大學(xué)物理基礎(chǔ)教程（全一冊(cè)） 第3版 課件 第3章 熱學(xué)-熱力學(xué)基礎(chǔ)

第3章

熱學(xué)-熱力學(xué)基礎(chǔ)

教學(xué)內(nèi)容：

4.1熱力學(xué)第一定律的推導(dǎo)

4.2

幾個(gè)典型的熱力學(xué)過(guò)程4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)4.4

熱力學(xué)第二定律4.5

熵和熵增加原理

4.1

熱力學(xué)第一定律

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功熱量?jī)?nèi)能熱力學(xué)第一定律摩爾熱容非平衡態(tài)←快←無(wú)限緩慢接近平衡態(tài)1.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是理想化過(guò)程平衡即不變過(guò)程是變化一對(duì)矛盾？矛盾統(tǒng)一于“無(wú)限緩慢”

如何判斷“無(wú)限緩慢”？

平衡態(tài)破壞新的平衡態(tài)

2.弛豫時(shí)間

:系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)變到相鄰平衡態(tài)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

t過(guò)程

>>

：該過(guò)程就可視為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程所以無(wú)限緩慢只是個(gè)相對(duì)的概念。4.1熱力學(xué)第一定律氣體活塞砂子124.1熱力學(xué)第一定律2.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可用過(guò)程曲線來(lái)表示p－V圖上一點(diǎn)代表一個(gè)平衡態(tài)，p－V圖p0V等溫線等壓線等體線一條連續(xù)曲線代表一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。4.1.2

功熱量?jī)?nèi)能

系統(tǒng)狀態(tài)(內(nèi)能)改變的兩種方式做功可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)熱量傳遞可以改變系統(tǒng)的狀態(tài)1.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程功的計(jì)算注意：作功與過(guò)程有關(guān).系統(tǒng)對(duì)外界作正功dA>0系統(tǒng)對(duì)外界作負(fù)功dA<0功（過(guò)程量）

功是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的量度，它引起系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化.4.1熱力學(xué)第一定律2.熱量（過(guò)程量）

通過(guò)傳熱方式傳遞能量的量度，系統(tǒng)和外界之間存在溫差而發(fā)生的能量傳遞.（1）都是過(guò)程量：與過(guò)程有關(guān)；（2）等效性：改變系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作用相同；

（3）功與熱量的物理本質(zhì)不同.1cal=4.18J，1J=0.24

cal功與熱量的異同4.1熱力學(xué)第一定律3.內(nèi)能（狀態(tài)量）大量實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)從同一初態(tài)過(guò)渡到同一末態(tài)時(shí)，在各種不同的絕熱過(guò)程（與外界沒(méi)有熱量交換的過(guò)程）中，外界對(duì)系統(tǒng)所做的功是一個(gè)恒量，該功與具體實(shí)施的絕熱過(guò)程無(wú)關(guān)，僅由始、末狀態(tài)決定。根據(jù)絕熱功的特點(diǎn)，引入一個(gè)與系統(tǒng)的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的能量——內(nèi)能，當(dāng)系統(tǒng)絕熱地從初態(tài)過(guò)渡到末態(tài)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的絕熱功。內(nèi)能

E是一個(gè)由系統(tǒng)的狀態(tài)確定的函數(shù)，是態(tài)函數(shù)。內(nèi)能是狀態(tài)量，內(nèi)能的變化與經(jīng)歷過(guò)程無(wú)關(guān)。理想氣體的內(nèi)能只是溫度的單值函數(shù)。4.1熱力學(xué)第一定律

4.熱力學(xué)第一定律

1）能量轉(zhuǎn)化和守恒定律自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同的形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，從在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程中其數(shù)量不變。物理意義a.包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒定律。第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的。b.實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，自然界的普遍規(guī)律。4.1熱力學(xué)第一定律

永動(dòng)機(jī)的設(shè)想圖3）第一定律的符號(hào)規(guī)定+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對(duì)外界做功外界對(duì)系統(tǒng)做功

4）摩爾熱容

在一定過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)的溫度升高或降低1K（或1℃）時(shí)所吸收或放出的熱量稱為系統(tǒng)在該過(guò)程中的熱容，單位為焦每開(kāi)，符號(hào)為J/K。4.1熱力學(xué)第一定律2）熱力學(xué)第一定律

系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量與外界對(duì)系統(tǒng)做功之和。元過(guò)程對(duì)理想氣體3.第一定律的符號(hào)規(guī)定+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對(duì)外界做功外界對(duì)系統(tǒng)做功

4.摩爾熱容

在一定過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)的溫度升高或降低1K（或1℃）時(shí)所吸收或放出的熱量稱為系統(tǒng)在該過(guò)程中的熱容，單位為焦每開(kāi)，符號(hào)為J/K。摩爾熱容：在一定過(guò)程中，1mol物質(zhì)溫度每升高或降低1K（或1℃）時(shí)所吸收或放出的熱量。摩爾熱容用表示，其定義式為：如果在過(guò)程中系統(tǒng)的體積不變，則此熱容為定體熱容，如果壓強(qiáng)不變則為定壓熱容。4.1熱力學(xué)第一定律物體的熱容、摩爾熱容、比熱容的關(guān)系

4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程

1.等體過(guò)程

摩爾定容熱容2.

