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大学物理 热力学 教学课件第三章第三章第三章第三章 热力学基础热力学基础热力学基础热力学基础结构框图结构框图热力学系统内能变化热力学系统内能变化的两种量度的两种量度功功热量热量热力学热力学 第一定律第一定律热力学热力学 第二定律第二定律等值过程等值过程绝热过程绝热过程循环过程循环过程卡诺循环卡诺循环应用应用（理想气体）（理想气体）（对热机效率的研究）（对热机效率的研究）第一节第一节第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律一、热力学系统一、热力学系统 外界外界大量粒子组成的宏观、有限的体系。大量粒子组成的宏观、有限的体系。与热力学系统比邻的周围环境称为外界。与热力学系统比邻的周围环境称为外界。与外界有与外界有 m、E 交换交换与外界有与外界有 E 交换，无交换，无 m 交换交换与外界无与外界无 E、m 交换交换开放系统开放系统 孤立系统孤立系统封闭系统封闭系统系统系统绝热绝热例例开放系统开放系统 封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统热力学：热力学：研究热力学系统的状态及其变化的规律。研究热力学系统的状态及其变化的规律。1.描述系统宏观性质的物理量：描述系统宏观性质的物理量：p、T、V、E .广延量广延量强度量强度量无可加性，如无可加性，如 p、T平衡态：无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为热力学平衡态。此时，状态参量有确平衡态：无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为热力学平衡态。此时，状态参量有确定的值。定的值。二、状态参量二、状态参量 平衡态平衡态（1）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡（2）平衡态和稳衡态）平衡态和稳衡态 平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变 稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态三、准静态过程三、准静态过程初态、末态及中间态无限接近平衡态的过程。这是一种进行得非常缓慢的初态、末态及中间态无限接近平衡态的过程。这是一种进行得非常缓慢的过程（判据：弛豫时间）。过程（判据：弛豫时间）。准静态过程：准静态过程：热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简称过程。按平衡性质分，热力学过程可分为：热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简称过程。按平衡性质分，热力学过程可分为：非静态过程：至少有一个态是非平衡态的过程。非静态过程：至少有一个态是非平衡态的过程。1.准静态过程准静态过程2.准静态过程的功准静态过程的功注意：非静态过程不适用注意：非静态过程不适用示功图：示功图：p-V 图上过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积结结论论：在在准准静静态态过过程程中中，系系统统对对外外做做的的功功在在数数值值上上等等于于P-V图图上上过程曲线下方的面积。过程曲线下方的面积。思考：注意：功是过程量注意：功是过程量过程不同，曲线下面积不同过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）（可正、可负、可零）四、热力学第一定律四、热力学第一定律 如果一个系统经过一个过程，如果一个系统经过一个过程，其状态的变化完全由于机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过其状态的变化完全由于机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程。在绝热过程中外界对系统所做的功称为绝热功。程。在绝热过程中外界对系统所做的功称为绝热功。焦耳实验结果表明：焦耳实验结果表明：用各种不同的绝热过程使物用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，体升高一定的温度，所需的功在实验误差范围内是相等的，所需的功在实验误差范围内是相等的，如图所示。如图所示。1.焦耳实验焦耳实验 在绝热过程中，外界对系统所做的功在绝热过程中，外界对系统所做的功仅取决于系统的初、末状态。仅取决于系统的初、末状态。2 2、系统的内能、系统的内能 热量热量（1 1）系统内能）系统内能 E广义：广义：系统内所有粒子各种能量总和。系统内所有粒子各种能量总和。