大学物理（上册）课件 6-1 准静态过程

一、准静态过程

热力学过程分为非静态过程与准静态过程。准静态过程是无限缓慢的状态变化过程。如果过程中的中间状态为非平衡态,这个过程叫做非静态过程。要使一个热力学过程成为准静态过程,应该怎样办呢?例如,要使系统的温度由T1

上升到T2的过程是一个准静态过程,就必须采用温度极为相近的很多物体(例如装有大量水的很多水箱)作为中间热源。

这些热源(如这里的水箱)的温度分别是T1,T1+dT,T1+2dT,…,T2-dT,T2(见图6.1),其中dT

代表极为微小的温度差。只有气体处于平衡态时,才能在p-V图上用一点来表示其状态。由此可见,当气体经历一准静态过程时,就可以在p-V图上用一条相应的曲线来表示其准静态过程。p-V图上两点之间的连线称为两状态间的准静态过程曲线,简称过程曲线。二、功

现在讨论系统在准静态过程中,由于其体积变化所做的功。如图6.2(b)所示,在一个有活塞的气缸内盛有一定量的气体,气体的压强为p,活塞的面积为S,则作用在活塞上的力为

F=pS。当系统经历一微小的准静态过程使活塞移动一微小距离Δl时,气体所做的功为

其中ΔV

为气体体积的变化量。功ΔW

可用图6.2(b)中画有斜线的矩形小面积来表示,故气体在由状态A

变化到状态B的准静态过程中所做的功为

三、内能

向系统传递热量可以使系统的状态发生变化,对系统做功也可使系统的状态改变,而且对于已定的始状态和末状态,单独向系统传递热量或对系统做功,其值会随过程的不同而不同。若向系统传递热量的同时又对系统做功,那么,系统状态的变化就与热量和功有关了。然而大量事实表明,对于已定的始状态和末状态,传递热量与做功的总和与路径或过程无关,而为一确定值。这就告诉我们,系统状态的改变可以用这个确定值给出量化的表述。也就是说,系统的状态可以用一个物理量E

来表征;当系统由始状态改变到末状态时,不管系统从初态至末态所经历的是什么,这个物理量的增量ΔE

是个确定值。

这与力学中依据保守力做功与路径无关,从而定义出系统的势能一样。这个表征系统状态的物理量E叫做系统的内能。因此,系统的内能仅是系统状态的单值函数。

从前一章我们知道,理想气体的内能仅是温度的函数,即E=E(T)。对一般气体来说,其内能则是气体的温度和体积的函数,即E=E(T,V)。总之,当气体的状态一定时,其内能也是一定的;而气体状态变化时的ΔE值只由始状态和末状态决定,与过程无关。

四、热量

热量是系统与外界,或系统与其它系统交换(或传递)的热运动能量的度量。或者说,热量是系统与外界,或系统与其它系统交换的内能。它是由于各系统之间存在温度差而引起它们之间分子热运动能量的传递过程。对某系统传递热量,就是把高温物体的分子热运动能量传递给该系统,并转化为该系统的分子热运动能量,从而使它的内能增加。功、内能、热量是三个不同的物理量,它们之间既有严格的区别,又存在着密切的联系。

五、热力学第一定律

在系统状态变化的过程中,做功与传递热量往往同时存在。假定系统从内能为E1

的状态变化到内能为E2

的状态的某一过程中,外界对系统传递的热量为Q,同时系统对外界做功为W,那么根据能量守恒与转换定律,有

对于无限小的状态变化过程,热力学第一定律可表示为由于内能是状态的单值函数,所以式(6-3)中的dE代表内能函数在相差无限小的两状态的微小增量