热统课件总结第一章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Klicken Sie,um das Titelformat zu bearbeiten,Klicken Sie,um die Formate des Vorlagentextes zu bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten,Textmasterformate durch Klicken bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,*,页,天津师范大学物电学院,第一章热力学的基本定律,天津师范大学物理与电子 信息学院,热力学,.,统计物理,(Thermodynamic and Statistical Physics),1,导,言,一.热力学与统计物理学的研究任务,研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化。,二.热力学与统计物理学的研究方法有什么特点？,热力学不考虑物质的微观结构，而是从实验总结,的定律出发经过严密的逻辑推理得到物体宏观热性质,间的联系，从而揭示热现象的有关规律。,统计物理从物质的微观结构出发，考虑微观粒子,的热运动，通过求统计平均来研究宏观物体热性质与热,现象的有关规律。,2,两种研究方法存在着各自的优缺点，在实际研究中，需要,互为补充，相辅相成。,三.本课程的特点和要求,作为,宏观理论,与,微观理论,的结合，热力学与统计物,理学是一个比较好的例子。其中统计物理的部分与当代,物理学前沿的很多内容结合较紧。,数学上不是太难，但是需要补充一些,概率论,方面的,知识，重要的是把握好物理模型的构建，以及概念之间,的相互关系，学习中重点领会其中的物理思想和物理方,法。,3,微观粒子,观察和实验,出 发 点,热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质,二者关系,无法自我验证,不深刻,缺 点,揭露本质,普遍，可靠,优 点,统计平均方法,力学规律,总结归纳,逻辑推理,方 法,微观量,宏观量,物 理 量,热现象,热现象,研究对象,微观理论,（统计物理学）,宏观理论,（热力学）,4,第一章 热力学的基本定律,(The Fundamental Law of Thermodynamics),5,1.1平衡态,及其,描述,(Equilibrium State),一、系统的分类,热力学系统、外界,有无能量交换,有无物质交换,系统种类,无,无,孤立系,有,无,闭系,有,有,开系,二、,热力学平衡,态,在不受外界影响的条件下，系统的各种宏观性质不随,时间变化的状态为热力学平衡态。,1,.,驰豫,过程,与驰豫时间；2.,热动平衡,；3.忽略涨落,4.非孤立系的平衡态。,6,1.,状态参量,2.状态函数,3.描述热力学平衡态的参量（四类基本参量）,几何参量：体积,力学参量：压强,化学参量：分子组分的质量或物质的量,电磁参量：电场强度、电极化强度、磁场强度、,磁化强度,4.,简单系统,三、状态函数,四,、相,一个物理性质均匀的系统称为一个相。根据相的数量，,可以分为单相系和复相系。,7,1.2热平衡定律及温度,一、热平衡定律(热力学第零定律,）,绝热壁和透热,壁,如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们,彼此也处在热平衡.,c,a,b,c,a,b,推论：一切互为热平衡的系统具有相同的温度,8,若,A,与,B,平衡，则有,：,B,与,C,平衡，有,：,由热平衡定律，,A,与,B,平衡,，,故：,二、态函数温度,9,存在着态函数,g(,p,V,),用来表征系统热平衡状态下的特征，经验表明，这就是系统的温度。,三.温度计与温标,1.经验温标：凡是以某物质的某一属性随冷热程度的变化为依据而确定的温标称为经验温标。,2.理想气体温标：,3,.热力学温标：,不依赖任何具体物质特性的温标。,在理想气体可以使用的范围内，理想气体温标与热力学温标是一致的。,10,1.3,物态方程,(Equation of State),物态方程是温度与状态参量之间的函数关系的方程。对于简单系统：有,f,(,p,V,T,)0,常用物理量及其关系,11,12,物态方程的具体形式：,1.气体的物态方程.,在热力学中，可以通过玻马定律、阿氏定律、理想气体温标确定理想气体状态方程,选择具有固定质量的理想气体经过一个等容过程和一个等温过程，由,变到,，其中,13,14,2.,实际气体的状态方程,范德瓦尔斯方程：,(van,der,Waovls,),昂尼斯方程：,(,Onnes,),15,3.,简单的固体和液体,（已知：,、,T,),V,(,T,P,)=,V,0,(,T,0,0)1+,(,T,-,T,0,),T,p,4.,顺磁介质：,=C,H,/T (,居里定律,),四.