23热力学教案及课件

热力学与统计物理学云南师范大学物理与电子信息学院序言宏观物体具有微观结构，是由大量的微观粒子（分子、原子等）所组成的。而这些微观粒子在不停地作无规则的运动（RandomMotion）。微观粒子的无规则的运动，称为热运动。宏观物体的物理特征正是建立在微观粒子热运动的基础上的。热力学和统计物理研究:热运动的规律,与热运动有关的物性,宏观物质系统的演化。研究热力学的两种方法宏观出发—热力学（Thermodynamics）热力学是研究物质热运动的宏观规律，它以热力学实验定律为基础，应用数学方法，通过逻辑推理和演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系，以及宏观物理过程进行的方向和限度等方面的结论。优点：结论具有很高的可靠性和普遍性；缺点：由于热力学理论不涉及物质的微观结构和粒子的运动，把物质看成是连续的，因此不能解释宏观性质的涨落。微观出发—统计物理学（StatisticalPhysics）统计物理学是研究物质热运动的微观理论，它从“宏观物质系统是由大量微观粒子组成的”这一基本事实出发。认为物质的宏观性质是大量微观粒子运动的集体表现，认为宏观量是微观量的统计平均值。•优点：它可以把热力学的几个基本定律归结于一个基本的统计原理，阐明了热力学定律的统计意义；•缺点：由于对物质的微观结构所作的往往只是简化的模型假设，因而所得到的理论结果往往只是近似的。•二者联系：热力学对热现象给出普遍而可靠的结果，可以用来验证微观理论的正确性；统计物理学则可以深入热现象的本质，使热力学的理论获得更深刻的意义。第一章热力学的基本规律热力学是研究热现象的宏观理论——根据实验总结出来的热力学定律，用严密的逻辑推理的方法，研究宏观物体的热力学性质。热力学不涉及物质的微观结构，它的主要理论基础是热力学的三条定律。本章的内容是热力学第一定律和热力学第二定律。§1－1热力学系统的平衡态及其描述基本定义1、系统与外界热力学系统（简称系统）在热力学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的物体或物体系称为热力学系统。系统的外界（简称外界）能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体，称为外界。2、气体的物态参量把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量。气体的宏观状态可以用V、P、T描述体积V——几何参量压强p——力学参量温度T——热力学参量3、说明(1)气体的p、V、T是描述大量分子热运动集体特征的物理量，是宏观量，而气体分子的质量、速度等是描述个别分子运动的物理量，是微观量。(2)根据系统的性质，几何参量、力学参量、化学参量、电磁参量。p、V、T的单位1、气体的体积V气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。对于密闭容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。单位：m32、压强p压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。p=F/S单位：1Pa=1N.m-2标准大气压1atm=76cm.Hg=1.013×105Pa3、温度T温度的高低反映分子热运动激烈程度。(1)热力学温标T，单位：K(2)摄氏温标t，单位：0C00C——水的三相点温度1000C——水的沸腾点温度(3)华氏温标F，单位0F320F——水的三相点温度2120F——水的沸腾点温度关系：T=273.15+tF=9t/5+32平衡态一个系统与外界之间没有能量和物质的传递，系统的能量也没有转化为其它形式的能量，系统的组成及其质量均不随时间而变化，这样的状态叫做热力学平衡态。1、定义2、说明（1）平衡态是一个理想状态；（2）平衡态是一种动态平衡；（3）对于平衡态，可以用pV图上的一个点来表示。pV如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。§1－2热力学第零定律或热平衡定律热力学第零定律表明，处在同一平衡态的所有热力学系统都有一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡的宏观性质的物理量可以定义为温度。温度、温度计、理想气体温标•温度：本质与物质分子的热运动有密切的关系。温度的高低反映分子热运动激烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的冷热程度，并规定较热的物体有较高的温度。对一般系统来说，温度是表征系统状态的一个宏观物理量。温度的数值表示方法叫作温标（ThermometerScale）.•定容气体温标：规定：纯水三相点下的温度（水、冰、蒸气三相平衡共存温度）为273.16.(1)理想气体温标:15.273tVppTtpppimlKTt016.273实验表明,在压强趋于零时,各种气体所确定趋于共同的极限温标,这个温标就叫理想气体温标.•（2）热力学温标（AbsoluteScale）T，SI制单位：K(Kelvin)(在热力学第二定律的基础上引入)•（3）摄氏温标（CelsiusScale）t单位：0C•00C—1atm下,水的三相点温度（theTriplepoint）•1000C—1atm水的沸腾点温度•（4）华氏温标（FahrenheitScale）F单位0F•320C——水的三相点温度•2120C——水的沸腾点温度•关系：T=273.15+tVT§1.3物态方程平衡态下的热力学系统存在状态函数温度。物态方程给出温度与状态参量之间的函数关系(简单系统)。在p、V、T三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一个状态参量是其它两个状态参量的函数，如T=T(P,V)1物态方程相关的几个物理量：体胀系数在压强不变时，温度升高1K所引起的物体体积相对变化0),,(TVpfpTVV)(1压强系数：体积不变下，温度升高1K所引起的物体压强变化相对变化。等温压缩系数：温度不变时，增加单位压强所引起的物体体积相对变化。