包括平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能包括平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能.等，等，但不包括系统整体运动的机械能。但不包括系统整体运动的机械能。狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能。狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能。实际气体实际气体理想气体理想气体 内能内能 是状态函数是状态函数 内内能能变变化化 只只与与初初末末状状态态有有关关，与与所所经经过过的的过过程程无无关关，可可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。EE 改变内能的方式改变内能的方式做功做功热传递热传递（2）热量的计算热量的计算热量：物体间由于温度差别而转移的能量热量：物体间由于温度差别而转移的能量热量的传递称为传热。传热有三种方式：热量的传递称为传热。传热有三种方式：热传导、对流、热辐射。热传导、对流、热辐射。摩尔热容：摩尔热容：物质的比热容物质的比热容摩尔热容：摩尔热容：1摩尔物质在某一过程中温度变化摩尔物质在某一过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。时，吸收或放出的热量。注意：热量也是过程量注意：热量也是过程量等体摩尔热容：等体摩尔热容：1摩尔理想气体在等容过程中温度变化摩尔理想气体在等容过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）等压摩尔热容：等压摩尔热容：1摩尔理想气体在等压过程中温度变化摩尔理想气体在等压过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）3.A 与与 Q 比较比较改变改变E的的方式方式特点特点能量转换能量转换量度量度做功做功热传递热传递与宏观位移相联系与宏观位移相联系通过非保守力做功通过非保守力做功实现实现机械机械运动运动热运动热运动A与温差相联系与温差相联系通过分子碰撞实现通过分子碰撞实现热运动热运动热运动热运动Q在系统状态变化过程中，在系统状态变化过程中，A、Q、E之之 间满足一定数量关系间满足一定数量关系 这种关系就是包含热运动和机械运动范围的能量守恒与转化定律这种关系就是包含热运动和机械运动范围的能量守恒与转化定律热力学第一定律热力学第一定律3 3 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律准静态过程：准静态过程：理想气体：理想气体：微变过程：微变过程：（1）热力学第一定律的数学形式热力学第一定律的数学形式(2)物理意义：物理意义：热力学第一定律是涉及热运动和机械运动的能量转换和守恒定律。热力学第一定律是涉及热运动和机械运动的能量转换和守恒定律。(3)其它表述：其它表述：第一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的第一类永动机：系统不断经历状态变化回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。第一类永动机：系统不断经历状态变化回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。违反热力学第一定律违反热力学第一定律即：即：AE第二节第二节 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用等值过程等值过程 等体过程等体过程 等压过程等压过程 等温过程等温过程绝热过程绝热过程（1）过程方程过程方程查理定律查理定律一、等容过程（一、等容过程（dV=0，V=C)（2）热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式（3）等体摩尔热容）等体摩尔热容吸热全部用于增加内能：吸热全部用于增加内能：注意：注意：适用于一切过程适用于一切过程二、等压过程二、等压过程 (dp=0 p=C)（1）过程方程过程方程盖盖.