第5章-热力学基础

热力学理论和气体动理论一样，主要探讨物质的热现象、热运动；但热力学并不考虑物质的微观结构，而是以视察和试验事实为依据；热力学是宏观理论，气体动理论是微观理论；二者相辅相成、相互促进。§5.1热力学第零定律—温度(Temperature)当两个物体通过器壁相互接触时，两物体的状态可以完全独立地变更，就称为绝热壁。非绝热的器壁称为透热壁。P1V1P2V2绝热壁P1V1P2V2透热壁通过透热壁进行热接触会达到共同的平衡态CABCABA和B同时与C进行热接触，经过足够长的时间，A和B将与C达到热平衡。物体的状态不会发生任何变更，A与B仍旧处于热平衡热力学第零定律（热平衡定律）：假如两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们彼此也必处在热平衡。

互为热平衡的物体必有一个共同的物理性质——就是它们的冷热程度——温度。热平衡定律指明白比较温度的方法：用一个标准的物体分别与两个物体进行热接触。作为标准的物体就是温度计。热力学温标将水的三相点的温度(水、冰和水蒸气三相平衡共存的温度)规定为243．16度。令P3表示在三相点下定容气体温度计中气体的压强，用线性关系规定气体压强为P时的温度：试验表明，不论用何种气体为测温物质，定出的温标只有微小的差别，在压力趋于零趋于一个共同的极限温标——志向气体温标。单位：K(开尔文)若干代表性的温度摄氏温标和华氏温标摄氏温标t=T-273.15℃华氏温度和摄氏温度的换算关系：作功就是系统与外界交换能量的一种方式机械功变更系统的状态电功变更系统的状态§5.2热力学第确定律(Thefirstlawofthermodynamics)热力学第确定律

某一过程，系统从外界吸热Q，对外界做功W，系统内能从初始态E1变为

E2，则由能量守恒：对无限小过程：第一类永动机：系统状态经过变更后，又回到原始状态，同时在这个过程中无需外界能量的供应而源源不断地对外做功。准静态过程

Quasi-staticprocess1221系统从某状态起先经验一系列的中间状态到达另一状态的过程。

过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。始平衡态

一系列非平衡态末平衡态←快非平衡态←缓慢接近平衡态准静态过程是一个志向化的过程，是实际过程的近似。非准静态过程准静态过程除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数状况下都可以把实际过程看成是准静态过程系统T1T1+△TT1+2△TT1+3△TT2若系统T1干脆与热源T2接触达到热平衡，不是准静态过程。例2、系统从外界吸热u弛豫时间约10-3秒，假如

实际压缩一次所用时间为1秒，

就可以说是准静态过程。

当气体作无摩擦的准静态膨胀或压缩时，外界的压力等于气体的压力，因而是描述气体平衡状态的一个参量。例1、气体的压缩(p2,V2)(p1,V1)(p,V)过程曲线准静态过程可以用过程曲线来表示：

VOp一个点代表一个平衡态VOpIIIpV1V2dVdl从状态I变更到状态II，气体对外所作总功为：有了功的表达式，热力学第确定律可表示为：志向气体的等体过程功热力学第确定律或ⅠⅡ···OVpV1等体过程中气体吸取的热量，全部用来增加它的热力学能，使其温度上升。ⅠⅡp1OVp志向气体的等压过程系统对外做功则代入志向气体的状态方程得上式说明，在等压过程中，志向气体吸取的热量，一部分用来对外作功，其余部分则用来增加其热力学能。···热力学第确定律·志向气体的等温过程热力学第确定律对pdV积分得：在等温膨胀中，志向气体吸取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。ⅠⅡ···OVp由志向气体的状态方程得5.2.5气体的摩尔热容热容量：物体在某一过程中温度上升1K所吸取的热量叫做物体在该过程中的热容量单位:J/K摩尔热容，单位：J/mol·K在等体过程中，对于志向气体，代入上式得：在等压过程中，因为所以：对于1mol志向气体，在等压过程中，则：摩尔定压热容与摩尔定容热容的比值称为比热容比：5.2.6志向气体绝热过程

常温下—绝热过程方程

以及：

或：过程曲线微分由于＞1，所以绝热线要比等温线陡一些。

2等温12′绝热OVp绝热：恒温：确定量氮气，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1/5。解例求压缩后的压强和温度依据绝热过程方程的p﹑V关系，有依据绝热过程方程的T﹑V关系，有刚性双原子分子§5.3循环过程卡诺循环一.

