热力学统计物理汪志成西北工业大学公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

热力学热力学 统计物理统计物理教材：汪志诚教材：汪志诚热力学热力学 统计物理统计物理参考书：参考书：F.Mandl,Statistical Physics F.Reif,Fundamentals of Statistical and Thermal Physics K.Huang,Statistical Mechanics 吴大猷吴大猷热力学热力学、气体运动论及、气体运动论及统计统计力力学学 林宗涵林宗涵热力学与统计物理学热力学与统计物理学 苏汝铿苏汝铿 统计物理学统计物理学第1页第1页绪论（绪论（Preface）（热力学与统计物理研究对象、办法与特点）（热力学与统计物理研究对象、办法与特点）1什么是热力学？什么是热力学？一维定义一维定义x（x表示研究对象）：表示研究对象）：二维定义二维定义xy（y表示研究内容）：表示研究内容）：三维定义三维定义xyz（z表示研究办法）：表示研究办法）：四维定义四维定义wxyz（w表示研究目的）：表示研究目的）：多维定义或全息定义：还要阐明它发展趋势、与其它学科交叉、多维定义或全息定义：还要阐明它发展趋势、与其它学科交叉、世纪难题和突破口。世纪难题和突破口。第2页第2页 一维定义：热力学是研究热现象和热运动规律及一维定义：热力学是研究热现象和热运动规律及 其物性宏观理论。其物性宏观理论。二维定义：热力学是研究热现象和热运动规律及二维定义：热力学是研究热现象和热运动规律及 相关物理性质宏观理论，内容包括三个部分：相关物理性质宏观理论，内容包括三个部分：（1）（老式）平衡态热力学：）（老式）平衡态热力学：i.热现象过程中能量转化数量关系；热现象过程中能量转化数量关系；ii.判断不可逆过程进行方向；判断不可逆过程进行方向；iii.物质平衡性质。物质平衡性质。（2）线性非平衡态热力学）线性非平衡态热力学（昂昂萨格（萨格（Onsager）（3）非线性非平衡态热力学）非线性非平衡态热力学（普里戈金（普里戈金 Prigogine）第3页第3页 2什么是统计物理学？什么是统计物理学？统计物理学：研究热现象和热运动规律及相关统计物理学：研究热现象和热运动规律及相关物理性质微观理论。物理性质微观理论。按内容分成三个部分：按内容分成三个部分：（1）平衡态统计理论；）平衡态统计理论；（2）非平衡态统计理论；）非平衡态统计理论；（3）涨落理论。）涨落理论。第4页第4页3热力学和统计物理学办法与特点：热力学和统计物理学办法与特点：（1）热力学：）热力学：以大量试验总结出来几条定律为基础，应用以大量试验总结出来几条定律为基础，应用严密逻辑推理和严格数学运算来研究宏观物体热严密逻辑推理和严格数学运算来研究宏观物体热性质与热现象相关一切规律。性质与热现象相关一切规律。长处：长处：结论含有很高可靠性和普遍性；结论含有很高可靠性和普遍性；缺点：缺点：由于热力学理论不涉及物质微观结构由于热力学理论不涉及物质微观结构和粒子运动，把物质当作是连续，因此不能解释和粒子运动，把物质当作是连续，因此不能解释宏观性质涨落。宏观性质涨落。第5页第5页（2）统计物理：）统计物理：从物质微观结构出发，考虑微观粒子热运动，讨从物质微观结构出发，考虑微观粒子热运动，讨论微观量与宏观量关系，通过求统计平均来论微观量与宏观量关系，通过求统计平均来研究宏观物体热性质与热现象相关一切规律。研究宏观物体热性质与热现象相关一切规律。长处：长处：它能够把热力学几种基本定律归结于它能够把热力学几种基本定律归结于一个基本统计原理，阐明了热力学定律统计一个基本统计原理，阐明了热力学定律统计意义；意义；缺点：缺点：可求特殊性质，但可靠性依赖于微观可求特殊性质，但可靠性依赖于微观结构假设，计算较复杂。结构假设，计算较复杂。第6页第6页（3）两者联系：）两者联系：热力学对热现象给出普遍而可靠结果，能够用热力学对热现象给出普遍而可靠结果，能够用来验证微观理论正确性；来验证微观理论正确性；统计物理学则能够进一步热现象本质，使热力统计物理学则能够进一步热现象本质，使热力学理论取得更深刻意义。