1热学-4-1(基础物理课堂讲稿下第九讲)

第四章热力学第一定律第九讲4.1热力学过程和准静态过程4.2热力学第一定律4.3热力学第一定律在关于物体性质讨论中的应用4.4热力学第一定律对理想气体的应用4.5循环过程和卡诺循环4.1热力学过程和准静态过程热力学过程：热力学系统的状态随时间的变化。热力学过程分准静态过程和非准静态过程准静态过程:视中间状态近似为平衡态.→要求过程进展足够缓慢

VPⅠⅡ0●热力学过程及准静态过程的概念

在准静态过程中，P-V图中曲线上每一点都视为平衡态。目的：建立物理模型，采用平衡态公式近似解决实际问题,并给实际研究指出方向。非准静态过程:不能视中间状态近似为平衡态.

→过程进展快●实现准静态过程的可能性及条件条件：中间态时系统内各部分之间以及与外界之间须满足力学、热学和化学等平衡条件具体要求：系统的弛豫时间小于过程的特征时间参见教材P123中举例……4.2热力学第一定律◆能量守恒定律物质→运动→能量运动形式多样→机械能、热能、电能、化学能等力学方面：惠更斯研究完全弹性碰撞→机械能守恒化学方面：1810年拉瓦锡实验:豚鼠吃过食物后发出的动物热与等量的食物直接化学过程燃烧所发的热接近相等→化学能与热能相互转换热学方面：1798年汤普森研究摩擦生热→功与热转换电磁学方面：1845法拉第的电磁感应→电能与磁能相互转换1840焦耳的热效应IR2→电能与热能相互转换1950年恩格斯(英)→全面名称→能量转化与守恒定律19世纪的三大自然发现：

达尔文进化论;细胞学说;能量转化与守恒定律1950年克劳修斯(德)→数学形式:1848年迈尔(德)1847年赫姆霍兹(德)1849年焦耳(英)对能量转化与守恒定律作出了明确叙述能量守恒定律：自然界中一切物体都具有能量，能量有多种不同形式,它能从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转化和传递过程中能量的总量不变。注：dU是微分；dQ，dW是无限小量.其微分形式：◆热力学第一定律(能量守恒定律)：其中：Ui

:系统初内能；Uf:系统末内能.

Q

>0:系统从外界吸收的热量；Q

<0:系统从外界吸收负热量或系统向外界释放热量Q′=-Q>0

W>0:外界对系统作正功;W<0:外界对系统作负功或系统对外界正功W′=-W>0◆内能---热力学系统的内部能量U

Uk:系统中所有微观粒子动能总和UP:系统中所有微观粒子间相互作用势能的总和每个分子的热运动平动动能平均值：粒子间相互作用能Up与粒子间距有关粒子间距与粒子数密度有关粒子数密度与系统体积V有关态函数(∵T,V确定,U便确定)但理想气体，不考虑粒子间相互作用结论：理想气体内能U只是温度T的函数,是态函数,可全微分。◆热量---热学作用下转移的能量系统与外界存在热学相互作用→有温差→热平衡被破坏其效果：能量从高温物体传到低温物体，使组成低温物体的微观粒子运动剧烈程度提高。能量在高低温物体之间传递了多少----称为热量显然，热量是过程量,与能量传递的过程与方式有关。因此，不能说热量是热力学参数T、P、V的函数即:所以，热量Q不是态函数。dQ仅是无限小量的含义，而不是全微分。为区别起见，将无穷小量dQ写成dQ。注意：Q与Q′的区别◆功---力学作用下转移的能量系统与外界存在力学相互作用(广义)→力学平衡条件被破坏外界对系统作功W：外界对系统作微元功△W：x显然,W功与Q热量一样,是过程量，dW无穷小量。对于如图，Vf末>Vi初∴外界对系统作负功W→系统对外正功W′ViVfVV+ΔVVp→曲线下面积→热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒与转换定律；说明：热功当量：l卡(cal)=4.1867焦尔(J)“热量”是因T不同而交换的能量的量度.此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经历的各状态则不一定是平衡态；适用于任何系统（气、液、固）。4.3热力学第一定律在关于物体性质讨论中的应用●物体的热容在一定条件下，系统升高1K时吸收或放出的热量。摩尔热容→单位质量热容→◎定体热容：(定体)(常用)◎定压热容：新定义焓为：

是态函数,可全微分。●物体的内能U和焓H前面己说明：态函数全微分：注:T,p,V中只有两个独立积分：→求定体热容：→求定压热容：对于理想气体，因粒子间相互作用可忽略∴理想气体内能：定压热容：定体热容：∴理想气体焓：常用关系式：其中：(气体泊松比)单原子气体:刚体双原子气体:双原子气体:(低温)(高温)∵自由膨胀不作功，W=0说明理想气体内能U和焓H都只是温度T的函数即：

结论：理论与实验吻合。焦耳实验装置如图，温度计无变化，说明：·温度计··········································●实际气体的节流膨胀效应焦耳-汤姆孙实验(多孔塞节流膨胀实验,1852)节流效应(焦耳-汤姆孙效应)：

实际气体通过多孔塞节流膨胀后温度发生变化的现象节流有三个特点：①它是不可逆的绝热过程,Q=0②初态与终态是等焓的,证明如下：节流前气体(p1,V1,U1)→外界对系统作正功

p1V1节流后气体(p2,V2,U2)→外界对系统作负功-p2V2∴节流前后外界对系统作净功W=p1V1-p2V2由热力学第一定律∵气体过多孔塞须克服阻力作功而变成热(证毕)▲理想气体在节流膨胀前后温度不变→U=U(T)▲实际气体在节流膨胀前后温度变化→U=U(T,p)③实验结果：焦耳-汤姆孙系数：节流→→节流正效应—致冷

→节流负效应—致热

由在