第十章--热力学定律

热力学与统计物理学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。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。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。赣南师范学院物理系研究热物理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理论，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：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，二者相辅相成。第十章热力学第一、二定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定律。一、热力学的平衡态基本定义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。§1-1概述孤立系：与外界没有任何相互作用的热力学系统。封闭系：与外界有能量交换，没有物质交换的热力学系统。开放系：与外界有能量交换，又有物质交换的热力学系统。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——热力学参量说明气体的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。–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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位1、气体的体积Vp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强pp、V、T的单位气体的体积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：m3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=1.013×105Pa1、气体的体积V2、压强p3、温度T温度：与物质分子的热运动有密切的关系。温度的高低在微观上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。温度的数值表示方法叫作温标（ThermometerScale）(1)热力学温标T，单位：K(2)摄氏温标t，单位：0C–00C——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+t•F=9t/5+32(1)热力学温标T，单位：K(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(2)摄氏温标t，单位：0C00C——水的三相点温度1000C——水的沸腾点温度(1)热力学温标T，单位：K(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(2)摄氏温标t，单位：0C00C——水的三相点温度1000C——水的沸腾点温度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，系统的组成及其性质均不随时间而变化，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，组成系统的微观粒子在不停的无规运动中，但统计平均效果不变；（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。二、热力学第零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。平衡态下的热力学系统存在状态函数温度。物态方程是温度与其它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：0),,(TVpf三、物态方程pTVV)(1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1)()()(pVTVTTppV0),,(TVpfTpTTTpVV)(1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。VTpp)(1压强系数:体积不变下，温度升高1K所引起的物体压强的相对变化。由得：理想气体Boyle-Mariotte定律：等温过程中pV=constAvogadro定律：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。Joule定律：气体的内能仅仅是温度的函数。U=U(T)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。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＝•范氏气体•考虑分子之间的斥力及分子之间的引力••••其中Vm是气体的摩尔体积，a和b是实验测定的常数。2()()mmapVbRTV1mol实际气体的物态方程一、热力学过程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§1-2热力学第一定律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。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过程在始末两平衡态之间所经历的中间状态，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，系统对外界做功为：21VVWpdV系统对外界所作的功等于pV图上过程曲线下面的面积VOPdVV1V2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。VOPdVV1V2功不是态函数，元功不是态函数的全微分，用而不是来表示。AdA1122nnAYdyYdyYdy一般情况下，元功可写为；功的单位：焦耳•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1122nnAYdyYdyYdy其中表示广义坐标，表示广义位移，表示广义力。12,,nyyy12,,ndydydy12,,nYYY三、热量系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量叫做热量。本质:外界与系统相互交换热量。分子热运动→分子热运动热量的单位