第06章 熱力學(xué)基礎(chǔ)

引言

研究一切與溫度有關(guān)的各種宏觀現(xiàn)象——熱現(xiàn)象，以及這些現(xiàn)象的微觀機(jī)制。1．熱學(xué)的研究對(duì)象2.3宏觀與微觀的關(guān)系：微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)與系統(tǒng)的各種宏觀熱現(xiàn)象之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。宏觀量等于微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值。2.宏觀與微觀2.1宏觀現(xiàn)象與宏觀量：宏觀現(xiàn)象即一個(gè)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的各種物理性質(zhì)以及這些性質(zhì)的變化規(guī)律。描述一個(gè)系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量稱(chēng)為宏觀量。例：P、V、T、E、C等。2.2微觀運(yùn)動(dòng)與微觀量：微觀運(yùn)動(dòng)即系統(tǒng)內(nèi)部的微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)。描述微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的物理量稱(chēng)為微觀量。例：m、v、

等。3．熱學(xué)的兩種研究方法宏觀方法：把系統(tǒng)看成一個(gè)整體，從基本的熱力學(xué)定律（這些定律是從觀察、實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的）出發(fā)，通過(guò)嚴(yán)密的邏輯推理的方法研究系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)及其變化規(guī)律——熱力學(xué)。微觀方法：依據(jù)微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)所滿(mǎn)足的力學(xué)定律，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法研究系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)，并揭示各種熱現(xiàn)象的本質(zhì)——統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。第六章熱力學(xué)基礎(chǔ)§6-1熱力學(xué)第一定律§6-2熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用§6-3循環(huán)過(guò)程§6-4熱力學(xué)第二定律卡諾定理§6-5熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義熵的概念§6-1熱力學(xué)第一定律1．熱力學(xué)過(guò)程1.1熱力學(xué)過(guò)程1.2準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)向另一個(gè)平衡態(tài)過(guò)渡的過(guò)程系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行得無(wú)限緩慢，以致于每一個(gè)中間狀態(tài)都可視為平衡態(tài)p12一個(gè)點(diǎn)：表示一個(gè)平衡態(tài)一條曲線：表示一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程O(píng)2(p2,V2,T)V

1(p1,V1,T)p

內(nèi)能是狀態(tài)量：實(shí)際氣體：理想氣體：內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)：

內(nèi)能不包括系統(tǒng)整體的機(jī)械能2.1內(nèi)能

系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子之間相互作用勢(shì)能的總和。1.改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種途徑熱功當(dāng)量做功：通過(guò)宏觀力的作用使系統(tǒng)與外界之間產(chǎn)生能量交換，從而使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生改變。做功的大小等于此過(guò)程中系統(tǒng)與外界之間交換的能量。pF鉆木取火2.2改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種途徑與熱功當(dāng)量熱傳遞：通過(guò)熱相互作用使系統(tǒng)與外界之間產(chǎn)生能量交換，從而使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生改變的方式。此過(guò)程中系統(tǒng)與外界之間交換的能量，稱(chēng)為熱量。Q熱量當(dāng)量：熱量與其它形式的能量（機(jī)械能、電能、化學(xué)能等）可以相互轉(zhuǎn)換。一定熱量的產(chǎn)生（消失）總是伴隨著其它形式的能量的消失（產(chǎn)生）。熱功當(dāng)量為：3.熱力學(xué)第一定律

系統(tǒng)所吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分用于系統(tǒng)對(duì)外做功：無(wú)限小過(guò)程：

