大学物理课件：热力学基础

第二章热力学基础前一章气体分子运动论（统计物理）是研究热现象的微观理论。本章将从宏观上研究热现象及其规律。热学的宏观理论即热力学。热力学的任务是从能量观点出发，研究系统状态变化过程及功热转换关系和条件，基础是热力学第一、二定律。本章先介绍几个重要概念（热力学过程、功、热量、内能），再介绍热力学第一、二定律及其应用。2-1热力学过程一、热力学过程所谓热力学过程——系统从一个平衡态到另一个平衡态，所经历的状态变化。过程发生意味着变化热力学过程的发生，必然是原平衡态被破坏，经过一段时间又将达到新的平衡。平衡态破坏后再达到新的平衡所经历的时间称为弛豫时间（）。如果过程很快。还未达到新的平衡，又发生了下一步变化。这样，在状态变化过程中系统经历了一系列非平衡中间状态，该过程叫做非静态过程。12密稀如果过程进行缓慢，在状态变化过程中的每一时刻，系统都无限接近于平衡态，该过程称为准静态过程。准静态过程在热力学中有极为重要的意义，因为许多问题都当做准静态过程处理。二、关于准静态过程的说明1、无限缓慢的理想极限过程举例1：气体压缩12（快速）因过程快，活塞附近大，P、系统性质不均匀，中间状态非平衡。是非静态过程12设想：在活塞上丢砂子，砂粒质量无限小，经很长时间从1压缩到2.12无限缓慢（内外微小压力差），系统各处一致，性质均匀，中间状态平衡。过程越慢，中间状态越接近平衡态。P、举例2：热传导，气体由12TT中间过程中，气体各部分温度不同，近热源温度高，上部温度低。是准静态过程非静态过程气体分别与无限多温差无限小的热源接触升温从。无限缓慢。12TT气体各部分温差不计，温度均匀。设想：准静态准静态过程2、实际过程的抽象近似实际过程并非无限缓慢，准静态过程有意义吗？许多情况下，可作准静态过程处理。“无限”只有相对意义!主要标志：弛豫时间,,tt非静态；准静态例如：气体压缩后再达到平衡的时间约10-3秒，如果实验中压缩一次的时间为1秒（看起来快），完全可作准静态过程处理。一般气体趋匀过程以声速进行，活塞大于声速运动，才做非静态处理，通常都视为准静态过程。po),,(111TVpI),,(222TVpIIV3、准静态过程才可以用状态图中的实线表示状态图中的点—代表确定的平衡态，统一的PVT、、故非静态过程（由非平衡态组成）不可用实线表示，只象征性用虚线表示。PVT、、一条连续曲线（实线）代表一个准静态过程（由平衡态组成）。这条曲线的方程称为过程方程。非平衡态无统一的不能用状态图中的点代表非平衡状态。CPV如,PVT，PV2-2功热量在热学中，功、热量、内能是重要物理量。热力学定律的精确表达需要这些概念。功和热量有相似性，都是能量交换的量度，都与过程有关。内能是状态量，变化与过程无关。本节先介绍功和热量。一、功功的概念在力学中已有，热学中要进一步推广。力学中：功=力位移。做功使物体运动状态变化（机械能变化），能量发生交换（一个物体另一物体，一种形式另一形式如摩擦生热）。实际上，做功不仅使机械运动状态变化，也可使热运动状态、电磁状态变化功的形式：机械功、电功、电极化功、磁化功等功的举例：dATdxdAFdxdAdSdAMddAdqdAPdV（金属丝拉长，张力T）dx(M—力矩）（液膜表面积扩大dS，表面张力系数）FlldAFdxldxdSdx（电功）（体积功）还有许多功可以概括为dAYdXY—广义力X—广义位移流体力学在热学中，最重要的是准静态体积功dAFdxPSdxPdV膨胀0,0dVdA压缩0,0dVdA正功负功2,VV121VVAPdV准静态体积功PV（图面积）dAPdV强调：（1）功是由于宏观的机械作用或电磁作用而交换能量的一种量度。（做功是能量传递的一种方式）（2）功是过程量，不是状态量。