熱學(xué)3 實驗班.ppt

1、1 .第三，熱機的熱能(動能)可轉(zhuǎn)換為機械能(功)的機械能無序運動的能量機械能有序運動的能量熱機將無序運動的能量轉(zhuǎn)換為有序動能的機械目的是， 將無序動能轉(zhuǎn)化為有序動能的規(guī)則1 .準靜態(tài)過程的工作準靜態(tài)過程研究準靜態(tài)過程概念即非靜態(tài)過程：擴散、不等溫傳熱、氣體自由膨脹。 2、準靜態(tài)過程：等溫傳熱，3、注意(1)準靜態(tài)過程在理想過程的現(xiàn)實生活中沒有嚴格的準靜態(tài)過程，但是有很多近似的準靜態(tài)過程。 (2)過程產(chǎn)生的原因：各處的t、p、組成()有差異。 a各處的差異小的準靜態(tài)進程，如果b各處的差異有限，則會有非靜態(tài)進程。 (3)有關(guān)緩慢感性的例子：汽車內(nèi)燃機中氣體的周期運動可以視為緩慢。 煤氣經(jīng)驗的過程

2、可以看作是準靜態(tài)的過程。 非靜態(tài)進程：當然。 準靜態(tài)過程的體積變化功的定義：在力學(xué)相互作用過程中，由于廣義位移的存在，系統(tǒng)和外部交換的能量。 (4)要點： (1)力學(xué)相互作用是指系統(tǒng)與外界的相互作用或電磁的或機械的。 (2)系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)一般會發(fā)生宏觀位移或失真，系統(tǒng)一般會有廣義位移)例：壓縮氣體系統(tǒng)。 加熱氣體系統(tǒng)(體積不變)。 5、體積變化功：系統(tǒng)體積變化產(chǎn)生的功。 (3)工作是過程量。 不能說系統(tǒng)的一個平衡狀態(tài)有多少工作。 過程量，狀態(tài)量： p，t，U (4)功的符號定義：外界對系統(tǒng)成功的系統(tǒng)對外界成功。 準靜態(tài)過程體積變化功的修正計算準靜態(tài)過程條件：外部給予系統(tǒng)的原功：注釋： (1)

3、中的量都是系統(tǒng)的狀態(tài)量。 很方便。 (2)任意形狀系統(tǒng)的元功也可以用這樣的形式表示。 (3)有限過程的體積變化功，帶橫線表示沿某一路徑的無限小變化。 啊(工作與變化無關(guān)的非狀態(tài)函數(shù))，6，(4)工作在PV圖中的意義。 PV圖上的一點表示PV圖上的任何曲線表示非靜態(tài)進程是否顯示在PV圖上。 循環(huán)過程的工作在PV圖中有意義嗎？ 理想氣體等溫過程中工作的修正。 抑制(準靜態(tài)過程)溫度t的摩爾理想氣體，經(jīng)由體積的等溫過程。 修改外部給予系統(tǒng)的工作。 7、修正計算：2.過程熱的定義：系統(tǒng)與外界通過溫差交換的能量，稱為外界向系統(tǒng)傳遞的熱量。 注意：1)熱量是過程量。 2 )系統(tǒng)和外界需要溫差。 3 )系統(tǒng)

4、從外界吸熱是正的，系統(tǒng)向外界散熱是負的。 4 )系統(tǒng)和外部交換能量的方式只有工作w、熱傳遞q 2種。 8、能量守恒定律(熱力學(xué)第一定律)永遠成立的3個守恒定律：能量守恒、動量守恒、電荷守恒。 系統(tǒng)從初始平衡狀態(tài)1變?yōu)樽罱K平衡狀態(tài)2，在此過程中從外部向系統(tǒng)傳輸q，使系統(tǒng)工作。 系統(tǒng)初始狀態(tài)的內(nèi)能，系統(tǒng)最終狀態(tài)的內(nèi)能，如果是9，在這個過程中必須滿足能量守恒定律：對于一個原始過程，第一類永久動機是不能實現(xiàn)的。 不從外部獲得能量，總是向外部輸出功能的機器。 3 .理想氣體絕熱準靜態(tài)過程的特征是怎樣研究的？ 大家已經(jīng)有足夠的知識研究這個問題。 研究方法：微細胞法。 該過程的特征：1)理想氣體： 3 PV

