大学物理热力学基本概念

热力学第一定律和第二定律当一个科学家发现，自然界的结构有这么多不可思议的奥妙，他会有一个触及灵魂的震动。而这个时候的感觉，我想是和最真诚的宗教信仰很接近的。－－－杨振宁结构框图热力学系统内能变化的两种量度功热量热力学第一定律热力学第二定律等值过程绝热过程循环过程卡诺循环应用（理想气体）（对热机效率的研究）重点：内能、功、热量、摩尔热容，泊松比热力学第一定律热力学第一定律应用于理想气体等体、等压、等温过程，绝热过程，和各种循环过程。卡诺循环热机效率和制冷系数热力学第二定律难点：热力学概率，热力学第二定律的统计意义1)微观理论－《统计物理》物质的微观结构粒子的热运动统计方法平均效果确定宏观量与微观量的联系，描述热现象的规律和本质由基本假设构造性理论热学发展历史的两大特征：•技术——物理——技术模式•两种研究方法——两种理论前言2)宏观理论－《热力学》归纳观测实验热现象基本定律，宏观过程进行的方向和限度，不涉及微观本质永动机是不可能成功的自然遵循什么法则由现象出发原理性理论3)相互关系：互相补充，相辅相成统计物理－热力学－宏观理论，基本结论来自实验事实，普遍可靠，但不能解释其本质微观理论，揭示热现象本质验证解释热力学第一定律的创始人热力学第二定律的创始人§20.1热力学基本概念一、热力学系统外界大量粒子组成的宏观、有限的体系称为热力学系统。与其比邻的环境称为外界与外界有E交换，无m交换开放系统：封闭系统：孤立系统：与外界有m、E交换与外界无E、m交换绝热例开放系统封闭系统孤立系统1.描述系统宏观性质的物理量，如：p、T、V、E...称为系统的状态参量。广延量强度量EVm、如有可加性，,无可加性，如p、T状态参量有确定值的状态——平衡态二、状态参量、热力学过程热力学研究热力学系统的状态及状态变化2、系统状态变化——热力学过程例：气体自由膨胀非静态过程：中间状态不是平衡态气体等温膨胀准静态过程：过程进行得足够缓慢中间状态~平衡态s104驰豫时间（平衡过程）3.相平面相图以状态参量为坐标变量——相平面、相空间相图中的点——对应平衡态相图中的线——对应平衡过程例：等温、等压、等体过程的相图V三、系统内能热力学主要研究系统能量转换规律1.系统内能E指所有分子热运动能量和分子间相互作用势能例：实际气体)V,T(EE理想气体(刚性分子))T(ERTiME22.内能E是状态函数内能变化ΔE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。四、功和热量21dVVVpA注意：非静态过程不适用1.准静态过程的体积功VplpSlFAdddd3.内能变化方式做功热传递示功图：p-V图上过程曲线下的面积21dVVVpAAd系统对外界做功外界对系统做功循环过程的功0d0dAV若0d0dAV0d0dAV思考：?02112AVV的任何过程则由是否注意：功是过程量过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）2.热量中学：TcM)TT(cMQ12比热热容：TCQcMC摩尔热容：TCMQcC0dddVV)TQ(C等体摩尔热容：0dddpp)TQ(C等压摩尔热容：注意：热量是过程量定义：3.A与Q比较E改变方式特点能量转换量度做功热传递与宏观位移相联系通过非保守力做功实现机械运动热运动A与温差相联系，通过分子碰撞实现热运动热运动Q在系统状态变化过程中，A、Q、△E间数量关系包含热运动和机械运动范围的能量守恒定律热力学第一定律§20.2热力学第一定律及其应用一.热力学第一定律1.数学形式：A)EE(Q12系统从外界吸热=内能增量+系统对外界做功准静态：dQ=dE+pdV理想气体：VpTRiMQdd2d微小过程：dQ=dE+dA增量微小量微小量2.物理意义：涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律。3.其它表述：第一类永动机是不可能制成的。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，只对外做功蓄水槽发电机泵电池蓄水槽重力型浮力型毛细型子母型……0,0,0AQE违反热力学第一定律，所以不可能成功。即：二.对理想气体的应用等值过程等体过程等压过程等温过程0dV0dp0dT绝热过程0dQ1）过程方程2121TTpp查理定律1.