第07章-第01节-准静态过程-功-热-内能-v1

第一节准静态过程、功、热、内能第7章热力学第一定律·第1节01把“状态”与“过程”连接起来，是进入热力学第一定律的钥匙状态p·V·T·U某一时刻“是什么”过程功W/热量Q从一个状态到另一个状态“怎样变”本节建立能量传递的语言核心区分：内能是状态量；功和热量是过程量热力学为什么强调“过程”？第7章热力学第一定律·第1节02同样的初态和末态，中间发生的路径可能不同状态：只看端点过程：要问“怎么走”压缩/膨胀/传热/作功路径决定沿途每一小步的能量交换热力学不只描述“到哪里”，还要描述“怎样到达”。什么是准静态过程？第7章热力学第一定律·第1节03过程进行得足够慢，使系统在每一时刻都可近似看作平衡态实际过程可能偏离平衡减慢每一时刻近似平衡态因此准静态过程可以用连续状态参量描述准静态=无限缓慢极限下的一串近似平衡态“无限缓慢”是什么意思？第7章热力学第一定律·第1节04它不是要求过程耗时无穷大，而是要求系统有时间“跟上”外界变化外界变化速率足够小系统恢复/调整速率足够快慢于≈平衡态跟随外界变化“无限缓慢”是物理近似：外界变化时间尺度≫系统弛豫时间弛豫时间：系统恢复平衡需要多久？第7章热力学第一定律·第1节05弛豫时间τ：系统从扰动中恢复到平衡附近所需的典型时间扰动→恢复状态偏离重新接近平衡准静态判据外界变化时间≫τ系统来得及恢复到近似平衡关键不是“慢”本身，而是相对于系统弛豫时间足够慢汽缸压缩：何时可近似准静态？第7章热力学第一定律·第1节06活塞移动得慢，气体内部的压强和温度才有机会重新均匀快速压缩压强/温度来不及均匀缓慢压缩每一时刻近似平衡当活塞移动的时间尺度远大于气体的弛豫时间，压缩过程可近似准静态图7-1：准静态过程的P–V状态曲线第7章热力学第一定律·第1节07若每一刻都是近似平衡态，过程就能在P–V平面上画成一条连续曲线每一点都代表一个近似平衡态P、V有确定值状态曲线才有意义图7-1的前提：沿途状态可被状态参量描述状态曲线成立的前提是什么？第7章热力学第一定律·第1节08只有系统足够接近平衡态，才可以用确定的状态参量描述过程近似平衡状态参量有确定值→P–V上是一条曲线明显非平衡不同位置的P、T可能不同→不能用一个P、T描述全系统准静态过程把“实际过程”理想化为“连续平衡态序列”什么是系统内能？第7章热力学第一定律·第1节09内能U是系统内部一切微观运动与相互作用能量的总和微观组成分子平动、转动、振动分子间相互作用能量合计U=Σ（微观动能+相互作用能）由系统内部状态决定内能描述的是“系统内部”的能量，不是系统整体的机械能内能包含什么、不包含什么？第7章热力学第一定律·第1节10先把“内部能量”和“整体运动能量”分开内能U：包含•分子无规则运动的动能•分子间相互作用势能•内部结构相关的能量不计入U的整体能量•系统整体平动动能•系统整体的重力势能•作为整体的机械能部分内能只看系统内部；整体平动与整体重力势能另行计入理想气体的内能为什么只由T决定？第7章热力学第一定律·第1节11理想气体模型忽略分子间作用势能，内能主要来自分子热运动理想化分子间作用势能≈0因此U由分子运动状态决定而运动强弱由T表征U=U(T)对一定量理想气体，内能只由温度T决定，与体积无关内能是态函数第7章热力学第一定律·第1节12给定状态后，内能U的值就被确定；与到达路径无关状态1U₁状态2U₂无论走A还是B，ΔU=U₂−U₁只由初、末态决定通过作功改变系统状态第7章热力学第一定律·第1节13外界推动活塞，能量以“功”的方式传入系统，状态随之改变外界作用推/拉活塞系统响应体积V改变压强、温度、内能可能改变能量传递作功改变状态：功不是系统“拥有”的量，而是能量传递的方式图7-2：准静态膨胀中的体积功第7章热力学第一定律·第1节14活塞移动dl，气体压强P近似均匀，系统对外做功体积变化dV=S·dl活塞扫过的体积图7-2：体积元dV由活塞面积S与位移dl决定体积元功的物理意义第7章热力学第一定律·第1节15每移动一小段dl，外界力在位移方向上就传递一小份能量力×位移压强P×活塞面积S×位移dl体积形式dV=S·dl教材关系：符号提醒：δw不是状态函数的全微分，因功取决于过程路径膨胀与压缩时功的正负号第7章热力学第一定律·第1节16规定系统对外膨胀做功为正，外界压缩系统时功为负膨胀dV>0压缩dV<0正负号跟随体积变化：膨胀正功，压缩负功式(7-1)：从元功到总功第7章热力学第一定律·第1节17沿准静态路径，把每一小份功累加起来，就得到全过程的功元功沿路径积分总功(7-1)式(7-1)只在准静态体积功语境下使用：P沿路径逐点有确定值图7-3：功=P–V曲线下面积第7章热力学第一定律·第1节18把PdV看成一条条窄条面积，累加就得到曲线下的面积面积元素P·dV全部窄条相加面积=功W图7-4：同样初末态，功为什么不同？第7章热力学第一定律·第1节19功取决于路径：P–V图上的面积可能不同A路径下方面积WAB路径下方面积WB若路径不同，通常WA≠WB；但同样端点的ΔU相同。功是过程量第7章热力学第一定律·第1节20内能由端点决定；功要沿着实际过程计算内能UΔU=U₂−U₁只看状态1、状态2功WW=∫PdV必须知道路径P(V)不要说“系统含有多少功”；应说“系统在过程中做了多少功”什么是传热与热量？第7章热力学第一定律·第1节21传热：由于温差，能量从高温物体传到低温物体高温系统T₁放出能量温差驱动能量传递低温系统T₂吸收能量热量Q：通过传热方式传递的能量传热发生在过程中吸热与放热的符号约定第7章热力学第一定律·第1节22以系统为对象：传入系统的热量为正，传出系统的热量为负吸热δQ>0能量进入系统放热δQ<0能量离开系统热量的正负号也跟随能量传递方向，而不是系统“储存”的量。为什么热量也是过程量？第7章热力学第一定律·第1节23同一状态变化，可以通过不同方式传热；所需热量随过程改变总热量QA≠QB路径不同，热量通常不同热量不是状态的属性；只能说“某过程中吸收/放出多少热量”