应用型本科大学物理　上册 课件 第6章热学基础

第六章热力学基础热力学系统：由大量微观粒子组成的系统，简称系统。外界：系统周围的环境。热力学状态：平衡态和非平衡态平衡态：不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间变化的状态。AB1.平衡态6.1.1中学物理知识回顾（3）可用确定的状态参量来描述。（1）无外界影响是指没有热量的传递及外界对系统做功。（2）是一种热动平衡状态。（4）是一个理想的状态。

平衡过程：状态变化过程中，每一个中间状态都无限接近平衡态。沸水冰水物理知识的理解例当系统处于热平衡态时，系统的宏观性质和微观运动都不随时间改变。（）×2.气体的状态参量:(1)体积V:气体分子所能到达的空间,气体容器的容积.(2)压强p:气体垂直作用于器壁表面单位面积上的力.(3)温度T:温度是反映物体冷热程度的物理量.

热力学第零定律:如果两个热力学系统A和B各自与第三个热力学系统C处于热平衡,那么A和B也必处于热平衡.单位:在SI中,体积的单位是立方米(m3)1L=1dm3=1m3单位:在SI中,压强的单位是帕斯卡(Pa)1atm=760mmHg=1.013×105Pa单位:在SI中,用的是热力学温标.开尔文(K)

摄氏温标

t=T-273.15℃3.理想气体状态方程在任何情况下都遵从玻意耳定律、盖-吕萨克定律和查理定律的气体。是一个抽象的理想模型。：摩尔数理想气体状态方程R：普适气体常量R=8.31Jmol-1K-1

M：气体质量m

：摩尔质量M=Nmm=N0

m其它形式：玻耳兹曼常数n:分子数密度（微观形式，大学物理中常用。）6.1.2理想气体的压强和温度1.理想气体的微观模型1)除碰撞的瞬间，分子间无相互作用；2)分子本身的体积在气体中可以忽略不计，分子看作质点；理想气体：自由、无规运动的弹性质点的集合。3)碰撞为完全弹性碰撞。2.平衡态的统计假设1）分子速度在各方向分量的各种平均值都相等。

2）速度和它的各个分量的平均值为零。

xyzA1）

一个分子与A面碰撞一次动量的增量：A2）A面对分子的平均冲力：两次碰撞的时间间隔：3.压强的解释与压强公式vi分子对A面的平均冲力：3）

所有分子给A面的平均冲力4）

A面所受压强分子平均平动动能6.1.3温度公式温度的统计意义（1）温度是分子平均平动动能的量度。（3）温度是大量分子热运动的集体效应。（2）气体的平均平动动能与温度成正比。具有统计意义，是一个统计平均值。压强的统计意义压强是大量分子对器壁碰撞的平均效应，N很大时才有意义。压强具有统计意义，是一个统计平均值。6.1.4能量均分定理热力学能

1.能量按自由度均分定理定义:完全确定一个物体的空间位置所需的独立坐标数。（1）自由度气体分子的自由度单原子分子双原子分子:一根轻弹簧连接起来的两质点i=3i=6质心位置：连线方位：3个平动自由度2个转动自由度两原子相对位置：1个振动自由度xyz刚性双原子分子：刚性多原子分子i=6n个原子组成的非刚性分子：（3n-6）个振动自由度（s）i=3n刚性分子：自由刚体3个平动自由度（t）3个转动自由度（r）3个平动自由度（t）3个转动自由度（r）（2）

能量按自由度均分定理1）能量按自由度均分定理的说明一个分子的平动动能：根据理想气体平衡态的统计假设：因而每个平动自由度上具有相同的平均平动动能，再由温度公式可得：大量分子的平均平动动能：在温度为T的平衡态下，物质（气体、液体、固体）分子的每一个自由度都具有相同的平均动能，大小为

