統(tǒng)計(jì)物理-公開(kāi)課一等獎(jiǎng)優(yōu)質(zhì)課大賽微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第一章熱力學(xué)基本規(guī)律基本內(nèi)容：熱平衡定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律應(yīng)用溫度內(nèi)能、熱量熵第1頁(yè)第1頁(yè)§1-1熱力學(xué)系統(tǒng)平衡態(tài)及其描述

一.熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)：即熱力學(xué)研究對(duì)象是大量微觀粒子構(gòu)成宏觀系統(tǒng)

系統(tǒng)：

外界：和系統(tǒng)發(fā)生互相作用其它物體系統(tǒng)外界

互相作用

（互換能量，互換物質(zhì)）第2頁(yè)第2頁(yè)

孤立系統(tǒng)：

閉合系統(tǒng)（閉系）：

開(kāi)放系統(tǒng)：不互換能量，不互換物質(zhì)互換能量，不互換物質(zhì)互換能量，互換物質(zhì)

均勻系：

（單相系）系統(tǒng)各部分性質(zhì)完全同樣

復(fù)相系：系統(tǒng)不是均勻，但是能夠分成若干均勻部分

相：一個(gè)均勻部分

例子：冰水混合物是二相系第3頁(yè)第3頁(yè)二.熱力學(xué)平衡態(tài)

闡明：

一個(gè)孤立系統(tǒng)，無(wú)論其初態(tài)多么復(fù)雜，通過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間之后，都會(huì)演化到這樣一個(gè)狀態(tài)：系統(tǒng)各種宏觀性質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何改變，這樣狀態(tài)就稱為熱力學(xué)平衡態(tài)。

B.弛豫時(shí)間

A.動(dòng)態(tài)平衡

初態(tài)末態(tài)

弛豫時(shí)間τ第4頁(yè)第4頁(yè)

C.漲落問(wèn)題熱力學(xué)中普通不考慮漲落！

宏觀物理是由大量微觀粒子構(gòu)成，因此宏觀物體性質(zhì)是大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)改變統(tǒng)計(jì)表現(xiàn)，人們?cè)诤暧^時(shí)間間隔看到是這種平均結(jié)果。假如在比較短時(shí)間間隔，會(huì)看到相對(duì)于平均結(jié)果漲落。在某種條件下，這種漲落會(huì)放大，在大時(shí)空范圍內(nèi)表現(xiàn)出來(lái)。第5頁(yè)第5頁(yè)三.狀態(tài)參量和狀態(tài)函數(shù)

由于不考慮漲落，系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)宏觀物理量有擬定數(shù)值，這些宏觀量應(yīng)當(dāng)存在一定關(guān)系，即數(shù)學(xué)上存在一定函數(shù)關(guān)系。為了以便，能夠選擇其中幾種宏觀量作為自變量，它們本身能夠獨(dú)立改變，稱之為狀態(tài)參量。其它物理量能夠表示為狀態(tài)參量函數(shù)，稱為狀態(tài)函數(shù)。第6頁(yè)第6頁(yè)

例子：固體、液體、氣體：體積V（三維物體）

面積A（二維物體）

長(zhǎng)度L（一維物體）電介質(zhì)、磁介質(zhì)系統(tǒng)：電場(chǎng)強(qiáng)度電極化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度混合氣體、合金：各種物質(zhì)化學(xué)構(gòu)成數(shù)量固體、液體、氣體：壓強(qiáng)P固體、液體：張力T

幾何參量

力學(xué)參量

化學(xué)參量

電磁參量簡(jiǎn)樸系統(tǒng)：只有兩個(gè)狀態(tài)參量系統(tǒng)，如:p,V第7頁(yè)第7頁(yè)§1-2熱平衡定律和溫度

一.熱接觸物體B物體A

器壁C1.A和B不直接發(fā)生物質(zhì)互換和力互換2.A和B通過(guò)器壁C發(fā)生接觸

闡明：假如A和B狀態(tài)完全能夠獨(dú)立改變，彼此不受影響，則稱C為絕熱壁假如A和B狀態(tài)完全不能夠獨(dú)立改變，彼此受影響，則稱C為透熱壁兩個(gè)物體通過(guò)透熱壁互相接觸稱為熱接觸第8頁(yè)第8頁(yè)二.熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）兩個(gè)物體A和B進(jìn)行熱接觸，經(jīng)驗(yàn)表明，它們狀態(tài)都將發(fā)生改變，但是通過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間之后，它們狀態(tài)不再發(fā)生改變，而是達(dá)到一個(gè)共同點(diǎn)平衡態(tài)，我們稱這兩個(gè)物體達(dá)到了熱平衡。