5、=NkT，U(1/2)kTaN 2)能量轉(zhuǎn)換和保存： )絕熱過程：4)準靜態(tài)過程：解：10，整理得到。 物體對熱的容納能力。 物體上升的每單位溫度吸收的熱量越多，對該熱量的收容能力越大。定義：系統(tǒng)在特定過程中吸收的熱量除以系統(tǒng)上升的溫度。 注意： (1)熱容量為過程量。 (2)摩爾熱容量。 物質(zhì)系統(tǒng)1摩爾的若干容量(3)比熱。 單位質(zhì)量體系熱容量的例子：沿海地區(qū)的氣候和沙漠地區(qū)的氣候不同。 例：理想氣體在等容過程中的熱容量是多少？ 例如：理想氣體在等壓過程中的熱容量有多少，12、物質(zhì)的等容熱容量理想氣體的等容熱容量U(1/2)kTaN，13、物質(zhì)的等壓熱容量理想氣體的等壓熱容量PV=NkT，U

6、=(1/2)kTaN 2)絕熱過程特征的其他表現(xiàn)形式：4.熱機為熱能(內(nèi)能) 可以轉(zhuǎn)換為機械1 )構(gòu)成熱機的要素和熱機熱學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)a工作裝置b工作物質(zhì)c熱源(2個以上的熱源)機械工作的特征：循環(huán)過程。 研究方法1 :機器如何(工程師的工作)研究方法2 :機器的熱學(xué)性質(zhì)(我們關(guān)心的)問題：如何對熱機的熱學(xué)性質(zhì)做出反應(yīng)回答：工作物質(zhì)的循環(huán)過程對熱機的熱學(xué)性質(zhì)做出反應(yīng)。 工作物質(zhì)的循環(huán)過程代表整個熱機。15、蒸汽機、16、內(nèi)燃機循環(huán)過程視頻、17、1、18、2 )觀察熱機工作原理(卡諾循環(huán)、卡諾熱機)的工作物質(zhì)：理想氣體。 卡諾循環(huán)：是由兩個絕熱過程和兩個等溫過程組成的可逆循環(huán)過程。 圖： A B

7、 C D A認識到熱源：的等溫過程一定是熱源的溫度為等溫過程的溫度。 熱機的工作原理AB過程：結(jié)論：該過程系統(tǒng)必須從外部熱源() 吸收熱CD過程19，結(jié)論：該過程系統(tǒng)為外部熱源()熱ABCDA循環(huán)過程為ABCDA循環(huán)曲線包圍的面積結(jié)論：該循環(huán)過程可從高溫?zé)嵩次諢?，可將該熱的一部分轉(zhuǎn)換為工作的ABCDA 結(jié)論在PV圖中，每個時變循環(huán)過程都表現(xiàn)為熱機。 注意：該循環(huán)具有無限熱源3 )熱機的效率熱機將熱能轉(zhuǎn)換為功的能力。 對于只有兩個熱源的熱機，20，效率定義： (關(guān)于一個循環(huán))討論： a效率的另一種表現(xiàn)形式：問題：熱機效率等于或解析：效率為1時。 即，等價于沒有熱源T2。 這個循環(huán)只有一個熱源T

8、1。 這永遠不可能。 b多熱源循環(huán)過程的效率的定義： (1個循環(huán))從所有高溫?zé)嵩次盏臒崃恐汀?所有低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃恐汀?4 )卡諾熱機效率的具體校正計算。 21、修訂如下： 12個過程： 34個過程：效率：22個，(4)絕熱過程： 41個絕熱過程： 23個絕熱過程：討論：提高熱機效率的手段： a提高高溫?zé)嵩礈囟取?b降低低溫?zé)嵩吹臏囟葴p少c摩擦減少d泄漏熱。 5 )修正汽油發(fā)動機的效率，23，1，24，效率(1) 23過程，修正方法1 :熱容量的定義，方法2 :熱力學(xué)第一定律，(2)41過程，(3)修正汽油發(fā)動機的效率：() (輸送過程)輸送的物理量：熱傳導(dǎo)能量擴散粒子； 粘性宏觀動量