由得：VTpp)(1TTTpVV)(11)()()(pVTVTTppV0),,(TVpfpT2、理想气体在温度不太低(与室温相比)和压强不太大(与大气压相比)时，Boyle-Mariotte定律（1662）等温过程中pV=constAvogadro定律（1811年）：在同样的温度和压强下，相同体积的气体含有相同数量的分子。在标准状态下，1摩尔任何气体所占有的体积为22.4升。对任意两个平衡态,由玻马定律及理想气体温标定义可得：),,(),(22211,1TVpIITVpI及222111TVpTVp＝理想气体的物态方程形式1RTMmpVm——气体质量M——气体摩尔质量R=8.31J·mol-1·K-1——摩尔气体常量形式2222111TVpTVp＝理想气体的定义：在任何情况下都遵守玻马定律，Avogadro定律及焦耳定律的气体称为理想气体。（热力学温标与理想气体温标是一致的）实际气体•范氏气体•考虑分子之间的斥力及分子之间的引力•n,b取值见表1.1。nRTnbVVanp))((22广延量和强度量•广延量—与系统的的质量或物质的量成正比。如m,V。•强度量—与与系统的的质量或物质的量无关。如P，T。•广延量除物质的量或体积，成为强度量。•有限VNVN,,§1-4准静态过程功热量一、准静态过程1、热力学过程当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。推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积、密度、温度或压强都将变化2、非静态过程在热力学过程的发生时，系统往往由一个平衡状态经过一系列状态变化后到达另一平衡态。如果中间状态为非平衡态，则此过程称非静态过程。为从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间称为弛豫时间。3、准静态过程如果一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历的之中间状态，可以近似当作平衡态，则此过程为准静态过程。•准静态过程只有在进行的“无限缓慢”的条件下才可能实现。•对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。说明：系统的准静态变化过程可用pV图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。二、功当气体作无摩擦的准静态膨胀或压缩时，为了维持气体的平衡态，外界的压强必然等于气体的压强。系统对外界所作的功等于pV图上过程曲线下面的面积说明•系统所作的功与系统的始末状态有关，而且还与路径有关，是一个过程量。•气体膨胀时，系统对外界作功气体压缩时，外界对系统作功•作功是改变系统内能的一种方法•本质：通过宏观位移来完成的：机械运动→分子热运动VOPdVV1V221VVpdVW三、热量1、例子外界向系统传递热量，系统内能增大：加热水系统向外界传递热量，系统内能减小。2、定义系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量叫做热量。3、本质外界与系统相互交换热量。分子热运动→分子热运动说明•热量传递的多少与其传递的方式有关•热量的单位：焦耳§1-5热力学第一定律一、内能热力学系统的能量取决于系统的状态——内能。说明1、理想气体的内能仅是温度的函数2、热力学系统内能的变化是通过系统与外界交换热量或外界对系统作功来实现的3、系统内能的增量只与系统起始与终了位置有关，而与系统所经历的过程无关二、热力学第一定律1、内容系统在终态B和初态A的内能差等于过程中外界对系统所作的功与系统从外界所吸收的热量之和.2、本质热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒定律，对任何物质的任何过程都成立。对于微小过程QWUUABWdQddU3、说明•符号规定：热量Q：正号——系统从外界吸收热量负号——系统向外界放出热量功W：正号——外界对系统作功负号——系统对外界作功内能ΔU：正号——系统能量增加负号——系统能量减小•计算中，各物理量的单位是相同的，在SI制中为J三、热力学第一定律的另一种表述1、第一类永动机不需要外界提供能量，也不需要消耗系统的内能，但可以对外界作功。2、热力学第一定律的另一种表述第一类永动机是不可能造成的。第一类永动机违反了能量守恒定律，因而是不可能实现的QWU§1-6热容量和焓热容量:系统在某一过程中温度升高1K所吸收的热量.•特征：系统对外界不作功，系统吸收的热量全部用来增加系统的内能。TQLimCT01等容过程：QUpdVWdV,0,0VVTVTVTUTUimlTQimlC)()()(00二、等压过程定压摩尔热容1、等压过程•特点：理想气体的压强保持不变，p=const•过程曲线：在PV图上是一条平行于V轴的直线，叫等压线。2211TVTV•内能、功和热量的变化)(1212VVpEEQp•特征：系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，另一部分使系统对外界作功。)(1221VVppdVWVV•过程方程：2、定压摩尔热容•定义1mol理想气体在等压过程中，温度升高1K时所吸收的热量，称为该物质的定压摩尔热容。dTdQCpmp,•等压过程的热量公式)(12,TTCMmQmpp0012pQTT系统吸收热量0012pQTT系统放出热量•气体内能的增量12,12TTCMmEEEmV3、关于摩尔热容的讨论VPTCMmWETCMmQmVmpp,,RCCmVmP＝－,,•Mayer公式推导TRmMVPRTmMPVRCCmVmp,,理想气体的定压摩尔热容比定体摩尔热容大一个恒量R•在等体过程中，气体吸收的热量全部用来增加系统的内能•等压过程中，气体吸收的热量，一部分用来增加系统的内能，还有一部分用于气体膨胀时对外界作功气体升高相同的温度，在等压过程吸收的热量要比在等温过程中吸收的热量多。•摩尔热容比mVmPCC,,气体理论值实验值CV,mCP,mγCV,mCP,mγHe12.4720.781.6712.6120.951.66Ne12.5320.901.67H220.7820.091.4020.4728.831.41N220.5628.881.40O221.1629.611.40H2O24.9333.241.3327.836.21.31CH427.235.21.30CHCl363.772.01.13三、比热容1、热容：使物质温度升高1K所需要的热量称为该物质的热容。dTd