学理论取得更深刻意义。第7页第7页第一章第一章热力学基本规律热力学基本规律热力学是研究热现象宏观理论热力学是研究热现象宏观理论依据试验总结出来依据试验总结出来热力学定律，用严密逻辑推理办法，研究宏观物体热热力学定律，用严密逻辑推理办法，研究宏观物体热力学性质。力学性质。热力学不涉及物质微观结构，它主要理论基础是热力热力学不涉及物质微观结构，它主要理论基础是热力学三条定律。学三条定律。本章内容是热力学第一定律和热力学第二定律。本章内容是热力学第一定律和热力学第二定律。第8页第8页一、平衡态一、平衡态1.热力学系统：把研究若干个物体当作一个整体，热力学系统：把研究若干个物体当作一个整体，即为系统。即为系统。外界：系统之外所有物质称为外界外界：系统之外所有物质称为外界系统1.1 热力学系统平衡状态及其描述热力学系统平衡状态及其描述第9页第9页第10页第10页系统物质互换能量互换孤立系统孤立系统第11页第11页系统仅有能量互换闭系闭系第12页第12页系统物质互换能量互换开放开放系统系统能量互换+物质互换第13页第13页2.平衡态：平衡态：在不受外界影响条件下（孤立系统），系统在不受外界影响条件下（孤立系统），系统宏观性质不随时间改变状态。宏观性质不随时间改变状态。不受外界影响，指系统不与外界进行能量和物质互换。不受外界影响，指系统不与外界进行能量和物质互换。3.关于平衡态几点阐明关于平衡态几点阐明（1）实际系统都要或多或少地受到外界影响，不受外）实际系统都要或多或少地受到外界影响，不受外界影响孤立系统，同质点模型、刚体模型、点电荷模型界影响孤立系统，同质点模型、刚体模型、点电荷模型和点光源模型同样都是一个抱负化概念；和点光源模型同样都是一个抱负化概念；第14页第14页（2）系统处于平衡态时宏观性质不随时间改变，但构成）系统处于平衡态时宏观性质不随时间改变，但构成系统大量粒子还在不断地运动着，只是这些运动平均效系统大量粒子还在不断地运动着，只是这些运动平均效果不变而已。因此热力学平衡态又称热动平衡；果不变而已。因此热力学平衡态又称热动平衡；（3）处于平衡态系统，其宏观性质会发生一些起伏改变，）处于平衡态系统，其宏观性质会发生一些起伏改变，叫涨落。普通宏观物质系统涨落很小，在热力学范围内叫涨落。普通宏观物质系统涨落很小，在热力学范围内将其忽略不予考虑；将其忽略不予考虑；（4）弛豫时间概念。）弛豫时间概念。第15页第15页二、状态参量二、状态参量 1、状态参量：在力学中质点运动状态用位移、速度、加速度等物理量来描述。热学中平衡态有拟定宏观性质，也必须用拟定物理量来描述。用来描述平衡态用来描述平衡态宏观变量宏观变量称为状态参量。那么如称为状态参量。那么如何用状态参量来描述平衡态呢？何用状态参量来描述平衡态呢？第16页第16页 假如讨论是混合气体，除了P,V两个参量外还需要一个描述系统化学成份参量，如不同成份质量或者摩尔数等，称为化学参量。假如系统处于电磁场中，还需要描述物质电磁性质参量，如电场强度和磁场强度，极化强度和磁化强度等，称为电磁参量。2、状态参量种类：力学参量、几何参量、化学力学参量、几何参量、化学参量、电磁参量参量、电磁参量第17页第17页 上边四类参量都不是热现象所特有，它们都不能表上边四类参量都不是热现象所特有，它们都不能表征系统冷热程度。为此还需引进表征系统冷热程度一个征系统冷热程度。为此还需引进表征系统冷热程度一个物理量物理量温度温度。众所周知，热物体温度高，冷物体温度低。但这是众所周知，热物体温度高，冷物体温度低。但这是一个主观感觉，是定性，对于实际热学问题，一个物理一个主观感觉，是定性，对于实际热学问题，一个物理量局限于此显然是不够，须对温度进行定量、严格、科量局限于此显然是不够，须对温度进行定量、严格、科学定义。学定义。下面分环节来建立这个定义。下面分环节来建立这个定义。1.2 热平衡定律和温度热平衡定律和温度第18页第18页 一旦两个系统进行了热接触，两个系统所处平衡态一旦两个系统进行了热接触，两个系统所处平衡态普通都会受到破坏，但通过足够长时间后，它们会达普通都会受到破坏，但通过足够长时间后，它们会达到到一个新、共同一个新、共同平衡态。