熱平衡定律：假如兩個(gè)物體A和B各自和第三個(gè)物體達(dá)到了熱平衡，那么讓A和B熱接觸后，A和B不會(huì)發(fā)生任何改變，即A和B仍處于熱平衡狀態(tài)主要性：定義了溫度第9頁(yè)第9頁(yè)三.溫度定義喀喇氏溫度定理（19）：處于熱平衡狀態(tài)下熱力學(xué)系統(tǒng)，存在一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，對(duì)互為熱平衡系統(tǒng)，該函數(shù)值相等。證實(shí)：為明確起見(jiàn)，只考慮簡(jiǎn)樸系統(tǒng)（狀態(tài)參量只有壓強(qiáng)p和體積V）。ACBA和C達(dá)到平衡B和C達(dá)到平衡第10頁(yè)第10頁(yè)利用熱平衡定律：A和B達(dá)到平衡（2）式表明：（1）式兩邊能夠消去，設(shè)消去后（1）變?yōu)椋?1)(2)上式意義：系統(tǒng)A和B分別存在一個(gè)狀態(tài)函數(shù)（是狀態(tài)參量壓強(qiáng)和體積函數(shù)），在熱平衡時(shí)候這個(gè)值相等。我們把定義為系統(tǒng)溫度。第11頁(yè)第11頁(yè)（1）：溫度這個(gè)定義是喀喇氏在19提出來(lái)，在此之前，溫度定義是：物體冷熱程度數(shù)值表示，這個(gè)定義不嚴(yán)格。

闡明：（2）：熱平衡定律由于給出了溫度更科學(xué)定義，故也稱為熱力學(xué)第零定律。（3）：稱為系統(tǒng)物態(tài)方程，它給出了系統(tǒng)溫度和狀態(tài)參量之間函數(shù)關(guān)系。第12頁(yè)第12頁(yè)四.溫度計(jì)熱平衡定律也給出了比較不同物體溫度大小方法：在比較兩個(gè)物體溫度時(shí)，并不需要兩個(gè)物體直接進(jìn)行接觸，只需要取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物體分別與這兩個(gè)物體進(jìn)行接觸，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物體即溫度計(jì)。溫度數(shù)值表示辦法叫作溫標(biāo)（ThermometerScale）

。定容氣體溫標(biāo)要求：純水三相點(diǎn)（theTriplepoint，水、冰、蒸氣三相平衡共存）溫度為273.16.單位：K（開(kāi)爾文）試驗(yàn)表明：在壓強(qiáng)趨于零時(shí)，各種氣體所擬定趨于一個(gè)共同點(diǎn)極限溫標(biāo)

，稱為抱負(fù)氣體溫標(biāo)：第13頁(yè)第13頁(yè)單位：0C（攝氏度）攝氏溫標(biāo)（CelsiusScale）：00C（零攝氏度）：

1atm下,水三相點(diǎn)溫度；1000C：

1atm下,水沸騰點(diǎn)溫度。華氏溫標(biāo)（FahrenheitScale）

：?jiǎn)挝唬?F

320F：

1atm下,水三相點(diǎn)溫度；2120F：

1atm下,水沸騰點(diǎn)溫度。第14頁(yè)第14頁(yè)§1-3物態(tài)方程一.物態(tài)方程

平衡態(tài)能夠由它幾何、力學(xué)、化學(xué)、電磁參量數(shù)值擬定。熱力學(xué)系統(tǒng)存在狀態(tài)函數(shù)溫度。物態(tài)方程：給出溫度與狀態(tài)參量之間函數(shù)關(guān)系方程。例：簡(jiǎn)樸系統(tǒng)物態(tài)方程：實(shí)際中，能夠依據(jù)以便將其中兩個(gè)量看作獨(dú)立變量，而將第三個(gè)量當(dāng)作它們函數(shù)：闡明：（1）物態(tài)方程不也許由熱力學(xué)理論擬定，而是由試驗(yàn)擬定；（2）統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原則上能夠?qū)С鑫飸B(tài)方程。第15頁(yè)第15頁(yè)二.和物態(tài)方程相關(guān)幾種物理量