广延量和强度量,与系统的质量或物质的量成正比，称为广延量，如质量，物质的量，体积和总磁矩,.,与质量或物质的量无关，称为强度量，如压强，温度和磁场强度,.,16,1,.系统从一个状态（平衡态或非平衡态）变化到另一个状态的过程叫,热力学过程,.,1.4准静态过程与功,（,Quasi-static process and Work,）,一.准静态过程,2.准静态过程：过程进行得足够的缓慢，以至于在过程的每一时刻，系统都处于平衡态。,比如：气体膨胀做功（气体盛在带有活塞的圆筒中）,无磨擦力的准静态过程：外界的作用力可用系统的状态参量描述。,有磨擦力的准静态过程：外界的作用力不可用系统的状态参量描述。,非准静态过程，系统的平衡态受到破坏。,弛豫时间：气体重新恢复平衡所需的时间。如果气体体积改变所经历的时间大于弛豫时间，则在体积改变的过程中，气体便有足够的时间恢复平衡，这个过程就可以看作准静态过程。,17,二.准静态过程的功,1.,体积功：活塞向右移动，,活塞向左移动，,有限过程，,外界在准静态过程中对系统所作的功就等于,p,-,V,曲线,p,=,p,(,V,),下方面积的值。作功与过程有关。,18,2.,面积变化功,面积功：边框向右移动，,边框向左移动，,19,3,极化功：当将电容器的电荷量增加,时外界所作的功为,外界所作的功可以分成两部分，第一部分是激发电场作的功，,第二部分是使介质极化所作的功。,当热力学系统不包括电场时，只须考虑使介质极化作的功。,20,4,磁化功：外界电源为克服反向电动势，在,时间内外界作的功为,外界所作的功可以分成两部分，第一部分是激发磁场作的功，,第二部分是使介质磁化所作的功。当热力学系统不包括磁场时，,只须考虑使介质磁化作的功。,21,各种类型的功,1.体积变化功,2.液体表面膜面积变化功,3.电介质的极化功,4.磁介质的磁化功,5.一般情况下，准静态中，外界对系统所作的功为正功。,22,几种常用的广义功和与之对应的广义力、外参量,广义力,外参量,体积功,面积功,极化功,磁化功,广义功,23,1.5,热力学第一定律,(the First Law of Thermodynamics),一.焦耳实验,绝热过程：系统状态的变化完全是由于机械作用或电磁作用,的结果而没有受到其它影响。,二.态函数内能,内能的微观解释：,内能是系统中分子无规运动的能量总和的统计平均值。内能,是态函数，功和热量都不是态函数，而是过程函数（量）。,24,三.热力学第一定律,如果系统经历的是非绝热过程，则,绝热系统是与外界无热交换的系统：,孤立系统与外界既无热交换，也无能量传递：,热量的本质：当系统与外界无作功的相互作用时，热量是,系统内能变化的量度。规定系统吸收热量为正。,四.第一类永动机不可能造成。,25,1.6 热容量与焓,(Heat Capacity and Enthalpy),一.热容量定义：系统在热力学过程中，升高1,K,所吸收的热量,1.定容热容量：,2.定压热容量：,3.焓：定义态函数,由热力学第一定律,定压过程中，,26,1.7 理想气体内能,取,T,、,V,为状态参量，由,U,=,U,(,T,V,),（焦耳定律）,代入得：,对于绝热自由膨胀，,U,不变，焦耳由实验,得：,27,对于理想气体,28,1.8 理想气体绝热过程,29,某一气体的,值可以通过测量在该气体中的声速确定,30,1.9 理想气体卡诺循环,(The,Carnot,Cycle of an Idea Gas),一.卡诺循环,1.准静态等温过程,由焦耳定律,：,2.准静态绝热过程,3.卡诺循环,V,p,a.,等温膨胀,b.,绝热膨胀,c.,等温压缩,d.,绝热压缩,循环效率,：,31,逆卡诺热机效率,：,1.10热力学第二定律,(The Second Law of Thermodynamics),一.,克劳修斯表述：,不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化.,开尔文（汤姆孙）表述：,不可能从单一热源吸收热量使之完全变成有用的功而不引起其它变化.,另一种开氏表述,：第二类永动机不可能造成.,32,33,二.可逆过程与不可逆过程,不可逆过程：,如果一个过程发生后,不论用任何曲折复杂的方法 都不可能使它产生的后果完全消除而使一切恢复原状。,可逆过程：,如果一个过程发生后，它所产生的后果可以完全消除而令一切恢复原状。,热力学第二定律指出：,第一，摩擦生热和热传导的逆过程不可能发生,这就说明摩擦生热和热传导等过程是具有方向性的,;,第二,这些过程一经发生,就在自然界留下它的后果，无论用怎样曲折复杂的方法，都不可能将它的后果完全消除，使一切恢复原状。,34,第二定律的实质：,一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的，从而指出这些过程自发进行的方向。过程一经发生，所产生的后果就不能完全消除。,一个过程是否可逆实际上是由初态和终态的相互关系决定的。有可能通过数学分析找致一个态函数（熵），由这个函数在初态与终态的数值来判断过程的性质和方向。,35,1.11卡诺定理,一.所有工作于两个一定温度之间的热机，以可逆热机的效率最高,。,二.