等壓過(guò)程摩爾定壓熱容3.等溫過(guò)程4.

絕熱過(guò)程

計(jì)算各等值過(guò)程的熱量、功和內(nèi)能的理論基礎(chǔ).（1）（理想氣體）

（2）解決過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的問(wèn)題（3）（理想氣體的狀態(tài)函數(shù)）（4）各等值過(guò)程的特征、

過(guò)程方程.4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程4.2.1等體過(guò)程摩爾定體熱容由熱力學(xué)第一定律得：特征常量過(guò)程方程常量p-V圖功摩爾定體熱容:

理想氣體在等體過(guò)程中吸收熱量，使溫度升高,其摩爾定體熱容為:單位理想氣體4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程p-V圖單位理想氣體由熱力學(xué)第一定律知?jiǎng)t4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程4.2.2等壓過(guò)程摩爾定壓熱容過(guò)程方程常量由熱力學(xué)第一定律特性常量

功12Ap-V圖

摩爾定壓熱容:

理想氣體在等壓過(guò)程中吸收熱量，溫度升高，其摩爾定壓熱容為：4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程

可得摩爾定壓熱容和摩爾定體熱容的關(guān)系12Ap-V圖三個(gè)量：摩爾熱容比

4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程氣體種類(lèi)

實(shí)驗(yàn)值氣體類(lèi)別理論值Cp,mCv,mCp,m-Cv,mγCp,mCv,mγ單原子分子He20.7912.528.271.66單原子分子20.7812.471.67Ne20.7912.688.111.64Ar20.7912.458.341.67雙原子分子H228.8220.448.381.41剛性雙原子分子29.0920.781.40N229.1220.808.321.40O229.3720.988.391.40彈性雙原子分子37.3929.091.39CO29.0420.748.301.40多原子分子CO236.6228.178.451.30剛性非線型多原子分子33.2424.931.33N2O36.9028.398.511.31H2S36.1227.368.761.32彈性非線型多原子分子58.1749.861.17H2O36.2127.288.391.30表3-1

幾種氣體的的理論值和實(shí)驗(yàn)值4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程4.2.3.等溫過(guò)程由熱力學(xué)第一定律特征常量過(guò)程方程常量12p-V圖內(nèi)能4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程4.2.4

絕熱過(guò)程與外界無(wú)熱量交換的過(guò)程1.特征2.內(nèi)能變化12p-V圖由熱力學(xué)第一定律有12Ap-V圖4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程3.功由熱力學(xué)第一定律有12Ap-V圖若已知及由可得4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程3.功4.絕熱過(guò)程方程的推導(dǎo)12p-V圖分離變量得常量絕熱

方程常量常量常量4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程5.絕熱線和等溫線比較1.絕熱過(guò)程曲線的斜率常量2.等溫過(guò)程曲線的斜率常量

絕熱線的斜率大于等溫線的斜率.ABC常量p-V圖4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程例題4-1一氣缸中儲(chǔ)有氮?dú)?，質(zhì)量為1.25kg.在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下緩慢地加熱，使溫度升高1K.試求氣體膨脹時(shí)所作的功A,氣體內(nèi)能的增量△E,以及氣體所吸收的熱量Qp,（活塞的質(zhì)量以及它與氣缸壁的摩擦均可略去）.解：由于過(guò)程等壓，所以內(nèi)能的變化為氣體吸收的熱量為4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程例4.2

設(shè)有1mol

的氫氣，最初溫度，壓強(qiáng)，求下列過(guò)程中把氫氣壓縮為原體積的1/10

需作的功:（1）等溫過(guò)程（2）絕熱過(guò)程（3）經(jīng)這兩過(guò)程后，氣體的壓強(qiáng)各為多少？12常量解（1）等溫壓縮過(guò)程（2）氫氣為雙原子氣體

已知：

由表查得，有4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程（3）對(duì)等溫過(guò)程對(duì)絕熱過(guò)程，有12常量4.2典型的熱力學(xué)過(guò)程

統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變化狀態(tài)過(guò)程后，又回到原來(lái)的狀態(tài)的過(guò)程叫熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程.由熱力學(xué)第一定律特征

1.循環(huán)過(guò)程

ABp-V圖凈功總吸熱凈吸熱總放熱（取絕對(duì)值）2Q4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)

1.

循環(huán)過(guò)程2.

熱機(jī)效率3.

制冷系數(shù)4.