循环过程系统（工作物质）对外所作的净功VpOⅡⅠ··变更后又回到初态的整个过程叫循环过程。系统（如热机中的工作物质）经一系列假如循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用p-V图上的闭合曲线表示。正循环(循环沿顺时针方向进行)逆循环(循环沿逆时针方向进行)（系统对外作正功）ⅠⅡabVpO（系统对外作负功）正循环也称为热机循环逆循环也称为致冷循环··ⅠⅡabVpO····循环效率ⅠⅡQ1Q2abVpO··在一正循环中，

向低温热源放热Q2系统从高温热源吸热Q1

，系统对外作净功

W=Q1–Q2定义热循环效率在一逆循环中，

系统从低温热源吸热Q2

，外界对系统作功致冷系数向高温热源放热Q1ⅠⅡQ1Q2abVpO··致冷系数:5.3.2卡诺循环卡诺循环：低温热库T2|Q2|A工质Q1高温热库T1卡诺（Carnot，法国人，17961832）p02134T1T2V绝热线等温线V1V4V2V3工质只和两个恒温热库交换包含2个等温过程和2个绝热过程p0Q12134|Q2|T1T2VV1V4V2V31→2：3→4：

等温过程绝热过程2→3：4→1：因此卡诺循环的效率为：p02134T1T2VV1V4V2V3卡诺热机循环的效率说明：①c与志向气体种类、M、p、V的变更无关，②T1，T2c，好用上是T1。现代热电厂：（900K）（300K）理论上：c~65%，实际：

40%，缘由：非卡诺，非准静态，有摩擦。只与T1、T2有关。WQ1Q2T1T2致冷系数

卡诺致冷机

卡诺致冷循环的致冷系数

§5.4热力学其次定律热力学第确定律指出各种形式的能量在相互转化的过程中必需满足能量守恒关系，对于过程进行的方向并没有给出任何限制。但是凡是与热现象有关的实际过程都具有方向性。热力学其次定律是独立于热力学第确定律的另一个基本规律，要解决的就是与热现象有关的过程进行方向问题。过程的唯一效果能否发生热功转换功热功热√热传导高温热量低温高温热量低温√气体扩散分离混合分离混合√一些自然过程的方向：全部全部

1.开尔文表述：不行能创建一种循环动作的热机，只从一个单一热源吸取热量，使之转变为有用的功而不产生其他影响。2.

克劳修斯表述：

热量不能自动地从低温物体传向高温物体热力学其次定律的表述热力学其次定律的开氏说法也可表述为：其次类永动机是不行能造成的所谓其次类永动机是能够从单一热源吸热，使之完全变成有用的功而不产生其它影响的机器。这种机器可以利用大气或海洋作为单一热源从那里不断吸取热量而作功，而这种热量事实上是用之不尽的。这种永动机并不违反热—定律，因而称为其次类永动机。热力学其次定律指出，企图通过这种方式来利用自然界的内能是不行能的。自然现象的不行逆性：摩擦生热和热传导低温物体高温物体QQW假如一个过程发生后用任何方法都不行能将它产生的后果完全消退而使一切复原原状，这过程称为不行逆过程。反之，假如一个过程发生后，它所产生的后果可以完全消退而令一切复原原状，这过程称为可逆过程。“一切与热现象有关的实际宏观过程都不行逆”永恒之所“今日的你我怎能重复昨天的故事!”生命过程是不行逆的：诞生童年少年青年中年——不行逆！老年卡诺定理（Carnottheorem）1.工作在相同温度的高、低温热库之间的一切可逆机的效率都相等，与工作物质无关。2.工作在相同温度的高、低温热库之间的一切不行逆机的效率都不行能大于可逆机的效率。§附录

熵简介定律、定理可以定义新的物理量：牛顿其次定律m热力学第零定律T热力学第确定律E热力学其次定律？（应反映过程方向）一.克劳修斯不等式对随意循环过程，=对应可逆循环，<对应不行逆循环VpOⅡⅠ··二.熵（entropy）

定义一个与过程无关的状态量，令为S三、熵增加原理系统的熵永不削减。孤立系统由非平衡态向平衡态过渡时，S，最终的平衡态确定是S=Smax的状态。熵给出了孤立系统中过程进行的方向和限度。系统经绝热过程从一个状态到达另一个状态时，四、信息熵定义其信息熵为：由现代信息论的创始人香农提出，给定一个信号源其中是信号出现的频率。信息熵的数学意义为信号源S的平均信息量，在数据压缩领域，信息