體漲系數(shù)壓強(qiáng)系數(shù)等溫壓縮系數(shù)三者關(guān)系：這是由于：第16頁(yè)第16頁(yè)三.抱負(fù)氣體物態(tài)方程玻-馬定律：知道物態(tài)方程，能夠?qū)С鲶w漲系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)（見(jiàn)習(xí)題）；反過(guò)來(lái)，知道體漲系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)，能夠?qū)С鑫飸B(tài)方程。（見(jiàn)習(xí)題）阿氏定律：相同溫度和壓強(qiáng)下，相等體積中所含有各種氣體物質(zhì)量相等。（固定質(zhì)量，溫度不變）下面先導(dǎo)出含有固定質(zhì)量抱負(fù)氣體，其任意兩個(gè)平衡態(tài)和狀態(tài)參量之間關(guān)系。抱負(fù)氣體溫標(biāo)：什么是抱負(fù)氣體？抱負(fù)氣體反應(yīng)是實(shí)際氣體在很稀薄時(shí)共同極限性質(zhì)。第17頁(yè)第17頁(yè)試驗(yàn)測(cè)得：1mol抱負(fù)氣體在冰點(diǎn)（273.15K）以及1pn下體積V0為：1mol抱負(fù)氣體物態(tài)方程為：

nmol抱負(fù)氣體物態(tài)方程為：第18頁(yè)第18頁(yè)四.實(shí)際氣體物態(tài)方程范氏方程(VanderWaalsEquation)：伯賽洛特方程(BerthelotEquation)：狄特里奇方程(DietericiEquation)：第19頁(yè)第19頁(yè)此即昂尼斯方程，通常也稱為位力展開(kāi)。在稀薄極限，即密度極限下，所有氣體都趨于抱負(fù)氣體方程：壓強(qiáng)和密度一次冪成正比，百分比系數(shù)RT又和溫度T成正比，在不太稀薄、密度影響必須考慮到條件下，能夠在抱負(fù)氣體方程右邊加入密度高次冪奉獻(xiàn)，將壓力展開(kāi)成密度冪級(jí)數(shù)：第20頁(yè)第20頁(yè)五.順磁性固體物態(tài)方程&居里定律將順磁性固體放在外磁場(chǎng)中，順磁性固體會(huì)被磁化。

磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)磁矩，用表示。用H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度順磁性固體物態(tài)方程普通形式為：試驗(yàn)發(fā)覺(jué)一些物質(zhì)物態(tài)方程為（居里定律）：假如樣品是均勻磁化，則樣品總磁矩m是磁化強(qiáng)度和體積V乘積：第21頁(yè)第21頁(yè)六.均勻系統(tǒng)廣延量和強(qiáng)度量廣延量：與系統(tǒng)質(zhì)量或物質(zhì)量成正比，如m,V。強(qiáng)度量：與系統(tǒng)質(zhì)量或物質(zhì)量無(wú)關(guān)，如p，T。關(guān)系：上式嚴(yán)格成立條件：系統(tǒng)滿足熱力學(xué)極限第22頁(yè)第22頁(yè)§1-4功當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生了改變，由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖粋€(gè)狀態(tài)，我們就說(shuō)系統(tǒng)在經(jīng)歷一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，簡(jiǎn)稱過(guò)程。一.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程1、熱力學(xué)過(guò)程做功是過(guò)程中系統(tǒng)和外界互換能量一個(gè)方式。2、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程系統(tǒng)由某一平衡態(tài)開(kāi)始改變，狀態(tài)改變必定使得平衡受到破壞，需要經(jīng)歷一定期間才干達(dá)到新平衡態(tài)，這樣在實(shí)際過(guò)程中系統(tǒng)往往經(jīng)歷了一系列非平衡態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是這樣一個(gè)過(guò)程：系統(tǒng)狀態(tài)改變很緩慢，以至于過(guò)程中每一個(gè)狀態(tài)都能夠當(dāng)作平衡態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是一個(gè)抱負(fù)過(guò)程。第23頁(yè)第23頁(yè)推動(dòng)活塞壓縮汽缸內(nèi)氣體時(shí)，氣體體積、密度、溫度或壓強(qiáng)都將改變。從初始平衡態(tài)開(kāi)始，到建立新平衡態(tài)所需時(shí)間稱為弛豫時(shí)間，記為。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程主要性質(zhì)：假如沒(méi)有摩擦阻力，外界在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)作用力，能夠用描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)狀態(tài)參量或者狀態(tài)函數(shù)表示出。設(shè)所需要時(shí)間為t，則：當(dāng)t遠(yuǎn)不小于弛豫時(shí)間時(shí)，則為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。第24頁(yè)第24頁(yè)系統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)改變過(guò)程可用p-V圖上一條曲線表示，稱之為過(guò)程曲線。第25頁(yè)第25頁(yè)二.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程外界對(duì)系統(tǒng)做功（體積功）先考慮簡(jiǎn)樸系統(tǒng)做功問(wèn)題。這里只考慮體積改變功?；钊推鞅谥g無(wú)摩擦力，因此活塞緩慢移動(dòng)過(guò)程中，封閉流體是（無(wú)摩擦）準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。,外界對(duì)流體做功：AB系統(tǒng)體積改變：外界對(duì)系統(tǒng)做功：假如系統(tǒng)在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中體積發(fā)生有限改變，外界對(duì)系統(tǒng)做功：第26頁(yè)第26頁(yè)系統(tǒng)對(duì)外界所作功等于p-V圖上陰影部分面積（代數(shù)值）闡明:系統(tǒng)所作功與系統(tǒng)始末狀態(tài)相關(guān)，并且還與路徑相關(guān)，是一個(gè)過(guò)程量。氣體膨脹時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外界作功；氣體壓縮時(shí)，外界對(duì)系統(tǒng)作功VOpdVV1V2作功是改變系統(tǒng)能量（內(nèi)能）一個(gè)辦法第27頁(yè)第27頁(yè)橫截面積為A