卡諾循環(huán)4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)熱機(jī)熱機(jī)效率高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碅B2.熱機(jī)效率1)熱機(jī)（正循環(huán)）4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)致冷機(jī)致冷系數(shù)致冷機(jī)AB高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?.致冷機(jī)（逆循環(huán)）4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)

卡諾循環(huán)是由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫過(guò)程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程組成AABCD卡諾熱機(jī)低溫?zé)嵩碩2高溫?zé)嵩碩121TT>1824年法國(guó)的年青工程師卡諾提出一個(gè)工作在兩熱源之間的理想循環(huán)——卡諾循環(huán).給出了熱機(jī)效率的理論極限值；他還提出了著名的卡諾定理.4.卡諾循環(huán)

4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)a.理想氣體卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的計(jì)算

A—B

等溫膨脹卡諾循環(huán)AABCD

D—A

絕熱壓縮過(guò)程B—C

絕熱膨脹過(guò)程

所以C—D

等溫壓縮卡諾熱機(jī)效率4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)

D—A

絕熱過(guò)程B—C

絕熱過(guò)程

所以卡諾熱機(jī)效率

卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高.

4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)AABCDb.卡諾致冷機(jī)（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)高溫?zé)嵩碩1卡諾致冷機(jī)低溫?zé)嵩碩24.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)例題4.3

一定量的某單原子分子理想氣體，經(jīng)歷如圖所示的循環(huán)，其中AB為等溫線.已知求熱機(jī)效率.解：循環(huán)由3個(gè)分過(guò)程組成：⑴A→B為等溫膨脹過(guò)程，

吸收熱量⑵

B→C為等壓壓縮降溫過(guò)程，＜0

放出熱量⑶

C→A為等體增壓升溫過(guò)程，A=0，

吸熱：由B→C的（等壓）過(guò)程方程知所以有4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)

放出熱量⑶

C→A為等體增壓升溫過(guò)程，A=0，吸熱由B→C的等壓過(guò)程方程知所以有單原子分子理想氣體的摩爾定容熱容循環(huán)中，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次鼰嵯虻蜏責(zé)嵩捶艧釤釞C(jī)效率為4.3循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán)4.4熱力學(xué)第二定律4.4.1

熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容4.4.2

可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程4.4.3熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)4.4.4卡諾定理一、第二定律的提出1.功熱轉(zhuǎn)換的條件，第一定律無(wú)法說(shuō)明.2.熱傳導(dǎo)的方向性、氣體自由膨脹的不可逆性問(wèn)題，第一定律無(wú)法說(shuō)明.4.4.1

熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容

二、熱力學(xué)第二定律的兩種表述

1.開(kāi)爾文表述不可能制造出這樣一種循環(huán)工作的熱機(jī)，它只使單一熱源冷卻來(lái)做功，而不放出熱量給其它物體，或者說(shuō)不使外界發(fā)生任何變化.

等溫膨脹過(guò)程是從單一熱源吸熱作功，而不放出熱量給其它物體,但它是非循環(huán)過(guò)程.12A

A等溫膨脹過(guò)程低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩纯ㄖZ熱機(jī)AABCD卡諾循環(huán)是循環(huán)過(guò)程，但需兩個(gè)熱源，且使外界發(fā)生變化.

雖然卡諾致冷機(jī)能把熱量從低溫物體移至高溫物體，但需外界作功且使環(huán)境發(fā)生變化.高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩纯ㄖZ致冷機(jī)AABCD2.克勞修斯表述

不可能把熱量從低溫物體自動(dòng)傳到高溫物體而不引起外界的變化.注意

1

熱力學(xué)第二定律是大量實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié).3熱力學(xué)第二定律可有多種說(shuō)法，每種說(shuō)法都反映了自然界過(guò)程進(jìn)行的方向性.2

熱力學(xué)第二定律開(kāi)爾文說(shuō)法與克勞修斯說(shuō)法具有等效性.4.4.2可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程的定義：

一個(gè)系統(tǒng)，由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài)，如果存在另一過(guò)程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原（系統(tǒng)回到原來(lái)狀態(tài)并消除了原來(lái)過(guò)程對(duì)外界的一切影響），則原來(lái)的過(guò)程稱為可逆過(guò)程；

反之，如果用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則稱為不可逆過(guò)程.克勞修斯表述：

說(shuō)明了熱量的傳遞過(guò)程是不可逆的。

如要把熱量由低溫物體傳遞給高溫物體，非要由外界對(duì)它做功不可，而由于外界做功的結(jié)果，外界的環(huán)境就要發(fā)生變化.

高溫物體能自動(dòng)地把熱量傳遞給低溫物體，而低溫物體不可能自動(dòng)地把熱量傳遞給高溫物體.

例如摩擦做功可以把功全部轉(zhuǎn)化為熱量，而熱量卻不能在不引起其它變化的情況下全部轉(zhuǎn)化為功.

如果把功轉(zhuǎn)為熱作為正過(guò)程，熱轉(zhuǎn)化為功作為逆過(guò)程，那么在不引起其它變