等体过程（dV=0V=c)2）热力学第一定律的具体形式3）等体摩尔热容单原子分子气体双原子分子（刚性）-1-1KmolJ51223.RCV1-1KmolJ82025.RCVTCMTRiMV2RiCV2由得0dVpATCMQVTRiME2TCMQEV吸热全部用于增加内能：过程。适用于理想气体的一切TCMEV注意：2.等压过程（dp=0p=c)2)热力学第一定律的具体形式TRM)VV(pVpAVV1221dTCMQpTCMEVEVpQ1)过程方程2121TTVV盖.吕萨克定律3)等压摩尔热容得：由TRMTCMTCMVpRCCVp迈耶公式RiRRiCp22212iiCCVp泊松比单原子分子气体1-1KmolJ82025.RCp671.双原子刚性分子1-1KmolJ12927.RCp401.讨论：?VpCC为什么理论值与实验值的差异（P648）注意：相同。，无论何种过程，设系统由ETTTT)(1221EQAcV10若1200QAEQAVcp若VpCC实验结果：CV随温度变化显示经典理论缺陷，是导致近代物理革命原因之一。理论值与实验值差异的原因：经典理论认为能量连续分布，实际上只有近似连续，均是量子化的。随T升高，转动、振动能量相继解冻（被激发），曲线出现三个台阶。sr,t3.等温过程（dT=0T=c)1）过程方程2211VpVp玻意耳—马略特定律2）热力学第一定律的具体形式0E12lndd2121VVRTMVVRTMVpAVVVV21221211lnlnppVpVVVpAQ吸热全部用于对外做功3）摩尔热容12ln:VVRTMTCMAQT由TCT04.绝热过程特点：dQ=0绝热材料快速进行（如气体自由膨胀）1）过程方程热力学第一定律0dddAEQ条件:准静态：理想气体：0ddVpTCMVRTMpVTRMpVVpddd消去dTRCCVpVpCC恒量pV恒量Tp1恒量TV1绝热方程2）绝热线A0dQ0dQp0dTP绝热线：恒量pV1比等温线陡等温线：pV=恒量双曲线过pV图中某点（A)微观解释：nKTp压缩同样体积由（),AAVp等温pnV绝热pnVpTV0d0dTQpp3)热力学第一定律的具体形式4)摩尔热容0TCMQ0绝热CTCMEQV0)TT(RiMTCMEAV1221222112211VpVp)VpVp(iVVVpCRCCCi21*5.多方过程(一般情况)常量npV~0：为多方指数，取值范围其中VnpnCCCCn00dnp等压过程：nV0d:等体过程10dnT等温过程：nQ0绝热过程：pVo0nn1nn特例：小结：1.P651表理想气体典型过程比较过程特点过程方程热一律过程等体等压等温绝热内能增量0dV0dp0dT0dQCTpCTVCpV1CpV21CTV31CTpEQVVpEQpAQTEATCMEVTCMEVTCMEV00Vp12lnVVRTM21lnppRTMTCMV12211VpVp12lnVVRTM21lnppRTM0TCMVTCMpRiCV2RiCp22TC0aCA功Q热量过程等体等压等温绝热摩尔热容单双多泊松比ii2R23R25R3R25R27R4355734小结：2.求法QAE,,ETCMVAQA：准静态过程21dVVVpAEQA非静态过程Q：等体TCMQVTCMQp绝热Q=0等温（准静态）12lnVVpVAQ等压AEQ或练习1.理想气体绝热自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强p=?由绝热方程2200pppV)V(p解1：解2：00AQ自由膨胀绝热过程1200TTTE2022211ppVpVp哪一个解对？为什么？绝热方程对非静态过程不适用解：由气体状态方程可得2211RTVpRTVpMbMaE,TTTpTppTpTVVab12221121121答案：（D）一定量的理想气体，在p—T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2abp2p1T1T2Tp0练习3.理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？（1）等体加热，内能减少，压强升高（2）等温压缩，压强升高，同时吸热（3）等压压缩，内能增加，同时吸热（4）绝热压缩，压强升高，内能增加答案：不可能发生的有：（1），（2），（3）