称这两个系统达到了平衡态。称这两个系统达到了热平衡热平衡。一、热平衡一、热平衡状态状态第19页第19页 二、二、热平衡定律（热力学第零定律）热平衡定律（热力学第零定律）取A、B和C三个系统，先让A与B绝热隔开后，使它们同时与C进行热接触，当A与C，B与C都达到热平衡后三系统分开，再将A与B热接触，发觉A、B状态都不发生改变。表明A、B也处于热平衡。第20页第20页 假如两个系统假如两个系统各自同时各自同时与第三个物体达到了热与第三个物体达到了热平衡，它们彼此也处于热平衡。平衡，它们彼此也处于热平衡。-热力学第零定热力学第零定律律第21页第21页三、三、温度温度1.温度定义温度定义热平衡系统所含有共同宏观性质热平衡系统所含有共同宏观性质热平衡热平衡温度相同温度相同处于热平衡态两个系统，必定拥有一个共同宏观性质，这个宏观性质一定能够表示为几种状态参量函数状态函数，处于热平衡态两个系统状态函数数值一定相等。这个状态函数就称为温度。由此可得：一切互为热平衡系统含有相同温度，温度是状态函数。第22页第22页2.温度函数引入证实下列：温度函数引入证实下列：互互为热为热平衡两系平衡两系统统，其状其状态态参量不完全独立，参量不完全独立，要被一定函数关系所制要被一定函数关系所制约约。即即热热平衡条件平衡条件为为：若若A与与C达到热平衡达到热平衡:B与与C达到热平衡达到热平衡:则则A与与B必达到热平衡必达到热平衡:喀喇氏温度定理（喀喇氏温度定理（1919）：处于热平衡状态下热：处于热平衡状态下热力学系统，存在一个状态函数，对互为热平衡系统，该力学系统，存在一个状态函数，对互为热平衡系统，该函数值相等。函数值相等。第23页第23页A和C达到平衡B和C达到平衡由热力学第零定律知，由热力学第零定律知，热平衡状态热平衡状态:(1)同样，A和B达到平衡(2)第24页第24页（2）式表明：（1）式两边 能够消去，设消去 后（1）变为：上式意义：系统A和B分别存在一个状态函数（是状态参量压强和体积函数），在热平衡时候这个值相等。我们把 定义为系统温度。互为热平衡系统含有一个数值相等状态函数。互为热平衡系统含有一个数值相等状态函数。定义这个决定系统热平衡状态函数为温度，用定义这个决定系统热平衡状态函数为温度，用T表示。表示。第25页第25页由热力学第零定律知，由热力学第零定律知，热平衡状态热平衡状态 必有必有因此，得，另由，第26页第26页得：得：互为热平衡系统含有一个数值相等状态函数。定义这个决定系统热平衡状态函数为温度，用T表示。第27页第27页（1 1）：温度这个定义是喀喇氏在）：温度这个定义是喀喇氏在1919提出来，在此之前，提出来，在此之前，温度定义是：温度定义是：物体冷热程度数值表物体冷热程度数值表示示，这个定义不严格。，这个定义不严格。阐明：（2 2）：热平衡定律由于给出了温度更科学定义，故也称）：热平衡定律由于给出了温度更科学定义，故也称为为热力学第零定律热力学第零定律。（3 3）：）：称为系统称为系统物态方程物态方程，它给出了系，它给出了系统温度和状态参量之间函数关系。统温度和状态参量之间函数关系。第28页第28页四四、温标、温标 温度数值表示叫温度数值表示叫温标温标。摄氏温标：温度摄氏温标：温度t（）。）。华氏温标：温度华氏温标：温度 。抱负气体温标：温度抱负气体温标：温度T(K)T=t+273.15；tF=32+第29页第29页 1.3 物态方程物态方程平衡态下热力学系统存在状态函数温度。物态方程给出温平衡态下热力学系统存在状态函数温度。物态方程给出温度与状态参量之间函数关系度与状态参量之间函数关系(简朴系统简朴系统)。在在p、V、T 三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一个状态参量是其它两个状态参量函数，如一个状态参量是其它两个状态参量函数，如 T=T(P,V)一、物态方程相关几种物理量物态方程相关几种物理量：体胀系数体胀系数 在压强不变时，温度升高在压强不变时，温度升高1K所引起物体所引起物体体积相对改变体积相对改变 第30页第30页 压强系数压强系数 ：体积不变下，温度升高1K所引起物体压强改变相对改变。