大学物理（上） 第5章-热力学基础.pdf

第5章热力学基础万物之美科学之理本章知识要点02 N 03 N 041 05功热量内能热力学第一定律等值过程循环过程循环效率热机热泵卡诺循环热力学第二定律可逆与不可逆过程 燧加原理目录第一节功热量第二节热力学第一定律第三节循环过程卡诺循环第四节热力学第二定律第一节功热量功 功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化。系统作功 是通过物体作宏观位移来完成的。常用符号W表示。1、功的计算气缸内的气压大于外界大气压，气体膨胀推动气缸活塞对外作功。F压强 P=S4第一节功热量活塞与器壁间无摩擦P(b)图5-1准静态做功过程d W=Fd l=pSd ld W=pd V注意:作功与过程有关.第一节功热量练一练如图所示，已知图中画不同斜线的两部分的面积分别 为S和S?,那么(1)如果气体的膨胀过程为。一1一。,则气体对外做功卬=Si+邑;(2)如果气体进行21的循 环过程，则它对外做功卬二.S.6第一节功热量热量D通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的 能量传递。热量是过程量功与热量的异同(1)都是过程量：与过程有关；(2)功与热量的物理本质不同。分子热运动宏观运动分子热运动热量分子热运动目录第一节功热量第二节热力学第一定律第三节循环过程卡诺循环第四节热力学第二定律第二节热力学第一定律热力学第一定律q=e2-ew系统从外界吸收的热量，一部分使系统 的内能增加，另一部分使系统对外界做功。Q=E2-EX+W=/E+W物理意义(1)能量转换和守恒定律。(2)实验经验总结，自然界的普遍规律。9第二节热力学第一定律准静态过程 Q=石+p pd V微变过程 d Q=dE+dW=d+pd V第一定律的符号规定QAEW+系统吸热内能增加系统对外界做功系统放热内能减少外界对系统做功10第二节热力学第一定律历史上的第一类永动机第一类永动机：即不 从外界吸收能量，而 不断对外作功的机械。第一类永动机违 反能量守恒定律11第二节热力学第一定律热力学第定律对等值过程的应1.等容（体）过程 P特性 V=常量过程方程 PT1=常量 dV=O dW=O由热力学第一定律d Qv=d EPl（P2，V/）A l（Pi，V,7）o V VQv=E=一LrAT-Mmi 2系统从外界吸收的热量全部用来增加气体内能12第二节热力学第一定律热力学第一定律对等值过程的应等容摩尔热容：Imo l理想气体在等体 过程中吸收热量d2v，使温度升高dr,其摩尔定体热容为：%g=黑单位Jmo KidQv=Cyd TP2（P2，V，5）pi Li，v，n）O V v对 v mo l 理想气体 d Qv=d E=vCVmd T由热力学第一定律 Qv=vCvm(T2 4)二石2 4第二节热力学第一定律热力学第定律对等值过程的应Qv=yCVm(T2-7=E2-El=AE对于理想气体：E=v-R(T2-T0可见：Gz只与自由度力有关，与T无关。14第二节热力学第一定律热力学第一定律对等值过程的应用A1.等容（体）过程等体升压pPlPl(P2，V2)J(MT)等体降压P PiPiv v-v V0总放热-。2净吸热 Q40第三节循环过程卡诺循环(a)(a)热机的功热转化示意图；放热(b)(b)蒸汽机的工作原理图41第三节循环过程卡诺循环热泵的效率局J温热源低温热源（取绝对值）制冷系数|w|Q-d制热系数%WI42第三节循环过程卡诺循环(a)(a)热泵热功转换示意图;Cb)(b)热泵工作原理图43第三节循环过程卡诺循环练一练汽油机可近似看成如图循环过程（Ot t。循环），其中 AB和CD为绝热过程,求此循环效率.解1 Qda=1-Qbc=1 SF Cv(Tc-Tb)44第三节循环过程卡诺循环又BC和DA是绝热过程:曳。,空=伍第三节循环过程卡诺循环卡诺循环1824年法国的年青工程师卡诺提出一 个工作在两热源之间的理想循环卡诺 循环.图575萨迪卡诺卡诺不仅给出了热机效率的理论极限值；还提出了著名的卡诺定理.第三节循环过程卡诺循环卡诺循环D卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热 过程组成.47第三节循环过程卡诺循环卡诺循环效率卡诺循环A-B等温膨胀B-C绝热膨胀 C D等温压缩 D-A绝热压缩48第三节循环过程卡诺循环卡诺循环效率A 8等温膨胀吸热21=Qab=vRTx ln-c。等温压缩放热2=|禽|=试（1口2丫449第三节循环过程卡诺循环卡诺循环效率B C绝热过程OA绝热过程上尸7=匕尸?h%/匕理=/匕匕第三节循环过程卡诺循环卡诺循环效率In a(in%匕卡诺热机效率7/=1-1卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的 温差越大，则卡诺循环的效率越高.