方向性。（三）气体的绝热自由膨胀（三）气

20、体的绝热自由膨胀 气体绝热自由膨胀的过程具有方向性气体绝热自由膨胀的过程具有方向性一切与热现象有关的实际宏观过程都具有方一切与热现象有关的实际宏观过程都具有方向性，其相反过程不可能自然发生向性，其相反过程不可能自然发生过程中系统不吸热、不作功，过程中系统不吸热、不作功，内能、温度不变，唯一的变化是体积增大内能、温度不变，唯一的变化是体积增大实际实际 宏观过程按一定方向进行的规律就是宏观过程按一定方向进行的规律就是 热力学第二定律热力学第二定律如何判断可逆过程？如何判断可逆过程？能否找到一种方式使系统和外界还原能否找到一种方式使系统和外界还原无摩擦的准静态过程（无摩擦的准静态过程（理想过程理想过

21、程）是可逆过程）是可逆过程热源热源气体准静态膨胀时气体准静态膨胀时作功作功A，吸热吸热Q，内能变化内能变化E反过程：外力推动活塞使气体沿原反过程：外力推动活塞使气体沿原过程的每一中间状态返回。过程的每一中间状态返回。EE QQ 系统和外界复原系统和外界复原系统复原系统复原无摩擦无摩擦 外力作功外力作功 A = - AABC可逆可逆可逆可逆ABC可逆可逆不可逆不可逆可逆过程可逆过程不可逆过程不可逆过程 可逆循环可逆循环 可逆机可逆机 不可逆循环不可逆循环不可逆机不可逆机Q1Q2 A高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质准静态循环，准静态循环，工质工质为为理想气体，只和两个理想气体，只和两个恒