9、。 1 .只討論近平衡非平衡過程的運輸現(xiàn)象。 例如：在與熱傳導(dǎo)說明：的差較小的情況下，宏觀小微觀大的任何小區(qū)域都可以近似地看作平衡狀態(tài)(局部平衡狀態(tài))。 是整個系統(tǒng)還是非平衡狀態(tài)。 整個系統(tǒng)幾乎是平衡的非平衡狀態(tài)。 27、微觀大?。哼@個小區(qū)域仍然含有很多分子，可以構(gòu)成熱學(xué)系統(tǒng)的宏觀?。哼@個小區(qū)域幾乎可以視為平衡狀態(tài)，對整個系統(tǒng)的空間不均勻性作出反應(yīng)。2三個運輸現(xiàn)象的宏觀規(guī)律1 )粘性現(xiàn)象的宏觀規(guī)律(牛頓粘性規(guī)律)的例子：雨從上空落到地面的過程受到粘性力。 雨從幾萬米的上空下來，到達地面的速度如何：水中運動的物體受到粘性力。 粘性力是物體在流體中運動時受到的摩擦力固體在固體表面運動的摩擦力，固體

10、(流體)在流體中運動的摩擦力(1)是最簡單情況下的粘性規(guī)律(穩(wěn)態(tài)層流)層流：只研究流體的層流流動。 相鄰質(zhì)點的軌跡線相互稍有差異，不同流體的軌跡線相互不混合。 /水管中的水流、層流。 反例：湍流、28、雨粒落下問題的研究假設(shè)雨粒從h高處落到地面，求出雨粒落到地面時的速度結(jié)論：雨粒在落下過程中，受到與落下方向相反的粘性力。29、圖穩(wěn)定層流：各層流速不變的層流。 例如圖，30，接近平衡的非平衡狀態(tài)(2)牛頓粘性規(guī)律力的方向，力的正方向和宏觀速度方向一致，研究了流速快的層受力。 31、牛頓粘性規(guī)律的另一種表現(xiàn)形式：綜合觀察上層增加的(負的)定向動量上層增加的(正的)定向動量下層增加的(正的)定向動量

11、，定向動量從上層流向下層。 動量的輸送。 動量流密度：將每單位時間通過每單位面積的橫截面輸送的動量滿足牛頓粘性規(guī)則的流體稱為牛頓流體(水)。 不滿意的非牛頓流體(血漿)。 (3)氣體粘性的微觀機制(常壓下的氣體)結(jié)論： a宏觀動量在各局部平衡狀態(tài)下實現(xiàn)宏觀動量的傳輸. b相鄰局部平衡狀態(tài)之間宏觀動量的輸送機制。 熱運動實現(xiàn)，32，33，運動量輸送機制：熱運動-交通工具宏觀運動量-貨物，34，(4)泊肅葉定理方法1 :維分析，35，方法2 :牛頓粘性定理推導(dǎo)(1)力學(xué)平衡條件： (2) rr dr薄圓柱層，dt時間流出的流體體積(dt時間內(nèi)從管整體流出的液體的體積為36、1、37、(3)斯托克斯

12、定律的目的：固體小球在液體或氣體中受到的粘合力，或者液體小球是氣體的研究法則內(nèi)容例1 :將雨的半徑設(shè)為r，將空氣的粘性設(shè)為。 求雨滴落到地面的速度的水的密度=1000kg/立方米水滴半徑空氣粘度，38，例2 :測量液體粘度的方法，39，2 )擴散現(xiàn)象的宏觀規(guī)則定義：由于分子的熱運動，粒子從數(shù)密度高的地方向數(shù)密度低的地方移動的現(xiàn)象。 /氣體向真空的膨脹過程。 是擴散嗎？ 例：相互擴散，例：自擴散的特征：無分子集團的宏觀遷移，至少需要兩種物質(zhì)。 菲克定律分子流密度：每單位時間的單位面積分子數(shù)，40，氣體擴散的微觀機制接近平衡的非平衡狀態(tài)3 )熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的宏觀定律熱傳導(dǎo)與其他熱傳導(dǎo)方式的區(qū)別熱傳導(dǎo)方