等温压缩系数等温压缩系数 ：温度不变时，增长单位压强所引起物体体积相对改变。由 得：第31页第31页三个系数间关系，由数学公式：三个系数间关系，由数学公式：把握四个不重复把握四个不重复第32页第32页二二.抱负气体物态方程抱负气体物态方程玻-马定律：知道物态方程，能够导出体胀系数和等温压缩系数（见习题）；反过来，知道体胀系数和等温压缩系数，能够导出物态方程，（见习题）。阿氏定律：相同温度和压强下，相等体积中所含有各种气体物质量相等。（固定质量，温度不变）下面先导出含有固定质量抱负气体，其任意两个平衡态 和 状态参量之间关系。抱负气体温标：什么是抱负气体？什么是抱负气体？抱负气体反应是实际气体在很稀薄时共同极限性质。抱负气体反应是实际气体在很稀薄时共同极限性质。抱负气体温标定义：抱负气体温标定义：在压强趋于零时各种气体处于一个相同极限温标，即在压强趋于零时各种气体处于一个相同极限温标，即第33页第33页抱负气体：抱负气体：满足玻意耳定律、阿氏定律和焦尔定律气体。满足玻意耳定律、阿氏定律和焦尔定律气体。压强不太大压强不太大(与大气压比较），温度不太低（与室温比较）与大气压比较），温度不太低（与室温比较）实际气体都能够近似地看作理性气体。实际气体都能够近似地看作理性气体。第34页第34页试验测得：1mol抱负气体在冰点（273.15K）以及1pn下体积V0为：1mol抱负气体物态方程为：n mol抱负气体物态方程为：第35页第35页三三.实际气体物态方程实际气体物态方程范氏方程(Van der Waals Equation)：范德瓦尔气体物态方程范氏气体微观模型是刚球引力势分子模型1mol 范德瓦尔气体物态方程为 n mol 气体 第36页第36页伯赛洛特方程(Berthelot Equation)：狄特里奇方程(Dieterici Equation)：第37页第37页此即昂尼斯方程，通常也称为位力展开。在稀薄极限，即密度在稀薄极限，即密度 极限下，所有气体都趋于抱负极限下，所有气体都趋于抱负气体方程：气体方程：压强和密度一次幂成正比，百分比系数压强和密度一次幂成正比，百分比系数RT又和温度又和温度T 成正比，成正比，在不太稀薄、密度影响必须考虑到条件下，能够在抱负气体方在不太稀薄、密度影响必须考虑到条件下，能够在抱负气体方程右边加入密度程右边加入密度 高次幂奉献，将压力展开成密度高次幂奉献，将压力展开成密度 幂级数幂级数：第38页第38页四四、固体物态方程、固体物态方程 1、简朴固体物态方程、简朴固体物态方程 简朴固体简朴固体(即各向同性无缺点固体即各向同性无缺点固体)2、顺磁性固体物态方程、顺磁性固体物态方程 磁化强度磁化强度M与磁场强度与磁场强度H之间满足之间满足 (C为居里常数为居里常数)3、晶体物态方程、晶体物态方程 冷压强冷压强,为格林乃森参量为格林乃森参量,为平均热振动能为平均热振动能.第39页第39页例例1、试验测得某气体体胀系数及等温压缩系数为、试验测得某气体体胀系数及等温压缩系数为求该气体物态方程。求该气体物态方程。解：设解：设V=V(T,p)，则，则第40页第40页两边同时积分，得第41页第41页广延量：与系统质量或物质量成正比，如 m,V。强度量：与系统质量或物质量无关，如 p，T。关系：上式严格成立条件：系统满足热力学极限五五、热力学量分类、热力学量分类 广延量和强度量：将一个处于平衡态系统一分为二，对任一部分考察若物理量保持为原系统值不变为强度量，不然为广延量。第42页第42页 1-4 准静态过程准静态过程 功功 热量热量一、准静态过程一、准静态过程1、热力学过程、热力学过程当系统状态随时间改变时，我当系统状态随时间改变时，我们就说系统在经历一个们就说系统在经历一个热力学热力学过程过程，简称，简称过程过程。推动活塞压缩汽缸内推动活塞压缩汽缸内气体时，气体体积、气体时，气体体积、密度、温度或压强都密度、温度或压强都将改变将改变2、非静态过程、非静态过程在热力学过程发生时，系统往在热力学过程发生时，系统往往由一个平衡状态通过一系列往由一个平衡状态通过一系列状态改变后到达另一平衡态。状态改变后到达另一平衡态。