長(zhǎng)度為lN匝線圈，忽略線圈電阻假如改變電流大小，就改變了磁介質(zhì)中磁場(chǎng)，線圈中將產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，外界電源必須克服此反向電動(dòng)勢(shì)做功，在dt時(shí)間內(nèi)，外界做功為：三.電磁能對(duì)磁介質(zhì)做功第28頁(yè)第28頁(yè)

設(shè)磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,則通過(guò)線圈中每一匝磁通量為AB，法拉第電磁感應(yīng)定律給出了感生電動(dòng)勢(shì)：安培定律給出了磁介質(zhì)中磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：

為了簡(jiǎn)樸，考慮各項(xiàng)同性磁介質(zhì)(磁化是均勻)：第29頁(yè)第29頁(yè)

當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)只包括介質(zhì)不包括磁場(chǎng)時(shí)，功表示式只是右方第二項(xiàng)：第一項(xiàng)是激發(fā)磁場(chǎng)合作功；第二項(xiàng)是使得介質(zhì)磁化所作功。

第30頁(yè)第30頁(yè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中外界做功通用式：**闡明：非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中外界做功等容過(guò)程：等壓過(guò)程：四.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程做功通用式第31頁(yè)第31頁(yè)作業(yè)習(xí)題1,2,4,6,10,11,12,15,16,17第32頁(yè)第32頁(yè)§1-5熱力學(xué)第一定律做功是系統(tǒng)在過(guò)程中和外界傳遞能量一個(gè)方式。以做功方式傳遞能量，系統(tǒng)外參量必定發(fā)生改變！有無(wú)一個(gè)方式傳遞能量，但是系統(tǒng)外參量不發(fā)生改變？第33頁(yè)第33頁(yè)一.絕熱過(guò)程定義

