大学物理学 第一卷 经典物理基础 第6版 课件 12 热力学第一定律

第十二章：热力学第一定律第五节热力学循环

第四节理想气体的热力学过程第三节热力学第一定律的内容第二节功、热力学能和热量第一节热力学中的基本概念CollegePhysics

大学物理本章核心内容1.理解热力学第一定律的内容，会利用该定律计算三等值过程中做功、热量与内能变化情况。2.会建立绝热过程方程，能够比较绝热线与等温线的异同3.掌握热机循环的特点，并能够计算其效率CollegePhysics

大学物理1、什么是热学

宏观物体是由大量的微观粒子——分子、原子等组成的。微观粒子的无规则的运动，称为热运动。热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。2、热学的分类按照研究方法的不同，热力学——宏观理论统计物理学——微观理论热学热学是研究宏观物体的各种热现象，及其相互联系与规律的一门学科。引言热力学（宏观法）：优点：揭示了热现象的微观本质。缺点：可靠性、普遍性差。优点：可靠、普遍。缺点：未揭示微观本质。宏观观点热现象的宏观规律实验途径热现象的微观本质微观观点

统计方法统计物理学（微观法）：引言热力学系统：热力学研究的对象，它包含极大量的分子、原子。外界：能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体。一、热力学系统和外界

系统的分类孤立系统封闭系统开放系统根据系统与外界之间的相互作用外界系统说明：系统与外界的划分是相对的。12-1

热力学中的基本概念1、状态：系统所表现的各种宏观性质，统称为系统的状态。二、系统的状态与状态参量

平衡态:在无外界影响（无能量、物质交换）的条件下，系统所有的宏观性质不随时间变化的状态。12-1

热力学中的基本概念说明（1）平衡态是一种热动平衡；

处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间改变。箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越界线，但两侧粒子数相同。例：粒子数（2）平衡态是一种理想概念。（3）对于平衡态，可以用pV

图上的一个点来表示。

12-1热力学中的基本概念

平衡条件（1）力学平衡（2）热平衡体系内部各处温度相等。

在通常（例如在没有外场等）情况下，力学平衡反映为压强处处相等。上述平衡条件中任何一个得不到满足，则体系处于非平衡态。（3）化学平衡体系的组成不随时间变化（4）相平衡各相组成不随时间变化。如液汽共存。12-1热力学中的基本概念

2、状态参量用来描述系统宏观状态的物理量。（1）几何参量：体积V：分子到达的空间（2）力学参量：压强P：分子碰撞器壁的力（3）化学参量：（4）电磁参量：（5）温度：表征物体的冷热程度摩尔数，浓度，质量电场强度，电极化强度，磁化强度12-1热力学中的基本概念单位：压强---帕斯卡体积---立方米温度---开尔文(K)

微观量:描述系统内微观粒子的物理量。如分子的质量、直径、速度、动量、能量

等。微观量与宏观量有一定的内在联系。

宏观量：从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。如压强P、体积V、温度

T

等。分为广延量和强度量广延量有累加性－如质量M、体积V、内能U等强度量无累加性－如压强P，温度T等12-1热力学中的基本概念例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积，密度，温度或压强都将变化，在过程中的任意时刻，气体各部分的密度，压强，温度都不完全相同。三、准静态过程1、热力学过程

当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个热力学过程，简称过程。热力学过程非准静态过程准静态过程12-1热力学中的基本概念2、非准静态过程过程中的状态为非平衡态过程中的每一状态都是平衡态3、准静态过程气体活塞砂子例1：外界对系统做功例2：气缸的压缩过程：12-1热力学中的基本概念

从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间称为弛豫时间。

准静态过程只有在进行的“无限缓慢”的条件下才可能实现。对于实际过程则要求系统状态发生变化的时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。说明：VPo（1）准静态过程是一种理想过程模型。（2）系统的准静态变化过程可用pV图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。12-1热力学中的基本概念

摩尔数普适气体常量

理想气体当系统处于平衡态时，三个状态参量存在一定的函数关系：

物态方程(状态方程)四、物态方程理想气体12-1热力学中的基本概念一、功第二节功、热量和内能PS

考虑无摩擦准静态过程的功。当活塞移动微小位移dx时，外力所作的元功为：

无摩擦准静态过程，为了维持气体的平衡态，外界的压强必然等于气体的压强。

12-2功、热力学能和热量

系统对外界所作的元功

系统对外作正功；

系统对外作负功；

系统不作功。

PS

有限过程说明：1、12-2功、热力学能和热量

2、几何意义:在P—V图上,“曲线下的面积”=系统所做功

比较a,b下的面积可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。（功是过程量）

3、作功与过程有关.箭头标明过程的方向。

=曲边梯形的面积12-2功、热力学能和热量二、热力学能（内能）热力系的内能：所有分子热运动的动能和分子间势能的总和，即热力系的内能就是热力系的热能.