QAp1E1p2E24.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中的功與熱量4.1準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中的功pFdl12mnVV2V1Op4.2準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中的熱量熱容準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中的熱量：12mnVV2V1Op熱容、比熱容和摩爾熱容：使物質(zhì)溫度升高單位溫度所需的熱量稱(chēng)為熱容：C、c和Cm與過(guò)程有關(guān)使單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高單位溫度所需的熱量稱(chēng)為比熱容：使單位摩爾的物質(zhì)溫度升高單位溫度所需的熱量稱(chēng)為摩爾熱容：熱量與熱容：作業(yè)：9-4§6-2熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的應(yīng)用V＝const.Q1(p1,V1,T1)2(p2,V1,T2)pOV(p1/T1=p2/T2)1．等容過(guò)程2．等壓過(guò)程p＝const.QW1(p1,V1,T1)2(p1,V2,T2)pOV(V1/T1=V2/T2)3．等溫過(guò)程T＝const.QW(p1V1=p2V2)1(p1,V1,T1)2(p2,V2,T1)V

Op4.1絕熱過(guò)程的過(guò)程方程－－泊松公式4．絕熱過(guò)程Q＝0W

絕熱線與等溫線絕熱線

等溫線O

V

pA(pA,VA,TA)

4.2絕熱過(guò)程的E、W、Q和Cmp

O

V1(p1,V1,T1)2(p2,V2,T2)V(10－3m3)2

a

b1p(105Pa)26O

作業(yè)：9-5、9-8§6-3循環(huán)過(guò)程1．循環(huán)過(guò)程

系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列變化過(guò)程后又回到原來(lái)的狀態(tài)，這樣的過(guò)程稱(chēng)為循環(huán)過(guò)程：

p~V曲線為閉合曲線

p

O

V

abmn

順時(shí)針：W=Wamb－Wbna>0——熱機(jī)循環(huán)

逆時(shí)針：W=Wanb－Wbma<0——致冷循環(huán)

2．熱機(jī)與致冷機(jī)2.1熱機(jī)循環(huán)及其效率熱機(jī)：能夠不斷地把熱轉(zhuǎn)變成功的裝置。

熱機(jī)通過(guò)循環(huán)過(guò)程不斷地把熱轉(zhuǎn)變成功

熱機(jī)循環(huán)為正循環(huán)

p

O

V

鍋爐冷卻器水泵氣缸WQ1Q2

蒸汽機(jī)工作簡(jiǎn)圖

熱機(jī)的效率：

WQ2Q1工作物質(zhì)T1T2

2.2致冷機(jī)及其致冷系數(shù)致冷機(jī)：使熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f的裝置。

致冷循環(huán)為負(fù)循環(huán)

p

O

V

致冷機(jī)通過(guò)循環(huán)過(guò)程不斷地使熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f熱交換器蒸發(fā)器節(jié)流閥壓縮機(jī)WQ1Q2

致冷機(jī)工作簡(jiǎn)圖致冷機(jī)的致冷系數(shù)

WQ2Q1工作物質(zhì)T1T2

3.1卡諾循環(huán)3214OV

pT=T1絕熱T=T2絕熱3.卡諾循環(huán)及其效率由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成:3.2卡諾熱機(jī)的效率3(p3,V3,T2)2(p2,V2,T1)1(p1,V1,T1)4(p4,V4,T2)OV

pQ1Q2

WQ2Q1工作物質(zhì)T1T2

結(jié)論：1）只與T1和T2有關(guān)，而與工質(zhì)無(wú)關(guān)2）=1-T2/T1<100%3.3卡諾致冷機(jī)的致冷系數(shù)WQ2Q1工作物質(zhì)T1T2

3(p3,V3,T2)2(p2,V2,T1)1(p1,V1,T1)4(p4,V4,T2)OV

pQ1Q2結(jié)論：2）1）e只與T1和T2有關(guān)，而與工質(zhì)無(wú)關(guān)薩迪-卡諾（SadiCarnot）,1796～1832,法國(guó)物理學(xué)家。1824年，他（28歲）創(chuàng)立理想熱機(jī)理論，“卡諾熱機(jī)”、“卡諾循環(huán)”和“卡諾定理”，已是大家所熟悉的科學(xué)名詞。但卡諾的理論在創(chuàng)立后長(zhǎng)期未能得到應(yīng)有的重視。