两个可逆热机，存在,着：,36,1.12 热力学温标,根据卡诺定理的推论，工作于两个一定的温度之间的可逆热机，其效率相等。,因此，可逆卡诺热机的效率只可能与两个热源的温度有关与工作物质的性质无关。,Q,1,以表示可逆诺热机从高温热源吸取的热量，,Q,2,表示在低温热源放出的热量，则热机的效率为,:,37,38,两个温度的比值通过在这两个温度之间工作的可逆热机与热源交换的热量的比值来定义，由于比值与工作物质的特性无关，所引进的温标显然不依赖于任何具体物质的特性，是一种绝对温标,称为热力学温标。规定水的三相点的温度为,273.16K,根据热力学温标可以建立绝对零度的概念。由上式可知，,当可逆热机工作于两个一定的温度之间时,低温热源的温度愈低,传给它的热量就愈少。绝对零度是一个极限温度,当低温热源的温度趋于这个极限温度时，传给低温热源的热量趋于零。,对于以理想气体为工作物质的可逆卡诺热机，有,都规定水的三相点的温度为,273.16K,，因而两个温标是一致的。,39,1.13克劳修斯等式与不等式,由卡诺定理,将,Q,2,定义为吸热，则上式,为：,（克劳修斯等式与不等式,）,若有,n,个热源,，某系统从中吸收,了,的热量,。,则有,：,对于可连续变化的热源，可以写成积分形式,：,40,1.14,熵和热力学基本方程,(Entropy and The Fundamental Expression),一可逆过程,中，,从,A,点到,B,点任一可逆过程,有：,存在着态函数,：,（对于不可逆过程，态函数熵仍存在，但需用可逆过程来定义,。）,41,对上式微分，得：,若只有体积变化功，,由,有,：,或,一般的，,有,42,1.15理想气体的,熵,把,1mol,理想气体物态方程 及 代入热力学基本微分方程得:,为常数时，对上式积分：,当,根据熵的广延性，,n,mol,理想气体的熵表为：,43,1.16热力学第二定律的普遍表述,一.设某一不可逆过程,A,至,B，,用某一可逆过程令其返回,有,：,对于无穷小过程：,44,二.熵增加原理,(The Principle of Increase of Entropy),绝热条件下，无,Q,绝热过程中，熵永不减少,。,熵增加原理,:,系统经可逆绝热过程,后熵不变,经不可逆绝热过程后熵增加，在绝热条件下熵减少的过程是不可能实现的。,在初态和终态不是平衡态的情形：,将系统分为,n,个小部分,(k,1,，,2,，,，,n),。当系统由初态,A,经一个过程变到终态,B,后,我们令每一部分分别经可逆过程由终态,B,k,回到初态,A,k,。由克劳修斯不等式，得,45,46,47,1.17熵增原理应用举例,例一.热量,Q,从高温热源,T,1,传到,T,2,，,求熵,变。,解：设想,Q,与另一热源进行等温传导，由熵函数定义，,高温热源的熵变为：,低温热源的熵变为,：,可逆过程前后，两个热源的总熵变为：,由熵增原理,，,而不引起其他变化的情况是不可能发生,的。,48,例二 将质量相同而温度为,T,1,T,2,的两杯水在,等压下，绝热地混合，求熵变。,解：初态，,终态，,对于等压过程，,故，,49,例三 理想气体初态温度为,T,体积为,V,A,，,讨论下列两个过程中气体的熵变。,（1）经准静态等温过程体积膨胀为,V,B,，,（2）,经绝热自由膨胀过程体积膨胀为,V,B,。,（,1）过程初态（,T,V,A,）,终态（,T,V,B,）,熵,变：,50,（,2）过程初态（,T,V,A,）,终态（,T,V,B,）,熵,变,：,（,1）过程与（2）过程的区别在于：,（1）过程对外界产生了影响，而且是可逆过程。,（2）过程是不可逆过程。,51,1.1,8,自由能和吉布斯函数,一、自由能与最大功原理,热力学第二定律的数学表述，指出对于绝热过程可以利用熵判断系统中可能发生的变化。,对等温约束下的系统是否存在类似的态函数？,在等温下由状态,A,到状态,B,熵变满足,:,由热力学第一定律：,定义：态函数自由能,F,52,在等温过程中，系统对外界所作的功,W,不大于其自由能的减少。或系统自由能的减少是在等温过程中从系统所能获得的最大功。,假如只有体积变化功，则当体积不变时：,等温等容过程中，系统的自由能永不增加。,在等温等容过程中，系统中发生的不可逆过程总是朝自由能减少的方向进行。,53,说明：,对简单系统，,TV,确定后，系统处在平衡态，不再发生变化。对多元系,TV,确定后，其状态仍可能发生变化。,利用自由能，还可以考虑非平衡的问题。,54,二、吉布斯函数,对约束条件为等温等压的情况：,等压过程中外界对系统所作的体积变化功为：,若除体积功外，还有其它形式的功,W,1,，则在过程中,外界对系统作的总功为：,定义态函数：吉布斯函数,G,55,最大功原理：在等温等压过程中，除体积变化功外，系统对外所作的功不大于吉布斯函数的减少。或吉布斯函数的减少是在等温等压过程中，除体积变化功外从系统所能获得的最大功。,若没有其它的功,W,1,0,经等温等压过程后吉布斯函数永不增加。,可逆过程吉布斯函数不变，不可逆过程吉布斯函数减小，当吉布斯函数减小到最小值时，等温等压系统达到平衡态。,56,