吕萨克定律吕萨克定律（2 2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式（3）等压摩尔热容）等压摩尔热容由由可得可得讨论：讨论：三、等温过程三、等温过程 (dT=0 T=C)（1）过程方程）过程方程玻意耳玻意耳 马略特定律马略特定律（2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式吸收的热量全部用于对外做功吸收的热量全部用于对外做功四、绝热过程四、绝热过程特点：特点：dQ=0绝热材料绝热材料快速进行快速进行（如气体自由膨胀）（如气体自由膨胀）（1）过程方程过程方程热力学第一定律热力学第一定律条件条件准静态：准静态：理想气体：理想气体：消去消去dT消去消去dT令令有有两边同除以两边同除以有有两边积分，得两边积分，得过程方程的推导过程方程的推导（2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式*五、绝热线和等温线的比较五、绝热线和等温线的比较绝热线：绝热线：比等温线陡比等温线陡等温线等温线：pV=恒量恒量 双曲线双曲线过过p-V图中某点（图中某点（A)a.比较斜率比较斜率 b.比较压强变化比较压强变化 使同一理想气体从相同初态压缩相同体积使同一理想气体从相同初态压缩相同体积pVo*5.多方过程多方过程(一般情况一般情况)小结：小结：A：准静态过程准静态过程非静态过程非静态过程Q：等体等体绝热绝热 Q=0等温（准静态）等温（准静态）等压等压练习练习1 1理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？(1)等体加热，内能减少，压强升高等体加热，内能减少，压强升高(2)等温压缩，压强升高，同时吸热等温压缩，压强升高，同时吸热(3)等压压缩，内能增加，同时吸热等压压缩，内能增加，同时吸热(4)绝热压缩，压强升高，内能增加绝热压缩，压强升高，内能增加答案：不可能发生的有答案：不可能发生的有:(1),(2),(3)例1.讨论理想气体在如图所示两过程中,T,E,A和Q的正负.判定 的正负：由图知由图知:例：有bmol理想气体，其定容摩尔热容为3R/2，若按如图所示的无摩擦准静态过程由C状态变到Z状态，求它对外所做的功和吸收的热量。第三节第三节第三节第三节 热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律一、循环过程一、循环过程1.定义：系统经历一系列状态变化后又回到初始状态的过程叫循环过程。定义：系统经历一系列状态变化后又回到初始状态的过程叫循环过程。准静态循环过程准静态循环过程 对应于对应于 图中的闭合曲线图中的闭合曲线顺时针：正循环顺时针：正循环逆时针：逆循环逆时针：逆循环OpV正正逆逆参与循环的物质称为工作物质。参与循环的物质称为工作物质。2.循环过程的特征循环过程的特征热力学第一定律：热力学第一定律：3.正循环及其效率正循环及其效率dOpVabcV1V2正功正功负功负功净功净功AT1T2整个过程吸的净热整个过程吸的净热 整个过程对外做的净功整个过程对外做的净功d和和 取绝对值取绝对值由于由于所以所以热机的能量转换热机的能量转换:从高温热源吸热从高温热源吸热（可能不止一个）（可能不止一个）向低温热源放热向低温热源放热（可能不止一个）（可能不止一个）对外做功对外做功效果效果代价代价热机效率热机效率:热机及其效率热机及其效率热机：利用工作物质的正循环不断把热转化为功的装置。热机：利用工作物质的正循环不断把热转化为功的装置。实例：蒸汽机的循环实例：蒸汽机的循环Q1Q2A1A24.逆循环及致冷系数逆循环及致冷系数OPV逆逆abcV1V2净功净功dT1T2Q1Q2A=Q1-Q2和和 取绝对值取绝对值由于由于所以所以外界对系统做的净功外界对系统做的净功能量转换：能量转换：从低温热源吸热从低温热源吸热（效果）（效果）外界对系统做功外界对系统做功 （代价）（代价）向高温热源放热向高温热源放热注意：注意：注意：注意：这里的这里的Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量 衡量致冷的效力衡量致冷的效力致冷机及致冷系数致冷机及致冷系数致冷机：利用工作物质的逆循环获取低温的装置。致冷机：利用工作物质的逆循环获取低温的装置。致冷系数致冷系数实例：电冰箱实例：电冰箱Q1A（1）高温热源与低温热源是相对的。注意：对于热机和致冷机：注意：对于热机和致冷机：正循环中，把热量传递给工作物质的热源叫高温热源；反之就是低温热源。逆循环与正循环正好相反。（2）热量）热量逆循环逆循环（3）功）功正循环正循环逆循环逆循环正循环正循环季节季节作用作用低温热源低温热源高温热源高温热源效果效果夏天夏天冬天冬天冷泵（冷泵（A)热泵（热泵（A)房间房间大气大气大气大气房间房间室内降温室内降温（对房间致冷（对房间致冷)室内升温室内升温(对大气致冷对大气致冷)介绍：介绍：空调机的循环空调机的循环 致冷机与热泵原理的结合致冷机与热泵原理的结合压缩机作功，压缩机作功，吸热传向高温热源吸热传向高温热源AQ2Q1夏天夏天AQ2Q1冬天冬天二、卡诺循环二、卡诺循环 18 18世纪末世纪末1919世纪初，蒸汽机的效率很低，不能满足资本主义大工业的需要。提高热机效率，解决动力问题就成世纪初，蒸汽机的效率很低，不能满足资本主义大工业的需要。提高热机效率，解决动力问题就成了当时的首要任务。法国工程师卡诺认为：了当时的首要任务。