日常定義：外界B系統(tǒng)A

器壁C假如系統(tǒng)A和外界B狀態(tài)完全能夠獨(dú)立改變，彼此不受影響，則稱C為絕熱壁。日常定義：系統(tǒng)和外界無(wú)熱量互換過(guò)程假如系統(tǒng)A和外界B溫度不相等，中間又沒(méi)有絕熱壁，則系統(tǒng)和外界有熱量互換。問(wèn)題：使用了熱量概念。熱量是什么？第34頁(yè)第34頁(yè)絕熱過(guò)程科學(xué)定義（19，喀喇氏）：一個(gè)過(guò)程，其中系統(tǒng)狀態(tài)變換完全是由機(jī)械作用或者電磁作用結(jié)果，而沒(méi)有受到其它影響，稱為絕熱過(guò)程。水+葉片=系統(tǒng)二.焦耳兩個(gè)試驗(yàn)和內(nèi)能定義重物系統(tǒng)溫度升高完全是重物下降結(jié)果，因此，系統(tǒng)溫度升高是絕熱過(guò)程。第35頁(yè)第35頁(yè)水+電阻器=系統(tǒng)系統(tǒng)溫度升高完全是電源做功結(jié)果，因此，系統(tǒng)溫度升高是絕熱過(guò)程。焦耳試驗(yàn)結(jié)果：用各種不同絕熱過(guò)程使得物體升高一定溫度，所需要功是相等（在試驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)）。焦耳試驗(yàn)闡明：系統(tǒng)經(jīng)絕熱過(guò)程從初態(tài)到終態(tài)，在過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)所做功僅取決于系統(tǒng)初態(tài)和終態(tài)，而與詳細(xì)絕熱過(guò)程無(wú)關(guān)。第36頁(yè)第36頁(yè)能夠用絕熱過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)所做功WS

定義一個(gè)態(tài)函數(shù)U，它在終態(tài)B和初態(tài)A之差為：

上式意義：外界在過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)所做功能夠轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能。

闡明：1.單位：焦耳2.內(nèi)能函數(shù)中能夠相差一個(gè)任意相加函數(shù)，數(shù)值能夠看以便而選擇。3.內(nèi)能為廣延量。4.從微觀角度看：內(nèi)能是系統(tǒng)中分子無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)能量總和統(tǒng)計(jì)平均值。第37頁(yè)第37頁(yè)三.熱量定義假如系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)程不是絕熱過(guò)程，則：?jiǎn)挝唬航苟虼?，就是系統(tǒng)在過(guò)程中以熱量形式從外界吸取能量：四.熱力學(xué)第一定律意義：（1）系統(tǒng)在初態(tài)A和終態(tài)B內(nèi)能之差，等于過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)做功和系統(tǒng)從外界吸取熱量之和。

（2）過(guò)程中，兩種方式（做功和傳熱）所傳遞能量，都轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能。#第38頁(yè)第38頁(yè)注意：（1）內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，兩態(tài)內(nèi)能之差和過(guò)程無(wú)關(guān)，而功和熱量都和過(guò)程相關(guān)。

（2）（#）式中，初態(tài)和終態(tài)是平衡態(tài)，過(guò)程經(jīng)歷中間態(tài)不必是平衡態(tài)，即熱力學(xué)第一定律對(duì)非靜態(tài)過(guò)程也合用。#假如系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)無(wú)窮小過(guò)程，則：注意：

Q和W不是狀態(tài)函數(shù)，故在無(wú)窮小過(guò)程中，和只是微分式，因此在d上加一橫，以示區(qū)別。熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)能量守恒定律，對(duì)任何物質(zhì)任何過(guò)程都成立。第39頁(yè)第39頁(yè)符號(hào)要求：熱量：正號(hào)——系統(tǒng)從外界吸取熱量負(fù)號(hào)——系統(tǒng)向外界放出熱量功W：正號(hào)——外界對(duì)系統(tǒng)作功負(fù)號(hào)——系統(tǒng)對(duì)外界作功內(nèi)能ΔU：正號(hào)——系統(tǒng)能量增長(zhǎng)負(fù)號(hào)——系統(tǒng)能量減小計(jì)算中，各物理量單位是相同，在SI制中為焦耳J。1、第一類永動(dòng)機(jī)

不需要外界提供能量，也不需要消耗系統(tǒng)內(nèi)能，但能夠?qū)ν饨缱鞴Α?、熱力學(xué)第一定律另一個(gè)表述

第一類永動(dòng)機(jī)是不也許造成。第一類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律，因而是不也許實(shí)現(xiàn)。熱力學(xué)第一定律另外一個(gè)表述：第40頁(yè)第40頁(yè)§1-6熱容量和焓外界對(duì)系統(tǒng)不作功，系統(tǒng)吸取熱量所有用來(lái)增長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)能。一.熱容量系統(tǒng)在某一過(guò)程中溫度升高1K所吸取熱量：等容過(guò)程：

