热力学基础

P.2/69热力学基础2020/4/13热学热力学分子动理论从现象中找规律透过现象追本质宏观规律微观机制观察记录分析总结建模统计理论验证第9章热力学基础理论基础是:热力学第一定律热力学第二定律§9-1热力学系统平衡态准静态过程一、气体的状态参量状态参量(statusparameter)：描述气体宏观状态的物理量。1.体积(volume)V：气体分子自由活动的空间。国际单位：米3（m3）当气体分子大小不计时，气体体积等于容器的容积。2.压强(pressure)p：垂直作用在容器壁单位面积上的气体压力。SFp国际单位：Pa(帕斯卡)Pa=N·m-21标准大气压=1.01325×105Pa1工程大气压=9.80665×104Pa3.温度(temperature)T：表征热平衡状态下系统的宏观性质。——冷热程度的物理量温度的数值表示法——温标。摄氏温标：t℃，冰点为0℃热力学(开氏)温标：TK，冰点为273.15K绝对零度：T=0KP.3/69热力学基础2020/4/132.压强(pressure)p：垂直作用在容器壁单位面积上的气体压力。SFp国际单位：Pa(帕斯卡)Pa=N·m-21标准大气压=1.01325×105Pa1工程大气压=9.80665×104Pa温度的数值表示法——温标。摄氏温标：t℃，冰点为0℃热力学(开氏)温标：TK，冰点为273.15K绝对零度：T=0K3.温度(temperature)T：表征热平衡状态下系统的宏观性质。——冷热程度的物理量水三相点(气态、液态、固态的共存状态)273.16K4.热力学第零定律——测温原理热平衡(thermalequilibrium)：两个物体互相热接触，经过一段时间后它们的宏观性质不再变化，即达到了热平衡状态。热力学第零定律(Zerothlawofthermodynamics)：在不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体C分别与物体A、B达到热平衡，则物体A和B也必相互热平衡。ABCABC二、平衡态(equilibriumstatus)P.4/69热力学基础2020/4/13热力学第零定律(Zerothlawofthermodynamics)：在不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体C分别与物体A、B达到热平衡，则物体A和B也必相互热平衡。ABCABC二、平衡态(equilibriumstatus)在不受外界影响（即系统与外界没有物质和能量的交换）的条件下，无论初始状态如何，系统的宏观性质在经充分长时间后不再发生变化的状态。平衡态下系统各部分的温度、压强相同。——热动平衡三、准静态过程1.热力学过程(thermodynamicprocess)：热力学系统的状态随时间发生变化的过程。——实际过程的中间态为非平衡态。2.准静态过程(approximatestaticprocess)：状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。——平衡过程——理想过程！P.5/69热力学基础2020/4/13三、准静态过程1.热力学过程(thermodynamicprocess)：热力学系统的状态随时间发生变化的过程。——实际过程的中间态为非平衡态。2.准静态过程(approximatestaticprocess)：状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。——平衡过程——理想过程！准静态过程的过程曲线可以用p-V图来描述，图上的每一点分别表示系统的一个平衡态。(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO§9-2理想气体的状态方程——状态参量之间的关系0),,(TVpf一、理想气体(ideagas)：在任何情况下都严格遵守“玻-马定律”、“盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。二、理想气体的状态方程(statusequationofideagas)：易得：对于系统质量不变的气体恒量222111TVpTVp试验证明：1摩尔气体在标准状态下，占有的体积为：33molm104.22V标准状态：K273.150TPa101.0132550p则对于1摩尔理想气体有：P.6/69热力学基础2020/4/13§9-2理想气体的状态方程——状态参量之间的关系0),,(TVpf一、理想气体(ideagas)：在任何情况下都严格遵守“玻-马定律”、“盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。二、理想气体的状态方程(statusequationofideagas)：易得：对于系统质量不变的气体恒量222111TVpTVp试验证明：1摩尔气体在标准状态下，占有的体积为：33molm104.22V标准状态：K273.150TPa101.0132550p则对于1摩尔理想气体有：0mol0TVpTpV15.273104.221001325.135令1131.8KmolJR——称为“摩尔气体常量”从而，对于质量为m、摩尔质量为M的理想气体状态方程可写为：RTMmpV§9-3热力学第一定律内能功热量一、基本物理量1、内能(internalenergy)E——热力学系统的能量它包括了分子热运动的平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能...)(31.811KmolJP.7/69热力学基础2020/4/13和分子间相互作用的势能。(不包括系统整体运动的机械能)§9-3热力学第一定律内能功热量一、基本物理量1、内能(internalenergy)E——热力学系统的能量它包括了分子热运动的平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能...),(TVEE理想气体的内能：理想气体的内能是温度的单值函数，它是一个状态量，只和始、末两位置有关，与过程无关。)