。2）能量按自由度均分定理平动：t平均平动动能平均转动动能平均振动动能转动自由度：r振动自由度：s刚性分子：s=0（1）单原子分子（2）双原子分子

t=3，r=0t=3，r=2（3）多原子分子t=3，r=32.理想气体的热力学能

（1）

热力学能的定义

系统内热运动能量的总和。包括：大量分子的动能、分子间的相互作用势能、构成分子的各原子能、原子相互作用能和原子核能量。不考虑分子内部原子间的振动。一个分子：（2）

理想气体平衡态的热力学能1)对于给定的理想气体（m，i一定），热力学能是温度的单值函数；2)系统热力学能是一个态函数；【例6.2】

2g氢气与2g氦气分别装在两个容积相等、温度也相等的封闭容器内，试求（1）平均平动动能之比（2）压强之比（3）热力学能之比。(3)理想气体的热力学能为(1)因为(2)【解】§6.2热力学第一定律准静态过程：模型

热力学系统（简称系统）：大量分子，研究对象T1+dT

T1+dT

T1

T1

T1

T1

T1+dT

T1+dT

T1+2dT

T1+2dT

T1+2dT

T1+2dT

T1+3dT

T1+3dT

T1+3dT

T1+3dT

T1+4dT

T1+4dT

T1+4dT

T1+4dT

T1+5dT

T1+5dT

T1+5dT

T1+5dT

T1+6dT

T1+6dT

T1+6dT

T1+6dT

T2-2dT

T2-2dT

T2-2dT

T2-2dT

T2-dT

T2-dT

T2-dT

T2-dT

T2-dT

T2-dT

T2

T2T1

T1

T1+dT

T1+dT

T1

+2dT

T1+2dT

T2–

dT

T2–dT

T2

T2

—温度从T1升高到T2

：(无限缓慢热传导)热力学过程：当热力学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。6.2.1中学物理知识回顾与拓展作为准静态过程中间状态的平衡态，具有确定的状态参量值。（1）过程曲线描述1.准静态过程的描述准静态过程是理想模型，作为热力学的基础，我们着重讨论它。非静态过程不能用状态图上的一条曲线来表示。（2）

方程描述例如：一杯80ºC的热水，向周围温度较低的空气放出热量，这是一个过程，而说这杯水具有多少热量是错的。热量与温度的区别热量是系统热力学能变化的一种量度，是过程量。温度反映了物体冷热程度，是分子平均平动动能的标志，是状态量。热的本质是传递的能量。该能量的多少就是热量。2.

热量热量的计算方法c是比热。C是摩尔热容

摩尔热容可定义成：等容摩尔热容CV，表示在等容过程中，1mol气体升高单位温度吸收热量。等压摩尔热容CP，表示在等压过程中，1mol气体升高单位温度所吸收热量。热量热量规定：系统吸热：；系统放热：1）理想气体热力学能:热力学能：系统中所有分子不规则热运动的能量与分子与分子之间相互作用的势能的总和。热力学能的改变只决定于系统初末两个状态，与所经历的过程无关。热力学能是“状态量”。单原子分子气体双原子分子气体多原子分子气体3.准静态过程中的热力学能增量微小变化：2）热力学能增量4.热力学第一定律设一热力学系统，初始时热力学能为E1，如果系统吸热，使系统热力学能增加到E2，系统对外作功A。

在一般情况下，系统热力学能的改变可能是作功与传热的共同结果。系统由能量守恒与转换定律，有：即热力学第一定律

微小过程：对准静态过程：①注意热力学能增量、功、热量的正负规定。②热—功转换不是直接进行的，而是间接的，热力学能是传递工具。外界对系统作功，使热力学能增加，再通过热力学能降低，系统放热。系统吸热后，先使热力学能增加，再通过降低热力学能对外作功。物理知识的理解③.热力学第一定律实际上是能量守恒定律在热力学中的体现。热力学第一定律是从实验中总结出来的。第一类永动机：即不从外界吸收能量，而不断对外作功的机械。第一类永动机违反能量守恒定律。

热力学第一定律对准静态过程和非静态过程均适用。但为便于实际计算，要求初终态为平衡态。例：要使一热力学系统的内能增加，可以通过________或_________两种方式，或者两种方式兼用来完成。一物质系统从外界吸收一定的热量，则系统的内能