定容熱容量：第41頁(yè)第41頁(yè)等壓過(guò)程：

定義一個(gè)新態(tài)函數(shù)：在定壓過(guò)程中，系統(tǒng)吸取熱量為：

定壓熱容量：第42頁(yè)第42頁(yè)§1-7抱負(fù)氣體內(nèi)能玻-馬定律：阿氏定律：相同溫度和壓強(qiáng)下，相等體積中所含有各種氣體物質(zhì)量相等。（固定質(zhì)量，溫度不變）什么是抱負(fù)氣體？抱負(fù)氣體反應(yīng)是實(shí)際氣體在很稀薄時(shí)共同極限性質(zhì)。把嚴(yán)格滿足下列三個(gè)試驗(yàn)定律氣體稱為抱負(fù)氣體。焦耳定律：第43頁(yè)第43頁(yè)

抱負(fù)氣體內(nèi)能：

抱負(fù)氣體焓：

抱負(fù)氣體焓只是溫度函數(shù)。

抱負(fù)氣體定壓熱容量：

抱負(fù)氣體焓：

抱負(fù)氣體定容熱容量：第44頁(yè)第44頁(yè)§1-8抱負(fù)氣體絕熱過(guò)程第45頁(yè)第45頁(yè)第46頁(yè)第46頁(yè)§1-9抱負(fù)氣體卡諾循環(huán)一.什么是熱機(jī)？什么是循環(huán)過(guò)程？熱機(jī)效率：熱源工作物質(zhì)

吸熱(對(duì)外做功)(熱力學(xué)第一定律)熱機(jī)第47頁(yè)第47頁(yè)循環(huán)過(guò)程：當(dāng)工作物質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列過(guò)程，又回到本來(lái)狀態(tài)，我們就說(shuō)工作物質(zhì)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)過(guò)程。我們現(xiàn)在考慮抱負(fù)氣體卡諾循環(huán)。第48頁(yè)第48頁(yè)二.抱負(fù)氣體卡諾循環(huán)考慮1mol抱負(fù)氣體：等溫膨脹：絕熱膨脹：等溫壓縮：絕熱壓縮：第49頁(yè)第49頁(yè)等溫膨脹：絕熱膨脹：等溫壓縮：絕熱壓縮：第50頁(yè)第50頁(yè)一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，工作物質(zhì)回到初始狀態(tài)：系統(tǒng)對(duì)外做功：第51頁(yè)第51頁(yè)系統(tǒng)對(duì)外做功：工作效率：第52頁(yè)第52頁(yè)三.抱負(fù)氣體逆卡諾循環(huán)（抱負(fù)致冷機(jī)）致冷機(jī)工作系數(shù)（致冷系數(shù)）：第53頁(yè)第53頁(yè)§1-10熱力學(xué)第二定律一.熱力學(xué)第二定律兩種表述問(wèn)題：工作系數(shù)能夠無(wú)窮大嗎？致冷機(jī)工作系數(shù)：假如工作系數(shù)無(wú)窮大，則W=0,Q2不為零，這相稱于無(wú)外界作用，熱量自發(fā)從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩?。這個(gè)過(guò)程不違反熱力學(xué)第一定律。第54頁(yè)第54頁(yè)熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述（1850年）：不也許把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它改變。熱量能夠自發(fā)從高溫物體傳到低溫物體（此即熱傳導(dǎo)過(guò)程），熱力學(xué)第二定律表明：熱傳導(dǎo)是不可逆，即熱傳導(dǎo)逆過(guò)程不能自發(fā)發(fā)生?？藙谛匏梗≧udolfClausius，1822-1888），德國(guó)物理學(xué)家，對(duì)熱力學(xué)理論有杰出奉獻(xiàn)，曾提出熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述和熵概念，并得出孤立系統(tǒng)熵增長(zhǎng)原理。他還是氣體動(dòng)理論創(chuàng)始人之一，提出統(tǒng)計(jì)概念和自由程概念，導(dǎo)出平均自由程公式和氣體壓強(qiáng)公式，提出比范德瓦耳斯更普遍氣體物態(tài)方程。第55頁(yè)第55頁(yè)問(wèn)題：工作效率可認(rèn)為1嗎？熱機(jī)工作效率：