(TEE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。内能变化方式做功热传递2、功(work)W热力学系统作功的装置——活塞SFVp,dlVdlpSWddVpd21dVVVpWp-V图P.8/69热力学基础2020/4/132、功(work)W热力学系统作功的装置——活塞SFVp,dlVdlpSWddVpd21dVVVpWp-V图(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVOV1V2dV结论：系统所做的功在数值上等于p-V图上过程曲线以下的面积。热力学系统作功的本质：无规则的分子热运动与有规则的机械运动之间的能量转化。3、热量(heat)Q:系统之间由于热相互作用而传递的能量。热量传递的本质：无规则的分子热运动之间的能量转化。——功和热量都是过程量，而内能是状态量，通过做功或传递热量的过程使系统的状态（内能）发生变化。热量的单位：国际单位：焦耳（J）工程单位：卡焦耳当量：1卡=4.186焦耳功与热的等效性：作功或传递热量都可以改变热力学系统的内能P.9/69热力学基础2020/4/13结论：系统所做的功在数值上等于p-V图上过程曲线以下的面积。热力学系统作功的本质：无规则的分子热运动与有规则的机械运动之间的能量转化。3、热量(heat)Q:系统之间由于热相互作用而传递的能量。热量传递的本质：无规则的分子热运动之间的能量转化。——功和热量都是过程量，而内能是状态量，通过做功或传递热量的过程使系统的状态（内能）发生变化。热量的单位：国际单位：焦耳（J）工程单位：卡焦耳当量：1卡=4.186焦耳功与热的等效性：作功或传递热量都可以改变热力学系统的内能二、热量和热容量1、热容量(thermalcapacity)：物体温度升高一度所需要吸收的热量。TQCdd单位：1KJ2、比热(specificheat)：单位质量物质的热容量。TQmcdd1单位：11kgKJP.10/69热力学基础2020/4/13二、热量和热容量1、热容量(thermalcapacity)：物体温度升高一度所需要吸收的热量。TQCdd单位：1KJ2、比热(specificheat)：单位质量物质的热容量。TQmcdd1单位：11kgKJ3、摩尔热容(Molarspecificheat)：1摩尔物质的热容量。TQCiddi表示不同的过程（1）定体摩尔热容：1mol理想气体在体积不变的状态下，温度升高一度所需要吸收的热量。VVTQCddmolm,（2）定压摩尔热容：1mol理想气体在压强不变的状态下，温度升高一度所需要吸收的热量。ppTQCddmolm,（3）Cv,m和Cp,m的关系实验证明：RCCVpm,m,——迈耶公式摩尔热容比（绝热系数）令m,m,VpCC实验证明：P.11/69热力学基础2020/4/13（3）Cv和Cp的关系实验证明：RCCVpm,m,——迈耶公式摩尔热容比（绝热系数）令m,m,VpCC实验证明：CV,mCp,m单原子He,Ar5/3=1.673R/25R/2双原子H2,O27/5=1.45R/27R/2多原子H2O,CO24/3=1.333R4RRiCV2RiCp22三、热力学第一定律(Firstlawofthermodynamics)本质：包括热现象在内的能量守恒和转换定律。WEEQ)(12Q：表示系统吸收的热量，W：表示系统所作的功，E：表示系统内能的增量。热力学第一定律微分式：WEQddd其中21dVVVpWi为自由度数：单原子i=3双原子i=5多原子i=6VpWddP.12/69热力学基础2020/4/13§9-3热力学第一定律的应用一、等体过程(processatconstantvolume)V热源QdA=0特征：V=d0P-V图：pVV0O根据热力学第一定律EQVdddTCMmvRdTiMm2等体过程在等体过程中，系统吸收的热量完全用来增加自身的内能：12EEQV)(12TTCMmv)(212TTRiMm因为，气体的内能仅为状态函数，所以，)(12TTCMmEv在任意的热力学过程中均适用。理想气体的内能：2miERTM（理想气体）P.13/69热力学基础2020/4/13根据热力学第一定律EQVdddTCMmvRdTiMm2等体过程在等体过程中，系统吸收的热量完全用来增加自身的内能：12EEQV)(12TTCMmv)(212TTRiMm因为，气体的内能仅为状态函数，所以，)(12TTCMmEv在任意的热力学过程中均适用。理想气体的内能：（理想气体）二、等压过程(processatconstantpressure)特征：气体在状态变化过程中压强保持不变。Cp热源PQP-V图：pVV1V2pO根据热力学第一定律VpEQpddd)(12VVpEQp)(12TTCMmQpp)(12TTCMmEv2miERTMP.14/69热力学基础2020/4/13二、等压过程(processatconstantpressure)特征：气体在状态变化过程中压强保持不变。Cp热源PQP-V图：pVV1V2pO根据热力学第一定律VpEQpddd)(12VVpEQp)(12TTCMmQpp)(12TTCMmEv)()(1212TTRMmVVpW)(12VVpRCp三、等温过程(processatconstanttemperature)特征：气体在状态变化过程中温度保持不变。T=恒量，dE=0根据热力学第一定律系统吸热全部用作对外做功：P-V图：pV1V2VO21dVVTVpWQVRTMmpP.15/69热力学基础2020/4/13三、等温过程(processatconstanttemperature)特征：气体在状态变化过程中温度保持不变。T=恒量，dE=0根据热力学第一定律系统吸热全部用作对外做功：P-V图：pV1V2VO21dVVTVpWQVRTMmp21dVVTVVRTMmWQ12lnVVRTMm21lnppRTMm2111lnppVp1222