06热力-中国农业大学大学物理.

大学物理B热学第十三章热力学第三篇热物理基础热系统：大量物质组成的复杂系统。热力学：热物理的宏观唯象理论，从宏观实验规律出发，不涉及物质的微观结构。（唯象理论的杰作。）统计物理学：热物理的微观理论，从力学和量子力学的基本原理出发，研究系统的统计规律。大学物理B热学第十三章热力学第十三章热力学基础（热现象的宏观规律）§13.1热力学基本概念•热力学系统开系：与外界既有能量交换又有物质交换的系统。例，生命系统。闭系：与外界只有能量交换的系统。例，热源。孤立系：与外界既无能量交换又无物质交换的系统。这是一种理想模型。例，静置保温的暖瓶中的水。大学物理B热学第十三章热力学•热力学平衡态当孤立系统的宏观状态不随时间变化时，系统的状态叫做热力学平衡态。大学物理B热学第十三章热力学•热力学第零定律①热平衡：两个热接触系统间的平衡。②热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则他们彼此也一定处于热平衡。③温度：热平衡系统的共同特征。④温标：温度的数值表示。大学物理B热学第十三章热力学第零定律温度温标15.273Tt5932ttF大学物理B热学第十三章热力学•状态参量热力学系统处于平衡态时，其宏观状态可用一组宏观状态参量来描述，简称状态参量。状态参量一般有：力学参量(如压强p)、几何参量(如体积V)、化学参量（如化学势μ）、电磁参量（如电场E）、等等，以及热力学所特有的热参量温度T。大学物理B热学第十三章热力学•物态方程热力学系统处于平衡态时，各状态参量间存在一定制约关系，描述这个制约关系的方程式叫做物态方程。例：气体的物态方程RTpVANNm其中R=8.31J·mol-1K-1叫做普适气体常数摩尔数，阿常数mol/1002.623AN大学物理B热学第十三章热力学各向同性固体和液体的物态方程V=V0[1+α(T-T0)-κ(p-p0)]其中：叫做体胀系数，叫做等温压缩率，V0是T=T0p=p0时物体的体积。pTVV)(1TpVV)(1大学物理B热学第十三章热力学•热力学过程①热力学过程：热力学系统的状态随时间的变化。②弛豫时间：处于平衡态的系统在改变外界条件后达到新的平衡态所需时间。③循环过程：热力学系统的状态经一系列变化后又回到初状态的热力学过程。④准静态过程：若热力学过程进行的每一时刻，系统都可看成是处于平衡态，则该过程叫做准静态过程。大学物理B热学第十三章热力学准静态过程是热力学理论上最重要的过程，是一种理想的过程，在实际上是不可能达到的，因为一个过程就是状态随时间的改变，而状态的改变又一定要破坏平衡态。但当过程进行得非常缓慢时，这一过程就趋于准静态过程。当一个实际过程的每一步所经历的特征时间t弛豫时间Δt时，我们可将其近似为准静态过程。大学物理B热学第十三章热力学•p-V图最典型的热力学系统的状态参量为p、V、T三个参量。由于物态方程的约束，三个参量中只有两个独立变量。可任取其二画状态坐标图，即：p-V图p-T图、T-V图。则图中的每一点表示一个平衡态，每条曲线表示一个准静态过程，而非静态过程无法在图中表示。其中p-V图最常用。大学物理B热学第十三章热力学如图所示：点1表示状态1，点2表示状态2，曲线(Ι)表示从1到2的一个准静态过程。12（I）pV大学物理B热学第十三章热力学•功①功功是系统与外界间由于宏观的机械或电磁作用而传递的能量的量度。做功的过程往往使系统的状态参量发生变化，根据这些变化和具体的变化过程便能计算出做功的多少。做功与过程有关，称之为过程量。§13.2热力学第一定律大学物理B热学第十三章热力学②准静态过程的机械功如图所示，气缸内的气体(系统)通过活塞对外界做功为VpxpSxFWdddd21dVVVpW大学物理B热学第十三章热力学大学物理B热学第十三章热力学例13.1求等压过程系统对外作的功。)