．可能增加，也可能减少或保持不变体积变化从V1—V2，在整个过程中气体作功为：元功只考虑无摩擦准静态过程的功。6.2.2气体作功的计算由积分意义可知，功的大小等于P—V图上过程曲P=P(V)下的面积：也称等体过程。系统的体积不变1）过程特点3）过程曲线2）过程方程等容过程体积不变，PV图曲线下的面积为0，气体作功为0。4）热力学能增量5）功6）热量1.等容过程6.2.3热力学第一定律对理想气体的应用多原子分子气体内能增量又可写成：此公式不仅适用于等容过程，对任何过程都适用。单原子分子气体双原子分子气体等容摩尔热容：7）热力学第一定律的应用意义：等容过程系统吸热全部转变成内能。恒温源绝热材料热量由热力学第一定律2.等压过程等压摩尔热容：迈耶公式多原子分子气体单原子分子气体双原子分子气体CP>CV

的物理意义:

1mol理想气体温度升高1ºC，对于等容过程,体积不变吸热只增加系统内能；而对于等压过程除了增加系统内能外，还要对外作功，所吸收的热量要更多一些。功由理想气体状态方程3.等温过程由热力学第一定律无法使用计算等温过程的热量。CT=ꝏ没有意义。则意义：等温过程系统吸热全部用来对外作功。系统与外界绝热。无热量交换。绝热材料系统对外作功全部靠内能提供。绝热过程摩尔热容为0。1.过程特点3.热力学第一定律的应用2.内能增量绝热过程§

6.3.绝热过程在绝热过程中，P、V、T三个参量同时改变。4.功定义摩尔热容比由热力学第一定律的微小过程公式准静态绝热过程5.过程方程有：（1）两边乘R有由理想气体状态方程（2）全微分（3）（3）-（1）式两边同除以PV积分（4）（5）（6）绝热方程由

式与（4）消P：由

式与（4）消V：6.4循环过程卡诺循环6.4.1

循环过程热力学系统经历了一系列热力学过程后又回到初始状态的过程。pV(3)循环曲线所包围的面积为系统做的净功。(1)循环曲线为闭合曲线。

准静循环过程的特点：(2)经过一个循环，内能不变;准静态循环过程可用P-V图上的一条闭合曲线表示，并用箭头表示过程进行的方向。正循环：顺时针；逆循环：逆时针。2.热机的工作原理热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源。高温热源T1低温热源T2通过循环过程不断把热转换为功的机器。需要一定工作物质。需要两个热源。热机是正循环工作的。3.热机效率由能量守恒：Q吸一定，如果从高温源吸取的热量转变成功越多，则热机效率就越大。2.正向卡诺循环的效率为：卡诺循环是由两条等温线和两条绝热线组成的循环。需要两个热源，高温源T1和低温源T2。不计摩擦、热损失及漏气，视为理想热机。6.4.2卡诺循环1.卡诺循环的特点3-4等温收缩过程放热2-3与4-1为绝热过程过程1-2等温膨胀过程吸热上两式相比即2-3绝热膨胀过程4-1绝热收缩过程1)卡诺机必须有两个热源。热机效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。例如：波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。物理知识的理解现在的技术还不能达到绝对0K；如果大于1，W>Q吸则违反了能量守恒定律。2)热机效率不能大于1或等于1，只能小于1。如果为1则或这是不能实现的，因此热机效率只能小于1！3)提高热机效率的方法。使越小越好，但低温热源的温度为外界大气的温度不宜人为地改变，只能提高高温热源温度.4)同理，可以得到卡诺循环的逆循环的致冷系数为：例6.8奥托机是德国物理学家奥托发明的一种热机，以其原理制造的发动机现仍在使用。奥托机的循环曲线是由两条绝热线和两条等容线构成。证明奥托热机的效率为绝热线证明：2-3为等容吸热过程4-1为等容放热过程效率楼塌熵增热力学第二定律（Secondlawofthermodynamics）6.5热传导过程；

例如：功热转换过程；

这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。1.自然过程的方向性6.5.1中学物理知识回顾（1）自发过程的单向性是自然规律气体的绝热自由膨胀过程。（2）可逆过程与不可逆过程

一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原过程对外界引起的一切影响）则原来的过程称为可逆过程；

反之，如果物体不能回复到原来状态或当物体回复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原来的过程称为不可逆过程。单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来的位置而周围一切都无变化。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。在热现象中，可逆过程只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。物理知识的理解气体的迅速膨胀过程是不可逆的。但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时，它却是可逆的。可逆传热的条件：系统和外界温差无限小，即