第三节循环过程卡诺循环卡诺热泵卡诺逆循环0Q2 T2 2 Z制冷系数 以二丁二尸书 制热系数Q二不二77二五彳21一2，1一，2 必一必，1一，2第三节循环过程卡诺循环练一练如图所示的卡诺循环中,证明：S1二$2提示：2、3之间与4、1之间温差相同，内能变化相同，Q=0,W必定相同。第三节循环过程卡诺循环讨论图中两卡诺循环么=2吗?7=27气体向真空的绝热自由膨胀过程具有方向性 图 5-18气体向真空绝热自由膨胀Q=0,W=0,4E=0第四节热力学第二定律刍然过程的方向性功热转换具有方向性图579转动及撤除动力后的叶片热传导具有方向性58第四节热力学第二定律热力学第二定律的两种表述1开尔文说法不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功,而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何变化.2克劳修斯说法不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化.59第四节热力学第二定律热力学第二定律的两种表述1开尔文说法局温热源丁低温热源t2卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.60第四节热力学第二定律热力学第二定律的两种表述1开尔文说法等温膨胀过程是从单一热源 吸热作功，而不放出热量给其它 物体,但它是非循环过程.61第四节热力学第二定律热力学第二定律的两种表述1开尔文说法第二类永动机：从单一热源吸热，全部用来对外作功的热机。虽然不违反热力学第一定律，但违反热力学第二定律。第二类永动机是不可能制造出来的第四节热力学第二定律热力学第二定律的两种表述2克劳修斯说法。V虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且 使环境发生变化.63第四节热力学第二定律热力学第二定律的两种表述1热力学第二定律是大量实验和经验的总结.2热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性.3热力学第二定律可有多种说法，每种说法都反映了自然界过程 进行的方向性.64第四节热力学第二定律热力学第二定律的两种表述高温热源低温热源高温热源图5-20热力学第二定律两种表述的等效性证明示意图第四节热力学第二定律热力学第二定律的实质自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.热功转换热功不完全有序自发无序热传导高温物体自发传热低温物体非自发传热非均匀、非平衡自发均匀、平衡66第四节热力学第二定律无序度和微观状态数6自发扩散过程 V =V+AV外力压缩 概率大的状态67第四节热力学第二定律无序度和微观状态数6 讨论N个粒子在空间的分布问题可分辨的粒子集中在左空间的概率N=l,W=l/2N=2,W=l/468第四节热力学第二定律无序度和微观状态数6可分辨粒子总数N=4第i种分布的可能状态数%各种分布的状态总数Z，=16i1 1粒子集中在左空间的概率卬=之二方16 2Tl/6 3粒子均匀分布的概率叩=2二616 8第四节热力学第二定律无序度和微观状态数6N124N00W（左）1212212412n0若系统分子数为N,则总微观态数为2N,n个分子自动退回左侧或右侧的几率为1/2N,N很大时，几乎是不可能的。70第四节热力学第二定律热力学概率）宏观态所对应的微观态数，用Q表示热力学第二定律的统计意义一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态 数多的宏观态过渡。从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡。第四节热力学第二定律坡耳兹曼燧一般，热力学概率Q（宏观态包含的微观态数）非常大，1877年，玻耳兹曼引入态函数燧：图5-23玻尔兹曼S 二 k In 0r玻耳兹曼熠熠的微观意义:嫡是系统内分子热运动无序性的量度.熠的概念建立，使热力学第二定律得到统一的定量的表述.第四节热力学第二定律坡耳兹曼嫡P与状态量内能一样,熠值本身意义不大,熠变才是重要的。精变只取决于始末状态，与中间过程无关。例一个孤立系统的热力学概率由Q1变为，且。2 Q1AS=S2-S!=kin片 0 二增加原理平衡态对应于精最大的状态73第四节热力学第二定律嫡增加原理在孤立系统中所进行的自然过程总是沿着牖增大的方向进行，平衡态 对应于牖最大的状态，这就是牖增加原理。燧增原理的微观实质是：孤立系统内部发生的过程总是由热力学几率小的 状态向热力学几率大的状态过度。，或者说由非平衡态向着平衡态进行。，或者说向着无序度增大的方向进行。74第四节热力学第二定律玻耳兹曼的墓碑为了纪念玻耳兹曼给予燧以 统计解释的卓越贡献，他的墓碑 上寓意隽永地刻着S=kogW 这表示人们对玻耳兹曼的深深怀 念和尊敬.75