d(ddpVVpW)(d1221VVpVpWVV气体：TRpVWd)d(d)()(1212TTRVVpW大学物理B热学第十三章热力学)1211(W)21(W③准静态循环过程的机械功)211(W系统对外作功正循环0W外对系统作功逆循环0W大学物理B热学第十三章热力学•热量①热量热量是系统与外界间由于存在温度差而传递的能量的量度。传热过程往往使系统的温度发生变化，根据这些变化和具体的变化过程便能计算出传热的多少。传热与过程有关，热量也是过程量。大学物理B热学第十三章热力学②比热使单位质量的物质升高单位温度所需传入的热量称之为比热，常用c表示。TQmcdd1大学物理B热学第十三章热力学系统吸收外界的热量为TmcQdd21dTTTmcQ其中m为系统的总质量一般情况下，常量c则：)(d1221TTmcTmcQTT大学物理B热学第十三章热力学③潜热相变时(如溶解、汽化等，注意此时温度并无变化)所吸收(或放出)的热量叫做潜热，它正比于相变物质的多少。我们把单位质量的潜热记作Λ，则质量为m的物质相变时的潜热为ΛmQ大学物理B热学第十三章热力学④热功当量热量的本质是能量，其量纲与能量和功相同，为：ML2T-2。国际单位制为J由于历史的原因，现仍有许多数据手册和计算用卡(cal)作热量单位，历史上规定的卡是在标准大气压下使1g纯水的温度每升高1℃(确切地说，是从14.5℃升到15.5℃)所需的热量。热功当量：1cal=4.1855J水的比热？热质？大学物理B热学第十三章热力学•内能系统处于某状态时，系统中所有分子的热运动能量和分子间相互作用势能的总和叫做系统的内能。系统从状态1变化到状态2时，其增量为2112dEEEE与所经历的过程无关。内能是系统状态的单值函数，称为态函数，用E表示。大学物理B热学第十三章热力学态函数：完全由系统的状态确定的物理量可用态参量的函数形式表示，称之为态函数。态函数的变化只与初、末状态有关，与所经历的具体过程无关。即：设F是态函数，则a.系统从状态1变化到状态2,F的增量为：b.系统经过一循环过程，F的增量为：c.像力学中的势能的零点可以任意选择一样，热力学中态函数的值也只有相对意义。不过为了统一，热化学中规定P0=1atm;T0=298.15K(25℃)时为态函数的零点。2112dFFFF0ddd2)(12)(1IIIFFFF大学物理B热学第十三章热力学•热力学第一定律①热力学第一定律自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化成另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的数量不变。第一类永动机是不可能的。大学物理B热学第十三章热力学②热力学第一定律的数学表达式在一个热力学过程中系统通过做功和传热来改变内能，根据热力学第一定律，系统的内能增量为WQE其微分形式为WQEddd大学物理B热学第十三章热力学注意：表示无限小的过程量。W和Q是过程量，不能写成增量形式ΔW和ΔQ，或微分形式dW和dQ。有时人们说的“热能”的确切含义就是内能，例如人们常说的“热变功；功变热”中的“热”指的就是“内能”。对于只有体积功的准静态过程VpQEdddd大学物理B热学第十三章热力学•焓①等压过程、焓：有很多热力学过程是在等压条件下进行的，如在大气压p0=1atm下,这时热力学第一定律为：其中：焓是新定义的一个态函数HpVEpVEVpEQpd)d()d(ddd)d(pVEH大学物理B热学第十三章热力学②盖斯定律：化学反应常常伴有放热或吸热的现象发生，研究这类现象的学科是热化学。