不同过程，功不同（3）做功必然伴随宏观位移机械功有明显位移；电功中电荷定向移动也是宏观位移。例题1：1mol范德瓦尔斯气体，从体积准静态等温（T）膨胀到体积。求气体做的功。1v2v解：22()()=,aRTaPvbRTPvvbv=2222211112111ln()vvvvbRTaAPdvdvdvRTavvvvbvvbvv例题2：如图，求气体对外做的功1111124AVPPV解：12VVP1V1P12P13Pabab过程ab椭圆面积二、热量1、历史回顾除做功外，系统与外界交换能量还有另一种方式即传热。什么是热量？其本质如何？曾经是历史上长期争论的问题。在17世纪，温度和热量两概念混淆不清。一些人认为温度计测出的不是热的程度，而是热的数量，因为等量的水混合后，温度取平均值（温度的变化即热量的变化？）。荷兰化学家布尔哈夫提出不同的物质等量混合后会怎样？“等量”是“等质量”，还是“等体积”？混合后的温度都不取平均值。称为“布尔哈夫疑难”。英国化学家兼物理学家布莱克指出问题的根源是把热的强度（温度）和热的数量（热量）搞混了。布莱克和他的学生提出了比热、热容和潜热的概念，得出了量热学基本公式，区分了热的强度（温度）和热的数量（热量）。Qmct但是热本质的究竟是什么？有许多观点。布莱克是“热质说”的倡导者，“热质说”曾一度占统治地位。认为热是一种看不见无重量的物质，热的物体热质多，冷的热质少，热质不能创造也不能消灭，只能从较热物体传导较冷物体，热质守恒。热质说之所以占上风，是人们没有注意到热现象与其它物理现象之间的联系和相互转化，而热质说却能很好地解释一些现象如温度变化是吸放热质引起、热传导是热质流动、摩擦生热是热质被逼出的缘故。18世纪末，热质说受到严重挑战。英国物理学家伦福德和化学家戴维做了机械功生热的实验。伦福德观察到大炮镗孔剧烈发热，将炮筒放入水中，水温快速上升。戴维用钟表机械使真空容器中两冰块摩擦融化成水。他们断言，热质不存在，热质守恒不成立，热是物质运动的一种形式，热是物体微粒的运动（“热动说”）。但他们的正确观点并未被同时代科学家接受。热质说没有被推翻。焦耳从1837年到1878年用了41年的时间，先后用不同方法进行了400多次实验（如利用重力功搅拌水升温、通电使水升温等），精确地测出了热功当量。热质说才被人们所放弃。热功当量1卡=4.18焦耳焦耳的实验说明：热量不是传递的热质，而是传递的能量。一定热量的产生（消失）总伴随着等量的其它某种能量（机械能、电能）的消失（产生），不存在单独的热质守恒。做功与传热是系统能量变化的两种不同方式（相当），做功与位移联系，传热与温差联系。焦耳实验也为能量守恒定律奠定了基础。2、关于热量的说明（1）热量本质传热——物体之间因温差而发生能量传递的过程。热量——因温差而传递能量的量度。（2）热量是过程量。数值与具体过程有关。非状态量，不能说某状态有多少热量，只能说某过程有多少热量。（3）功和热量比较相同：都是能量交换的量度，都是过程量，是系统与外界之间传递能量的两种方式。不同：做功与宏观位移联系，传热与温差联系；做功是有规则运动能量（机械能、电磁能）之间或有规则运动能量与无规则运动能量（热能或内能）之间的交换，传热是一个物体与另一物体无规则运动能量（内能）之间的交换。3、热量计算实验表明，不同物体在不同过程中温度升高1度所吸收的热量一般不同，为此引入热容量概念。定义1：(/)dQCJkdT——热容量C与物体质量有关定义2：(/)CdQcJkgKMMdT——比热c与物体质量无关,与物质种类有关定义3：(/)CdQCJmolKdT=——摩尔热容()Cmol与物质种类有关以为单位CMcC显然MCcc热容量与过程有关，常见的有：定义4：,()()VVVmoldQdQCdTdT（V不变过程）——定容摩尔热容定义5：,()()PPPmoldQdQCdTdT（P不变过程）——定压摩尔热容由以上定义可以计算热量：dQCdTMcdT212121()()TTQCdTCTTMcTT,PPVVQCTQCT2-3内能热力学第一定律一、内能先从宏观上定义内能，为此引进绝热过程概念：绝热过程——系统状态变化仅由做功引起的过程。