13、式：對流、輻射、熱傳導(dǎo)a對流的特征：需要介質(zhì)，介質(zhì)有宏觀運動。 暖氣為什么放在房間下面？/空調(diào)為什么放在房間上面？b輻射的特征：不需要介質(zhì)(為什么)。 原因：放射(光子系統(tǒng))本身就是物質(zhì)。 /太陽光，用火爐烤火。 c熱傳導(dǎo)的特點：需要介質(zhì)，介質(zhì)無宏觀運動。 例如：右圖，41，熱傳導(dǎo)的傅里葉定律熱流密度：根據(jù)每單位時間流過單位面積的熱量熱傳導(dǎo)系數(shù)材料的性質(zhì)決定熱傳導(dǎo)的微觀機制a氣體b固體，42，接近平衡的非平衡狀態(tài)3氣體分子的平均自由程：接近分子碰撞平衡的非平衡狀態(tài)近似說明3個輸送現(xiàn)象。 沖突在運輸過程中很重要的例子：為什么遠距離打開香水瓶，聞香水的氣味需要很長時間？擴散過程分析：距離10米，分

14、子熱運動平均速度400米/秒，時間10/4000.025秒。但是，所需時間估計為60秒。 差是3000倍。 為什么？ 因為必須考慮分子之間的沖突。 見后圖，43，如何研究分子碰撞？ 關(guān)于分子沖突我們想知道那些信息嗎？ 問題：不知道某個時刻的分子在哪里與哪個分子發(fā)生沖突，沖突后的速度如何，也不在意。 牛頓力學(xué)研究手段。 我不在乎分子沖突的具體問題。 關(guān)注分子碰撞的哪些信息？關(guān)注分子碰撞的平均效應(yīng)、分子碰撞的統(tǒng)一規(guī)律。 反應(yīng)為碰撞截面、平均碰撞頻率、平均自由行程。 熱學(xué)的研究手段1 )碰撞斷面可以說是反應(yīng)分子間相互作用力的強弱的物理量。 定義：44，問題：這個碰撞截面是a分子的，b分子的，a對b分

15、子的，b對a分子的碰撞截面的問題： a和b之間的相互作用力變大，碰撞截面怎樣變化？盧瑟福實驗概念的延長例：有效直徑分別是d1，d2的兩個剛性分子碰撞，求其碰撞截面45、分子間平均碰撞頻率定義：平均每單位時間某分子與其他分子的平均碰撞次數(shù)。 假設(shè)由分子2組成的氣體系統(tǒng)，分子數(shù)密度為n，現(xiàn)在分子1進入該系統(tǒng)，設(shè)分子1相對于分子2的平均相對速度為分子2相對于分子1的碰撞截面。 求出分子2的平均碰撞頻率。 (近似的方法)例：如上所述，如果分子1是分子2氣體系中的某個分子。 求出平均碰撞頻率，46，平均自由程自由程：某分子連續(xù)碰撞2次之間所走的路程。 為什么稱為自由程：分子間作用力為短距離力，2次碰撞間

16、分子為自由，不受力的作用。 特點：偶然，對隨機效果作出反應(yīng)。 平均自由程：平均來說，分子連續(xù)兩次碰撞之間所走的路程。 理解： (1)被認為是某分子的自由行程在無限多重沖突中的平均值。 (2)也可以認為是無限多數(shù)分子在一次沖突中的平均值。 (3)平均來說，任何分子都會走的路程發(fā)生沖突。 (4)反應(yīng)是必然的、統(tǒng)一的、集體的效應(yīng)。 決定運輸中允許運輸?shù)呢浳镔|(zhì)量或平均自由程，相當于監(jiān)督運輸過程的執(zhí)法機構(gòu)。 47、48、平均自由行程運輸過程的監(jiān)督管理部門，對于通過某一斷面的運輸，平均自由行程決定了貨物的質(zhì)量。 平均自由行程決定了裝載在哪里，裝載在哪里。 總結(jié)：在所有運輸現(xiàn)象中，宏觀運輸現(xiàn)象由各局部平衡狀態(tài)完成，貨物從一個局部平衡狀態(tài)運輸?shù)搅硪粋€局部平衡狀態(tài)。 在所有的運輸現(xiàn)象中，相鄰的兩個局部平衡態(tài)的運輸機制：交通工具熱運動貨物分別為分子的宏觀動量、分子、分子的能量運輸?shù)谋O(jiān)管部門平均自由程(分子間碰撞)，49，例如：求平衡態(tài)的簡單氣體的平均自由程，將氣體壓力設(shè)為p，將溫度設(shè)為t，將碰撞截面設(shè)為t 解： a平均而言，某分子在單位時間內(nèi)的路徑