




版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
热力学第一定律的微观实质探讨,热力学论文内容摘要:针对热力学教学中通常从微观的角度解释热力学第二定律,没有对热力学第一定律作出微观解释,作者采用理想气体作为热力学系统,利用质点系的动能定理,得出了普遍的能量转换和守恒定律,从微观机理上解释了热力学第一定律,并揭示了内能、热量、功这三个概念的微观本质。本文关键词语:动能;质心;内能;热力学系统;Abstract:Inthermodynamicsteaching,itisusuallyastatisticsmeaningofthesecondlawofthermodynamicsintermsofmicrocosmic,yet,itdoesntmakemicrocosmicexplanationtothefirstlawofthermodynamics.Theauthorstaketheperfectgasasthethermodynamicssystemandusethekinetictheoremofparticlesystem,theuniversallawofenergytransferandconservationareobtained,andanexplanationtothefirstlawofthermodynamicsintermsofmicrocosmicisgiven.Themicroessenceoftheinternalenergy,caloricandworkarerevealed.Keyword:kineticenergy;masscenter;internalenergy;thermodynamicssystem;0引言在热力学的教学中,通常只从气体压强,温度等概念的分子运动论解释和用相应的公式来解释和推证关于气体的诸实验定律,并从微观观点解释热力学第二定律的统计意义。但对热力学第一定律,则没有从微观机理上加以解释。作者试图在普通物理知识基础上,对此问题进行讨论。1质点系动能定理在热力学系统的应用为了从微观上解释热力学第一定律,我们将所考虑的热力学系统看作一个质点系。为使问题简化,仅在分子层次上考虑问题,即不考虑分子内部的构造,分子本身的能量仅有平动动能。于是,这个质点系的质点就是组成热力学系统的分子。除此之外还假定,系统不受外力场的作用,系统与外界的互相作用只通过边界上分子间的力学互相作用--即分子间相互作功来进行。设系统有N个分子组成,m表示第i个分子的质量,vi表示第i个分子相对于坐标系xoy〔惯性参考系〕的速度。dri表示位移,fi,ex和fi,in分别表示该分子所受系统外部和系统内部其他分子的作用力,即外力和内力,于是,由质点系动能定理有dmv2i2=dfi?ex?dri+dfi?in?dri.???〔1〕dmvi22=dfi?ex?dri+dfi?in?dri.???〔1〕根据柯尼希定理,上式左端质点系的动能等于质点系质心的动能和各质点相对于质心的动能之和,故有dmv2i2=dmv2c2+dmv*2i2=dEkc+dEkdmvi22=dmvc22+dmvi*22=dEkc+dEk,〔2〕式中,Ekc表示系统以其质点速度平动时的动能,也称为质心动能,Ek为构成此系统的所有分子相对于系统质心作无规则运动的动能之和,也称内动能。〔1〕式中外力作功之和〔即右端第一项〕可分为2部分。其一是,在系统边界每一局部区域内,分子在外力作用下发生一样定向位移即宏观位移,因此这每一部分外力对分子作功之和可表为合力Fi,ex〔属宏观力〕与宏观位移dri的标积,因而这些边界上外力作功之和即外力所作的宏观功dA,dA=dFi,exdri;其二是,有的外力作功并不伴随着分子定向运动的位移,这些功之和不能表为合力与定向位移乘积之和,这部分称为外力所作的微观功dAex,m,即dfi,exdri=dA+dAex,m.〔3〕〔1〕式中内力作功之和dfi,indri可以分为两部分,保守内力所做的功dAin,c和非保守内力所做的功dAin,d,即dfi,indri=dAin,c+dAin,d.〔4〕若我们用Ep,in表示系统的内势能,则dAin,c=-dEp,in.将〔2〕、〔3〕和〔4〕式代入〔1〕式,则dEkc+dEk=dA+dAex,m+dAin,c+dAin,d.〔5〕2热力学第一定律的微观解释〔5〕式是一个纯力学结果,它牵涉很多求和问题。由于系统内的分子是大量的,分子运动和分子间互相作用又是瞬息万变的,因此无法给出各项确实切形式。但从热力学角度来看,大量分子的无规则运动服从一定的统计规律,因此使〔5〕式中各项求和式具有明确的热力学量的含义。