通常化学反应是在大气压下进行的，则其反应热为：即：等压条件下化学反应热为一态函数焓的增量，只与初态和末态有关，与过程无关，这就是热化学中的盖斯定律。12)(HHHQp大学物理B热学第十三章热力学•摩尔热容量摩尔热容量的定义为：由于Q是过程量，所以C和c也与过程有关。①定容摩尔热容量：②定压摩尔热容量：③热容比：热力学中，热容量是系统的实验参数。cmTQCdd1VVVTETQC)(1)dd(1pppTHTQC)(1)dd(1VpCC大学物理B热学第十三章热力学§13.3热力学第一定律对理想气体的应用•理想气体的基本性质①理想气体的宏观定义：理想气体是一个理想的热力学系统，是热物理中最重要的物理模型。其宏观定义为：a.满足理想气体的物态方程b.内能只是温度的函数)(TEERTpV大学物理B热学第十三章热力学②理想气体的内能和焓：内能：，焓：，常温下，CV、Cp为常量，则：)(TEETCVVETTEEVTVdd)(d)(d)(THRTEpVEHTCHpddTCEVTCHp大学物理B热学第十三章热力学③迈耶公式：从及得理想气体的迈耶公式：RCCVpTCHpddTRTCRTEpVEHVdd)d()d(d大学物理B热学第十三章热力学•理想气体的热力学过程理想气体典型的热力学过程是等值准静态过程，这些过程的热容量为常量。另外，理想气体还有一个典型的非静态过程——自由膨胀。大学物理B热学第十三章热力学①等容过程（热容量为CV）过程方程为V=V0，0dW，TCEQVddd0W)(11)()(12121212ppVppVRCTTCTCEEEQVVV大学物理B热学第十三章热力学②等压过程(热容量为Cp)过程方程为p=p0，)d(ddpVVpW，TCQpddTCEVdd)(1)()(121212VVpVVpRCTTCQpp)(11)()(121212VVpVVpRCTTCEVV)()(1212TTRVVpW大学物理B热学第十三章热力学③等温过程(热容量为CT=∞)过程方程为pV=p0V0，VpQWddd0dE2112lnlndd2121ppRTVVRTVVRTVpQWVVVV0E大学物理B热学第十三章热力学④绝热过程（热容量为CQ=0）,ddVpW,0dQTCEVddEWdd得：VpTCVdd应用理想气体的物态方程，将VRTp代入前式得VVRTTCVdd过程方程为……？又：大学物理B热学第十三章热力学即：VVVCVRTTVd)1(dd积分得常量VTln)1(ln即：常量)ln(1TV或：常量1TV应用理想气体的物态方程可得p、V间的过程方程为00VppV同理：常量1pT大学物理B热学第十三章热力学00VppV)(11)(112212VpVpTTCEWV0Q过程方程为大学物理B热学第十三章热力学⑤多方过程：（热容量为Cn=CV–R/(n-1)）过程方程为多方指数n取不同的值可囊括以上四种过程常量npVVpWddTCQnddTCEVddnVpVpdVVVpVpWVVVVnn1d1122112121)(12TTCQn)(12TTCEV大学物理B热学第十三章热力学⑥自由膨胀自由膨胀原理装置如图所示,体积为V2的容器被隔板分成两部分，左侧体积为V1，充满温度为T1的理想气体，右侧为真空，当隔板打开后气体将自由膨胀到整个V2空间。大学物理B热学第十三章热力学自由膨胀气体不做功，这也正是自由的含义，则：系统与外界一直处于热平衡，无热量传递，即：根据热力学第一定律，又理想气体内能只与温度有关，则：T1=T2或p1V1=p2V20,0dWW0,0dQQ0,0dEE大学物理B热学第十三章热力学该过程在图上起点和终点与等温过程相同，但却不能用等温线表示，只好用虚线表示。大学物理B热学第十三章热力学焦耳所做的气体自由膨胀实验装置如图所示，由活门隔开的连通器放在水中，A侧充满气体，B侧为真空，打开活门让气体向真空中自由