法国工程师卡诺认为：“要最完整地研究由热得到动力的道理，必须不依赖于任何特定机构要最完整地研究由热得到动力的道理，必须不依赖于任何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作们用的什么物质，也不管它们如何动作”。在此思想的指导下，提出了一个十分重要的循环。在此思想的指导下，提出了一个十分重要的循环-卡诺循环。卡诺循环。1.1.卡诺循环及其特点：卡诺循环及其特点：卡诺正循环或卡诺逆循环卡诺正循环或卡诺逆循环1)1)与两个恒温热源交换能量（两个等温过程）与两个恒温热源交换能量（两个等温过程）2 2）不与其它热源交换能量（两个绝热过程）不与其它热源交换能量（两个绝热过程）如何在如何在 P-V 图中表示？图中表示？特点特点特点特点:简单：只需要两个热源简单：只需要两个热源重要：可以组成任何一种循重要：可以组成任何一种循环环卡诺循环：工质只与两个恒温热源交换能量的循环过程。卡诺循环：工质只与两个恒温热源交换能量的循环过程。高温高温T1低温低温T2高温高温T1低温低温T2Q1Q2A=Q1-Q2Q2A Q1=A+Q2 卡诺循环过程：卡诺循环过程：正循环正循环正循环正循环逆循环逆循环2.理想气体的卡诺循环理想气体的卡诺循环1)卡诺正循环的效率卡诺正循环的效率等温过程：等温过程：绝热过程：绝热过程：p一般地，对于一个由一般地，对于一个由 个分过程构成的循环有：个分过程构成的循环有：注意：注意：等温过程：等温过程：绝热过程：绝热过程：2)逆循环致冷系数逆循环致冷系数p注意：注意：注意：对一切循环适用对一切循环适用只对卡诺循环适用只对卡诺循环适用练习练习1:20-16已知已知:求求:解：解：1-2:2-3:绝热膨胀绝热膨胀等温压缩等温压缩3-1:练习练习2.解：解：进行如图循环过程进行如图循环过程求：求：(2)效率效率(3)与与A内能相同的点必与内能相同的点必与A在同一条等温线上，而在同一条等温线上，而过过 A 的的等温线必然与等温线必然与 CD 相交。设交点为相交。设交点为F，则，则所以，所以，与与A内能相同内能相同F点的状态为：点的状态为：注意是注意是 T-V 图图练习练习3.注意是注意是 T-V 图图总吸热总吸热总放热总放热三、热力学第二定律三、热力学第二定律三、热力学第二定律三、热力学第二定律热力学第一定律：能量转换和守恒定律热力学第一定律：能量转换和守恒定律凡违反热力学第一定律的过程都不可能发生。凡违反热力学第一定律的过程都不可能发生。第一类永动机不可能成功第一类永动机不可能成功!是否不违反热力学第一定律的过程就一定能发生？是否不违反热力学第一定律的过程就一定能发生？功热转换功热转换热传导热传导扩散扩散.能量转换有一定方向和限度能量转换有一定方向和限度1.自然现象的不可逆性自然现象的不可逆性（1 1）可逆过程和不可逆过程）可逆过程和不可逆过程定义：定义：设系统经历设系统经历过程过程为可逆过程为可逆过程为不可逆过程为不可逆过程自然界中存在大量不可逆过程：例如自然界中存在大量不可逆过程：例如生物的生长发育过程、日月星辰的运生物的生长发育过程、日月星辰的运行过程、化学反应过程等。行过程、化学反应过程等。大量实验事实说明：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。大量实验事实说明：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。2.2.热力学第二定律的两种典型表述及其等效性热力学第二定律的两种典型表述及其等效性从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限度。从热机角度（热功转换角度）说明能量转换的方向和限度。*不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为有用功而不产生其它影响。或：或：*唯一效果是热唯一效果是热功转化的过程是不可能实现的。功转化的过程是不可能实现的。*单热源热机是不可能制成的。单热源热机是不可能制成的。TQA*1.开尔文表述开尔文表述 (K)注意理解：注意理解：热力学第一定律和第二定律是互相独立的。热力学第一定律和第二定律是互相独立的。比较比较:第一类永动机：第一类永动机：第二类永动机：第二类永动机：不耗能，只做功不耗能，只做功违反热力学第一定律违反热力学第一定律违反热力学第二定律违反热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功并不意味着热不能完全转变为功关键词：关键词：“无其它影响无其它影响”热完全转变为功，而且使热完全转变为功，而且使系统和外界均复原是不可能的。系统和外界均复原是不可能的。例：理想气体等温膨胀例：理想气体等温膨胀不违反热力学第二定律不违反热力学第二定律热力学第二定律指出了热力学第二定律指出了热功转换的方向性热功转换的方向性功功自发自发热热100%转换转换热热非自发非自发功功不能不能 100%转换转换 热力学第二定律与能源危机热力学第二定律与能源危机能量做功的能力下降，能量品质下降。