VV2V1p

Oacb作業(yè)：9-10、9-11§6-4熱力學(xué)第二定律問(wèn)題的提出

是否滿(mǎn)足熱力學(xué)第一定律的過(guò)程就一定會(huì)發(fā)生？

熱力學(xué)過(guò)程必須滿(mǎn)足熱力學(xué)第一定律。T1W=QQEQT1ET2Q1.熱力學(xué)第二定律的兩種典型表述1.1開(kāi)爾文表達(dá)

不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。

理解“不產(chǎn)生其影響”的含義W=Q1-Q2Q2Q1ET1T2T2T1Q2W=Q1-Q2T1W=QQE

單熱源熱機(jī)（第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)）是不可能制成的

實(shí)際熱機(jī)最少要有兩個(gè)高低溫?zé)嵩矗═1，T2），熱機(jī)的效率<100%WQ2Q1ET1T2

表明了熱功轉(zhuǎn)化的不可逆性fv01.2克勞修斯表達(dá)

熱量不可能從低溫物體傳給高溫物體而不引起其它變化。WQ2Q1＝Q2＋WET1T2T2T1Q2W=Q1-Q2

理解“不產(chǎn)生其影響”的含義

要使熱量從低溫物體傳給高溫物體，必須有外界做功。即致冷機(jī)的致冷系數(shù)不可能無(wú)限大。WQ2Q1ET1T2

表明了熱量傳遞的不可逆性T1T2Q(T1>T2)T1T2Q(T1>T2)2.兩種表述的等效性1.1如果開(kāi)爾文表述不成立，則克勞修斯表述也不成立Q2Q1+Q2EW=Q1EQ1高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2Q2Q2高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩22.2如果克勞修斯表述不成立，則開(kāi)爾文表述也不成立Q2W=Q1-Q2Q2Q1E高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2W=Q1-Q2EQ1-Q2高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2開(kāi)爾文Kelvin，WilliamThomson，Lord（1824～1907）克勞修斯（RuelolfClausius,1822--1888）,

設(shè)在某一過(guò)程L中，系統(tǒng)從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B。如果能使系統(tǒng)從狀態(tài)B逆向回復(fù)到初狀態(tài)A，而同時(shí)外界也恢復(fù)原狀，過(guò)程L就稱(chēng)為可逆過(guò)程。

如果系統(tǒng)不能回復(fù)到原狀態(tài)A，或者雖然能回復(fù)到初態(tài)A，但外界不能恢復(fù)原狀，那么過(guò)程L稱(chēng)為不可逆過(guò)程。3.自然過(guò)程的不可逆性3.1可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程3.2自然過(guò)程的不可逆性熱功轉(zhuǎn)換的方向性：AQ100％AQ100％T1T2Q(T1>T2)T1T2Q(T1>T2)熱傳遞的不可逆性：氣體絕熱自由膨脹的不可逆性：墨水?dāng)U散是一個(gè)不可逆過(guò)程潑水難收破鏡難圓樓倒塌是一個(gè)不可逆過(guò)程生命過(guò)程是一個(gè)不可逆過(guò)程結(jié)論：

大量事實(shí)表明：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的，熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)在于揭示了自然過(guò)程的不可逆性。???君不見(jiàn)黃河之水天上來(lái)奔流到海不復(fù)回君不見(jiàn)高堂明鏡悲白發(fā)朝如青絲暮成雪不可逆過(guò)程4.卡諾定理1）在相同的高溫?zé)嵩磁c相同的低溫?zé)嵩粗g工作的一切可逆機(jī)，不論用什么工作物質(zhì)，效率相等。2）在相同的高溫?zé)嵩磁c相同的低溫?zé)嵩粗g工作的一切不可逆機(jī)的效率小于可逆機(jī)的效率。=:對(duì)應(yīng)可逆機(jī)

<:對(duì)應(yīng)不可逆機(jī)AQ2Q1ET1T2AQ2Q1ET1T2

可逆熱機(jī)與不可逆熱機(jī)AQ2Q1ET1T2可逆熱機(jī):AQ