实验：水升温从，可以通过多种绝热过程进行：12TT1T2T搅拌摩擦通电压缩结果：各绝热过程功相同，与具体绝热过程无关。由此定义（类似力学中势能定义）：系统在平衡态时，存在一个态函数E，叫内能。当系统从平衡态1经绝热过程到达平衡态2时，内能的增量等于外界对系统做的功。当系统从平衡态1经绝热过程到达平衡态2时，内能的增量等于外界对系统做的功。21AEEE绝AEA绝绝或（为系统对外做功）微观上定义：内能是由物体内部状态决定的能量。广义地，包括分子、原子、电子、核子运动的能量。但在热运动范围，原子、电子、核子能量不变，只包括分子热运动能量和分子之间相互作用势能。TV(,)EETV2E1EA绝说明：(,)EETV（1）E是状态的函数（状态量），非过程量。与过程量A、Q不同。E也叫热能（一般不用该名词，以免与热量混淆）。（2）E是相对量。与参考态（规定E=0的状态）选择有关。宏观定义只给出两态内能差，没有确定任意状态的内能数值（可以任加一个常数）。只有选择了参考态，内能才有确定值。（与力学中势能定义类似）2121()()AECECEEE绝二、热力学第一定律一般过程并非绝热（传热Q），外界对系统还要做功（），则根据能量守恒有：AAQE2EC1ECA绝A——外界对系统做的功QEA——系统对外界做的功AAA功、热量、内能的概念明确以后，它们之间的关系？21AEEE绝Q2E1EA表述：系统从外界吸收热量，一部分用于内能增加（），另一部分用于对外做功（）。QEA符号约定：元过程：dQdEdA0E0Q0A0A0Q0E系统从外界吸热系统向外界放热系统对外界做功外界对系统做功系统内能增加系统内能减少QEA人们有时说，热力学第一定律就是能量守恒定律，但仔细推敲，两者有别。确切地说：热力学第一定律是能量守恒与转化定律在涉及热现象的宏观过程中的具体表述。历史上有人幻想制造一种机器，无需任何动力和燃料（或者很少的动力和燃料），能不断对外做功，这种机器叫“第一类永动机”。热力学定律表明，做功必然由能量转化而来，不借助于外界供能而不断对外做功不可能。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：热力学第一定律又可表述：第一类永动机不可造成三、关于能量守恒定律的发现能量守恒定律是19世纪的一个伟大发现，科学界公认，其奠基人是：迈尔、焦耳、亥姆霍兹。还有其他人。迈尔的贡献：德国医生，曾到爪哇考察。在给病人看病时发现，热带人静脉血比温带人的红得多。他想，可能因为热带高温，人体只需吸收食物中较少热量，人体中食物氧化减弱，而在静脉中留下较多的氧所致。于是提出“力是不灭的，能够转化”（“力”即能量），又进一步提出“下落力”（即势能）“运动力”（即动能）和热的转化。而且根据气体比热数据得到热功当量为1卡=3.57焦耳。（比焦耳早一年）迈尔的贡献未得到科学界承认，甚至同乡嘲笑，其精神压力大，1850年跳楼未遂，住院三年。10年后，科学界给予了他正确的评价。焦耳（英国）做了40年的实验，证明了机械能、电能、热能的转换关系，即热功当量1卡=4.18焦耳。亥姆霍兹（德国）总结了许多人的工作，提出了普遍的能量守恒定律，把能量概念从机械能推广到热、电、磁乃至生命过程。坚信永动机不可能。1853年，汤姆逊提出“能量”名词，将“力的守恒”改为“能量守恒”。2-4热力学第一定律应用于理想气体典型过程此处只讨论理想气体准静态过程中的功能转换关系