能量做功的能力下降，能量品质下降。热力学第二定律热力学第二定律:热力学第一定律热力学第一定律:能量转换并守恒，何来能量转换并守恒，何来能源危机？能源危机？从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换从致冷机角度（热传导角度）说明能量转换的方向和限度。的方向和限度。*热量不能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。热量不能从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。或：或：*第二类永动机是不可能成功的。第二类永动机是不可能成功的。*QA=0Q2.克劳修斯表述克劳修斯表述 (C)注意理解注意理解:热力学第二定律指出了热力学第二定律指出了热传导方向性：热传导方向性：高温高温自动自动低温低温低温低温非自动非自动高温高温 （外界做功）（外界做功）热力学第二定律热力学第二定律并不意味着热量不能并不意味着热量不能从低温物体传到高温物体从低温物体传到高温物体关键词：关键词：“自动自动”即即热量热量从低温物体传到高温物体不能从低温物体传到高温物体不能自发进行，不产生其它影响。自发进行，不产生其它影响。例：电冰箱例：电冰箱3.两种表述的等效性两种表述的等效性（1）正定理：如果）正定理：如果 K 成立，成立，C 一定成立一定成立 逆定理：如果逆定理：如果 C 成立，成立，K 一定成立一定成立（2）否定理：如果）否定理：如果 K 不成立，不成立，C 一定不成立一定不成立逆否定理：如果逆否定理：如果 C 不成立，不成立，K 一定不成立一定不成立用反证法证明后两项用反证法证明后两项 可以证明，热力学第二定律的两种表述是完全等效的。可以证明，热力学第二定律的两种表述是完全等效的。假设假设K表述不成立。则存在单热源热机，可以将热量完全转化为功而不引起其它影响。表述不成立。则存在单热源热机，可以将热量完全转化为功而不引起其它影响。建立如图联合建立如图联合循环，循环，无其它影响，故无其它影响，故 C表述不成立表述不成立总效果：总效果：假设假设C不成立。则存在不成立。则存在 A=0 的致冷机，可以将热量从低温热源传向高温热源而不引起其它影响。建立如图的致冷机，可以将热量从低温热源传向高温热源而不引起其它影响。建立如图联合循环联合循环总效果：总效果：无其它影响，故无其它影响，故 K表述不成立。表述不成立。由由、知：知：K、C两种两种表述是等效的。表述是等效的。4.热力学第二定律表述的多样性热力学第二定律表述的多样性凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的凡满足能量守恒定律，而实际上又不可实现的过程都可以作为热力学第二定律的一种表述，过程都可以作为热力学第二定律的一种表述，而且彼此等效。而且彼此等效。K，C 为为 两种标准表述两种标准表述 抓住典型过程：从热机，致冷机角度阐述。抓住典型过程：从热机，致冷机角度阐述。历史上最早提出历史上最早提出练习：判断正误练习：判断正误 热量不能从低温物体传向高温物体热量不能从低温物体传向高温物体 热不能全部转变为功热不能全部转变为功二二.热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律从可逆、不可逆过程的角度看热力学第二定律功功自发自发热热100%转换转换热热非自发非自发功功不能不能 100%转换转换开尔文表述：开尔文表述：克劳修斯表述：克劳修斯表述：热传导不可逆热传导不可逆高温高温自动自动低温低温低温低温非自动非自动高温高温 （外界做功）（外界做功）溶解、扩散、生命溶解、扩散、生命 一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，其自发进行具有单向性。一切与热现象有关的宏观实际过程都是不可逆的，其自发进行具有单向性。2.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统热力学概率（无序性）增加的方向进行。热力学概率（无序性）增加的方向进行。无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发生的可能性趋于零。无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发生的可能性趋于零。热力学第二定律是大量粒子无序性变化所遵从的规律，因而它是一个统计规律。只对大量粒子构成的热力学第二定律是大量粒子无序性变化所遵从的规律，因而它是一个统计规律。只对大量粒子构成的体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。