〔5〕式右端第一项dA为系统所受外力f所作元功之和中与分子的定向运动相联络的部分;第二项所表示的这部分外力f所作元功之和中并不联络着分子的定向位移的部分,但也是系统与外界交换能量的一种方式,这种作功经过能够理解为通过系统内的的分子与边界上的分子间的互相碰撞而传递能量的经过,这种碰撞是无规则的,所传递的这种能量也是无规则运动的能量,这第二项元功之和即为经过中所传递的热量dQ=dAex,m.综合上面的分析,〔5〕式可改写为dEkc+d〔Ek+Ep,in〕=dA+dQ+dAin,d,〔6〕称Ek+Ep,in为系统的内能,记为U,即U=Ek+Ep,in.我们知道内能与参考系的选取无关,也与参考系的整体运动无关,于是〔5〕式可以写为dEkc+dU=dA+dQ+dAin,d,〔7〕这就是包括了内能和机械能〔设外力场为0,因此不考虑系统在外场中的势能〕的普遍的能量转化和守恒定律。在处理牵涉到经过中系统的内能和机械能都发生变化或系统的内能与机械能间发生转化的问题时,运用表示这种规律的〔6〕式或〔7〕式进行计算是很方便的。考虑到在处理热力学问题的时候,一般都是在下面3个条件下考虑的:〔1〕在热学中一般讨论的经过不牵涉系统整体运动状态的变化。〔2〕即便经过中有变化,但始、末态的机械运动状态一样。〔3〕热力学问题通常是在质心参考系中考虑的。在以上的各种情况下,都有dEkc=0.另外,在通常的热力学教学资料中,热力学系统一般都是由理想气体构成,即不存在非保守的内力,此时有dAin,d=0.则在知足如上的条件下,〔7〕式变为dU=dA+dQ.〔8〕这就是热力学第一定律的常见形式。从上面的分析中,我们能够看出:热力学第一定律反映的实际上是普遍的能量转化守恒定律的一种特殊情况。即热力学系统中假如不考虑质心动能和非保守内力作功的情况下,系统的内能改变量等于外界对系统所作的宏观功和微观功,华而不实微观功即为分子之间无规则的碰撞传递给系统的热量。对于上式,我们做下面几点的讲明:〔1〕通常dEkc=0并不意味着系统的质心动能在所考虑的经过中时时不变,只是始、末态的动能未改变。例如活塞迅速压缩气体的作功经过,气体质心动能Ekc就经历了由零变大再变回为零的经过。又如气体自由膨胀经过,气体初始的Ekc=0,打开活门后,气体的无规则运动动能部分地转变为定向运动,内能U部分地转变为动能Ekc,冲出的气体通过与器壁的碰撞和分子间的碰撞后,这种定向运动动能Ekc又全部转变为分子无规则运动动能,即变为系统的内能,以致就整个经过〔由始态到末态〕而言,有dEkc=0,dU=0.当然,假如经过是准静态地进行的,则要求经过中任一微经过都知足dEkc=0,即每一状态下的Ekc都无限接近于初态的零值。〔2〕从质点系动能定理导出了〔5〕式,但〔5〕式中各项求和却只能在组成系统的分子的运动遵从一定的统计规律的前提下才能具有确定的热力学量的意义,因而,以上推出的〔6〕式,〔7〕式及〔8〕式并非是单纯的力学结果,而是反映热力学规律的公式。〔3〕、〔7〕和〔8〕式中各量是按统计规律求出的求和量。这些量在一定平衡态下只具有统计平均值的意义,因此相应的宏观量U、Q、A等也都只具有平均值的意义。3结论综上所述,利用质点系的动能定理,得出了普遍的能量转换和守恒定律,从微观机理上解释了热力学第一定律。从以上的讨论中,揭示了内能、热量、功这三个概念的微观本质。内能U中动能项中的分子速度vi是分子相对与系统质心作无规则运动的速度。当质心速度vc为零时,
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- DB50-T 1764-2024 渣海椒加工技术规范
- 本科教学工作审核评估宣传手册
- 病理学(医学高级):病理学综合强化练习题
- 《跨境电商实务》课件 项目二 比较跨境电商平台
- 儿童哮喘的快速缓解与控制
- 湖南省三新协作体2024-2025学年高二下学期4月期中考试政治试题
- 广东省韶关市2024-2025学年高一下学期期末教学质量检测生物试卷(无答案)
- 个性化教育与差异化教学
- 江西省赣州市2024-2025 学年高一下学期期末考试语文试卷(含答案)
- 少先队活动礼仪活动方案
- 2024年河南能源集团有限公司招聘笔试冲刺题(带答案解析)
- DB32T3795-2020企事业单位和工业园区突发环境事件应急预案编制导则
- 500字作文标准稿纸A4打印模板-直接打印
- 高中数学《函数的概念及其表示》大单元专题教学设计
- 第09讲醛酮(教师版)-高二化学讲义(人教2019选择性必修3)
- 巡回医疗工作总结
- 高血压 糖尿病 健康宣教
- 国开电大软件工程形考作业3参考答案
- 食堂检查燃气安全培训记录
- 河南近10年中考真题道德与法治2014-2023年含答案
- 山姆配送服务流程
评论
0/150
提交评论