作机械功改变系统状态AV作电功改变系统状态1、焦耳实验12-2功、热力学能和热量

实验结果表明：用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，所需的功在实验误差范围内是相等的。

系统从A状态变化到B状态，不管经过什么过程，只要始末状态确定，做功不变.需引入系统热力学能，即内能U2AB1**

系统的内能是状态量,是热力系状态的单值函数。

内能的改变只决定于初、末状态而与所经历的过程无关。12-2功、热力学能和热量三、热量（过程量）

通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递.

12-2功、热力学能和热量

某一过程，系统从外界吸热Q，对外界做功A，系统内能从初始态U1变为

U2，则由能量守恒：

对无限小过程：对气体系统的准静态过程：12U1U2

12-3热力学第一定律的内容2、第一定律的符号规定+

系统吸热系统放热内能增加内能减少系统对外界做功外界对系统做功

4、实验经验总结，自然界的普遍规律.3、热力学第一定律实际上是包括热现象在内的能量守恒与转换定律。

说明:1、热力学第一定律的另类表述:第一类永动机(不消耗任何能量而不断对外作功的机器)是不可能造成的.12-3热力学第一定律的内容一、等体过程1、特点：常量

3、过程方程：常量

2、过程曲线4、热力学特性（能量转化情况）热力学第一定律

功12-4理想气体的热力学过程本节介绍热力学第一定律在理想气体三种不同等值过程以及绝热过程中的应用。热容量:物体温度升高一度所需要吸收的热量12-4理想气体的热力学过程单位：摩尔热容:1mol物质的热容量单位：

系统对外界不作功，系统吸收的热量全部用来增加系统的内能。（二）等压过程1、特性：常量

3、过程方程：常量

2、过程曲线12P21O..VVV12-4理想气体的热力学过程定体摩尔热容

4、热力学特性定压摩尔热容

系统对外做功

根据热力学第一定律因此对给定的理想气体

12-4理想气体的热力学过程特别指出

对给定的理想气体，内能增量只与温度T的增量有关，与过程无关。

压强保持不变，两边除以dT得

5、迈耶（Mayer）公式

12-4理想气体的热力学过程

1mol理想气体

迈耶（Mayer）公式

在等体过程中，气体吸收的热量全部用来增加系统的内能等压过程中，气体吸收的热量，一部分用来增加系统的内能，还有一部分用于气体膨胀时对外界作功气体升高相同的温度，在等压过程吸收的热量要比在等体过程中吸收的热量多。

12-4理想气体的热力学过程12-4理想气体的热力学过程

1、1mol双原子分子理想气体从状态A(p1,V1)沿p-V图所示直线变化到状态B(p2,V2)，试求：

气体的内能增量．气体对外界所作的功．

气体吸收的热量．解：(1)

(2)W为梯形面积，根据相似三角形有p1V2=p2V1，则

(3)Q=ΔU+A=3(p2V2－p1V1)12-4理想气体的热力学过程1、特性：常量

3、过程方程：常量

2、过程曲线4、热力学特性三、等温过程PV1122ppIII..OVV

内能热力学第一定律

T越大，P-V图中等温曲线越高功

12-4理想气体的热力学过程

3、绝热过程方程2、功与内能四、绝热过程系统不与外界交换热量的过程。

由第一定律，1、过程特征

由理想气体状态方程

12-4理想气体的热力学过程

两边微分

消去dT积分:

或

——绝热过程方程V1V2p1p212-4理想气体的热力学过程

泊松公式再由理想气体状态方程，可得

4、绝热线与等温线的比较。①等温线斜率

②绝热线斜率

12-4理想气体的热力学过程

5、理想气体绝热过程功

由第一定律，已得

代入

12-4理想气体的热力学过程

小结过程过程方程吸热Q对外做功A内能增量等体

0

等压

等温

0

绝热0

12-4理想气体的热力学过程

2、一定量的单原子分子理想气体从A态出发经等压过程膨胀到B态，又经绝热过程膨胀到C态，如图所示．试求这全过程中气体对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量．

因此全过程A→B→C的DU=0．12-4理想气体的热力学过程

B→C过程是绝热过程，有QBC=0．

A→B过程是等压过程，有

＝14.9×105J．

12-4理想气体的热力学过程

一、循环过程

一系统经历一系列变化后又回到初始状态的