工作效率為1，相稱于從高溫?zé)嵩次崃?，所有變成有用功。這個(gè)過(guò)程不違反熱力學(xué)第一定律。第56頁(yè)第56頁(yè)熱力學(xué)第二定律開(kāi)爾文表述（1851年）：不也許從單一熱源吸熱使之完全變成有用功而不引起其它改變。開(kāi)爾文（W.Thomson，1824-1907），原名湯姆孫，英國(guó)物理學(xué)家，熱力學(xué)奠基人之一。1851年表述了熱力學(xué)第二定律。他在熱力學(xué)、電磁學(xué)、波動(dòng)和渦流等方面卓有奉獻(xiàn)，1892年被授予開(kāi)爾文爵士稱號(hào)。他在1848年引入并在1854年修改溫標(biāo)稱為開(kāi)爾文溫標(biāo)。為了紀(jì)念他，國(guó)際單位制中溫度單位用“開(kāi)爾文”命名。開(kāi)氏表述指明：功變熱過(guò)程是不可逆。第57頁(yè)第57頁(yè)第二類永動(dòng)機(jī)：能夠從單一熱源吸熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響機(jī)器。第一類永動(dòng)機(jī)：不需要外界提供能量而能夠不斷對(duì)外做功。熱力學(xué)第二定律開(kāi)氏表述：第二類永動(dòng)機(jī)不也許造成。熱力學(xué)第一定律表述：第一類永動(dòng)機(jī)不也許造成。第58頁(yè)第58頁(yè)克氏表述和開(kāi)氏表述等效性證實(shí)：高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2卡諾熱機(jī)假設(shè)克氏表述不成立：最后后果：開(kāi)氏表述不成立第59頁(yè)第59頁(yè)高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2假設(shè)開(kāi)氏表述不成立：最后后果：克氏表述不成立逆卡諾熱機(jī)克氏表述和開(kāi)氏表述等價(jià)第60頁(yè)第60頁(yè)二.熱力學(xué)過(guò)程方向性和不可逆性熱力學(xué)第一定律闡明：各種形式能量（如做功和傳熱），在互相轉(zhuǎn)化過(guò)程中必須能量守恒，對(duì)過(guò)程方向沒(méi)有限制。熱力學(xué)第二定律闡明：與熱現(xiàn)象相關(guān)過(guò)程都有方向性。例子：

焦耳試驗(yàn)?zāi)孢^(guò)程不也許自發(fā)發(fā)生摩擦生熱逆過(guò)程不能自發(fā)發(fā)生熱傳導(dǎo)過(guò)程逆過(guò)程不能自發(fā)發(fā)生氣體自由膨脹節(jié)流過(guò)程氣體擴(kuò)散爆炸過(guò)程第61頁(yè)第61頁(yè)可逆過(guò)程：過(guò)程發(fā)生后，所產(chǎn)生影響能夠完全消除而令一切恢復(fù)原狀。例子：

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：抱負(fù)、無(wú)限緩慢、無(wú)摩擦阻力可逆過(guò)程。

