大学物理PPT第二篇热 学.ppt

1、同学们好!,热学是研究自然界中一切热现象和热运动规律的学科,第二篇 热 学,它包括分子物理学和热力学两个方面：,分子物理学(更普遍地称为统计物理学): 是从物质的微观结构出发，认为物体的宏观性质是大量分子无规则热运动的平均效果,用统计的方法研究物体的宏观性质。,能对热现象本质进行理论解释,热力学: 是从能量守恒和转化的角度来研究热运动规律的，不涉及物质的微观结构。它根据由观察和实验所总结出的基本规律(主要是热力学第一定律、第二定律等)，用逻辑推理的方法，研究物体的宏观性质及宏观过程进行的方向和限度等。,不能阐述热现象的本质,系统的宏观描述与微观描述,1.宏观物体是由大量分子组成 2.分子在做永

2、不停息的无规则的热运动 3.分子之间有相互作用力(斥力和引力),分子运动论的基本观点：,2. 物质分子在不停地做无规则热运动,分子、原子微粒无规则运动遵守经典力学或量子力学规律。,扩散现象和布朗运动可以表明这一点。,二者大小随分子间距的变化而变化,热力学的是研究热现象的宏观理论，以大量的经验事实和实验结果为依据，经过严密的逻辑推理得出物质系统宏观性质直接的联系，进而揭示热现象的有关规律。,第5章 热力学基础,本 章 教 学 内 容 :,热力学状态及其描述,热力学第零定律 温度,功 热量 内能,热力学第一定律,热力学第二定律 卡诺定理,* 熵 熵增原理, * 热力学第三定律,循环过程 卡诺循环,

3、教学基本要求：,一、掌握内能、功和热量等概念；理解准静态过程.,二、掌握热力学第一定律，能分析、计算理想气体在等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量.,三、理解循环的意义和循环过程中的能量转换关系，会计算卡诺循环和其他简单循环的效率.,四、了解可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律和熵增加原理以及热力学第三定律.,5.1 热力学基本概念,热力学系统 外界,热力学：即热力学系统的状态（宏观物理性质） 及状态变化（宏观物理过程）的规律。,一个孤立系统若不受外界影响（无物质和能量交换），则系统的宏观特性（如温度、压强等）长时间不随时间改变的状态称为平衡态。,处于平衡态中的气体，其分子

4、仍不停作热运动，但其总体平均效果不随时间改变，是一种动态平衡。,平衡态、状态参量,描述平衡态的参量称为状态参量，如体积、压强、温度等。 气体处于平衡态的标志是状态参量 P、V、T 各具有确定的量值，且不随时间变化。,系统状态变化热力学过程,相平面 相图,以状态参量为坐标变量,（1）引入温度参量的实验依据热力学第零定律,达到热平衡的物体温度相同,热力学第零定律,5.2 热力学第零定律 温度,（2）温标,温度的数值表示法,规定水在 1 个大气压下的冰点为 0 度，沸点为 100度，中间的温度以水银的体积膨胀为准，单位,在理想气体存在的范围内，它和热力学温标一致,规定水在 1 个大气压下的冰点为 2

5、73.16 K,热力学主要研究系统能量的转换规律,一、系统内能 E,狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能,5.3 内能 功 热量,1. 内能 E 是状态函数 内能变化E只与初末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。,二、功和热量,注意：非静态过程不适用,1. 准静态过程的体积功,示功图：p - V 图上过程曲线下的面积,外界对系统做功,循环过程的功,2. 热量和热容量,热 容 量:,摩尔热容量:,3. A 与 Q 比较,E 改变方式,特点,能量转换,量度,做功,热传递,5.4 热力学第一定律及其应用,一、热力学第一定律,理想气体准静态过程:,2. 物理

6、意义：,涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律,第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。,二、对理想气体的应用,1. 等体过程 （dV = 0 V = c ),2）热力学第一定律的具体形式,3） 等体摩尔热容,吸热全部用于增加内能:,做功： 吸热： 内能增量：,2. 等压过程（ dp = 0 p = c ),2) 热力学第一定律的具体形式,做功： 吸热： 内能增量：,3) 等压摩尔热容,迈耶公式,泊松比,讨论:,3. 等温过程 （ dT=0 T=c ),2）热力学第一定律的具体形式,吸热全部用于对外做功,内能增量： 做功： 吸热：,3） 摩尔热容,

7、1） 过程方程,热力学第一定律,2） 绝热线,微观解释:,等温,绝热,3) 热力学第一定律的具体形式,4) 摩尔热容,吸热： 内能增量： 做功：,5.* 多方过程 (一般情况),小结：,2.,练习 1,理想气体自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强 p =?,一定量的理想气体，在 pT 图上沿着一条直线从平衡态 a 变化到 b 则这是 一个：（ ）,(A) 绝热膨 胀（B）等容吸热 (C) 吸热压缩 （D）吸热膨 胀,练习 2,答案:（D）,练习 3,理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？,答案：不可能发生的有：（1），（2），（3）,热力学：紧密围绕热机的研究和应用,热机：将热能转化为机械能的机

8、器，其工作特点是 工作物质重复进行某些过程，不断吸热做功,一、循环过程,定义：系统经历一系列变化后又回到初始状态的 整个过程叫循环过程。,3. 正循环及其效率,特征:,效率:,热机效率:,例一:,4. 逆循环及致冷系数,特点:,实例：电冰箱,致冷系数：,注意：这里的Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸 收的热量 衡量致冷的效果。,介绍：,空调机的循环,二、卡诺循环,卡诺，Sadi Carnot (17961832) 法国青年工程师，热力学创始人之一。,1. 研究循环过程的理想模型卡诺循环,如何在 PV 图中表示？,怎样才简单？ 热源最少!,1）与两个恒温热源交换能量,2）不与其它热源交换能量,卡诺

9、循环过程：,2. 理想气体的卡诺循环,1） 正循环的效率,等温过程：,绝热过程：,1. 卡诺机必须有两个热源；其效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。,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。,注意:,等温过程：,绝热过程：,2) 逆循环的致冷系数,练习1.,一卡诺机进行如图两个循环，请判断那项正确：,答案：（4）正确,练习2.,将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在,求做一盘冰所需的功，所需时间，所要求的电功率各为多少？,练习3.,解：致冷系数,进行如图循环过程,求：,练习4.,解：,哪些过程吸热？,与A内能相同的点必与A在同一条等温线上，,由,与A有相同内能的状态为,设一暖气装置由一台卡诺热机和一台卡诺致冷机组合而成。热机靠燃料燃烧释放的热量工作并向暖气系统中的水放热，同时带动致冷机。致冷机自河水中吸热，也向暖气系统放热。假定热机锅炉的温度为 河水的温度为 ，暖气系统的温度为 ，设煤的燃烧值 求每燃烧1kg煤，暖气系统中的水获得热量是多少？是煤发出热量的几倍？,练习5.,练习5.,1) 画出问题的能流图,2)视为卡诺热机计算,每燃烧1kg煤,卡诺热机:,解：,卡诺致冷机:,暖气系统得热：,练习6.,一定量的单原子分子理