有摩擦力準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：不可逆，不考慮這種過(guò)程。不可逆過(guò)程：一個(gè)過(guò)程發(fā)生后，無(wú)論用任何曲折復(fù)雜辦法都不也許把它留下后果完全消除掉而使得一切恢復(fù)原狀。第62頁(yè)第62頁(yè)§1-11卡諾定理所有工作在兩個(gè)一定溫度之間熱機(jī)，以可逆機(jī)效率最高。卡諾定理：證實(shí)：高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2AB第63頁(yè)第63頁(yè)設(shè)A為可逆機(jī)，現(xiàn)在要證實(shí)：高溫?zé)嵩碩1低溫?zé)嵩碩2AB用反證法。假設(shè)：不妨令,則由于A可逆，則能夠用B部分功W推動(dòng)A反向運(yùn)營(yíng)：結(jié)果：高溫?zé)嵩碩1不發(fā)生改變A、B通過(guò)循環(huán)后，工作物質(zhì)恢復(fù)原狀第64頁(yè)第64頁(yè)最后止果：對(duì)外做功：這違反熱力學(xué)第二定律開(kāi)氏表述。因此：不成立。故有：所有工作在兩個(gè)一定溫度之間可逆熱機(jī)，其效率相等?？ㄖZ定理推論：證實(shí)：A可逆：B可逆：第65頁(yè)第65頁(yè)§1-12熱力學(xué)溫標(biāo)抱負(fù)氣體卡諾循環(huán)是可逆，效率只和溫度（抱負(fù)氣體溫標(biāo)）相關(guān)。熱源熱源A所有工作在兩個(gè)一定溫度之間可逆熱機(jī)，其效率相等（卡諾定理推論）?？赡婵ㄖZ熱機(jī)效率只也許與兩個(gè)熱源溫度相關(guān)，而與工作物質(zhì)屬性無(wú)關(guān)。絕對(duì)溫度，與工作物質(zhì)屬性無(wú)關(guān)第66頁(yè)第66頁(yè)熱源熱源B熱源A熱源熱源B熱源熱源A+B第67頁(yè)第67頁(yè)現(xiàn)在引入一個(gè)溫標(biāo)，以T*標(biāo)識(shí)這種溫標(biāo)計(jì)量溫度，使得第68頁(yè)第68頁(yè)闡明：（1）兩個(gè)溫度比值是通過(guò)這兩個(gè)溫度之間工作可逆熱機(jī)與熱源互換熱量比值來(lái)定義。（2）與工作物質(zhì)特性無(wú)關(guān)，故T*不依賴于任何詳細(xì)物質(zhì)屬性，因此是絕對(duì)溫標(biāo)，稱為熱力學(xué)溫標(biāo)（或者開(kāi)爾文溫標(biāo)），單位為開(kāi)爾文（K）。#（3）上式只是擬定了兩個(gè)溫度比值，為完全擬定T*，令：第69頁(yè)第69頁(yè)熱源熱源可逆設(shè)和一定，則：絕對(duì)零度：愈小，愈小。絕對(duì)零度，它是一個(gè)極限溫度，其特點(diǎn)是：當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩礈囟融呌谶@個(gè)極限溫度時(shí)，傳給低溫?zé)嵩礋崃口呌诹?。?0頁(yè)第70頁(yè)此處和是用抱負(fù)氣體溫標(biāo)計(jì)量溫度。又由于：抱負(fù)氣體溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)一致性：因此有：以抱負(fù)氣體為工作物質(zhì)可逆卡諾熱機(jī)，有：即這兩個(gè)溫標(biāo)是一致，以后我們用同一個(gè)符號(hào)表示它們：T?？赡婵ㄖZ熱機(jī)效率：第71頁(yè)第71頁(yè)§1-13克勞修斯等式和不等式等號(hào)適合用于可逆熱機(jī)。不等號(hào)適合用于不可逆熱機(jī)，為何呢？卡諾定理反證法：T1T2AB讓B反向運(yùn)營(yíng)，則不可逆機(jī)A工作物質(zhì)在不可逆過(guò)程中產(chǎn)生后果被消除了，這違反了熱力學(xué)第二定律。W第72頁(yè)第72頁(yè)克氏等式和不等式以上是兩個(gè)熱源，現(xiàn)在考慮n個(gè)熱源情形：克氏等式和不等式第73頁(yè)第73頁(yè)克氏等式和不等式更普遍循環(huán)過(guò)程請(qǐng)注意：克氏等式和不等式中溫度是熱源溫度第74頁(yè)第74頁(yè)作業(yè)習(xí)題1,2,4,6,11,12,15,16,17習(xí)題18,20,23,24,25,26,27第一次作業(yè)第六周周四交到講臺(tái)上第二次作業(yè)第八周周二交到講臺(tái)上第75頁(yè)第75頁(yè)§1-14熵和熱力學(xué)基本方程可逆循環(huán)：注意：T是熱源溫度。定理：一個(gè)任意可逆循環(huán)能夠用無(wú)窮多個(gè)可逆卡諾循環(huán)去迫近。一.一個(gè)定理（見(jiàn)王竹溪“熱力學(xué)”第二版P83）證實(shí)下列：第76頁(yè)第76頁(yè)兩個(gè)相鄰卡諾循環(huán)，有共同絕熱路線，但是方向相反，故一連串卡諾循環(huán)總和就是鋸齒形回路，而共同絕熱線被抵消。對(duì)每一個(gè)小卡諾循環(huán)，有克氏等式：我們強(qiáng)調(diào)：工作物質(zhì)在熱源T1

吸熱時(shí)，工作物質(zhì)溫度為T(mén)1

，這樣就確保了工作物質(zhì)為等溫過(guò)程，同理，在熱源T2

吸熱時(shí)，溫度為T(mén)2

。NAMBP共同絕熱線第77頁(yè)第77頁(yè)NAMBPCFED第78頁(yè)第78頁(yè)利用熱力學(xué)第一定律：路線做功吸取熱量A