假如中间状态为非平衡态，则假如中间状态为非平衡态，则此过程称此过程称非静态过程非静态过程。为从平衡态破坏到新平为从平衡态破坏到新平衡态建立所需时间称为衡态建立所需时间称为弛豫时间弛豫时间。第43页第43页3、准静态过程、准静态过程假如一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历之中间状态，假如一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历之中间状态，能够近似当作平衡态，则此过程为能够近似当作平衡态，则此过程为准静态过程准静态过程。准静态过程只有在进行准静态过程只有在进行“无限缓慢无限缓慢”条件下才也许实现。条件下才也许实现。对于实际过程则要求系统状态发生改变对于实际过程则要求系统状态发生改变特性时间特性时间远远不小于远远不小于弛豫时间才可近似看作准静态过程。弛豫时间才可近似看作准静态过程。阐明：阐明：系统准静态改变过程可系统准静态改变过程可用用pV pV 图上一条曲线表示，图上一条曲线表示，称之为称之为过程曲线过程曲线。第44页第44页二、二、功功1.体积功：体积功：当气体作无摩擦准静态膨胀或当气体作无摩擦准静态膨胀或压缩时，为了维持气体平衡态，外界压强压缩时，为了维持气体平衡态，外界压强必定等于气体压强。必定等于气体压强。系统对外界所作系统对外界所作功等于功等于pVpV 图上过图上过程曲线下面面积程曲线下面面积阐明阐明系统所作功与系统始末状态相关，并且还系统所作功与系统始末状态相关，并且还与路径相关，是一个过程量。与路径相关，是一个过程量。气体膨胀时，系统对外界作功气体膨胀时，系统对外界作功 气体压缩时，外界对系统作功气体压缩时，外界对系统作功作功是改变系统内能一个办法作功是改变系统内能一个办法本质：通过宏观位移来完毕：机械运动本质：通过宏观位移来完毕：机械运动分分子热运动子热运动VOPdVV1V2第45页第45页活塞和器壁之间无摩擦力，因此活塞缓慢移动过程中，封闭流体是（无摩擦）准静态过程。,外界对流体做功：AB系统体积改变：外界对系统做功：假如系统在准静态过程中体积发生有限改变，外界对系统做功：第46页第46页液体表面薄膜液体表面薄膜 设表面张力系数设表面张力系数 ，液面面积，液面面积A改变改变 时，时，外界对系统作功外界对系统作功 电介质极化作功电介质极化作功当在电场强度为当在电场强度为 （Vm-1）作用下，）作用下，电介质电矩电介质电矩P=Vp发生改变发生改变dP时，外场时，外场使介质极化作功使介质极化作功第47页第47页横截面积为A 长度为lN匝线圈，忽略线圈电阻 假如改变电流大小，就改变了磁介质中磁场，线圈中将产假如改变电流大小，就改变了磁介质中磁场，线圈中将产生反向电动势，外界电源必须克服此反向电动势做功，在生反向电动势，外界电源必须克服此反向电动势做功，在dt 时时间内，外界做功为：间内，外界做功为：44.电磁能对磁介质做功电磁能对磁介质做功电磁能对磁介质做功电磁能对磁介质做功第48页第48页 设磁介质中磁感应强度为设磁介质中磁感应强度为B B,则通过线圈中每一匝磁通量则通过线圈中每一匝磁通量为为AB B，法拉第电磁感应定律给出了感生电动势：，法拉第电磁感应定律给出了感生电动势：安培定律给出了磁介质中磁场强度安培定律给出了磁介质中磁场强度H H 为：为：为了简朴，考虑为了简朴，考虑各项同性磁介质各项同性磁介质(磁化是均匀磁化是均匀)：第49页第49页 当热力学系统只包括介质不包括磁场时，功表示式只是右当热力学系统只包括介质不包括磁场时，功表示式只是右方第二项方第二项：第一项是激发磁场合作功；第一项是激发磁场合作功；第二项是使得介质磁化所作功。第二项是使得介质磁化所作功。第50页第50页准静态过程中外界做功通用式：准静态过程中外界做功通用式：*阐明：非准静态过程中外界做功非准静态过程中外界做功等容过程：等容过程：等压过程：等压过程：5 55 5.准静态过程做功通用式准静态过程做功通用式准静态过程做功通用式准静态过程做功通用式第51页第51页1.5 1.5 热力学第一定律热力学第一定律一、热力学第一定律提出试验依据一、热力学第一定律提出试验依据试试验验依依据据是是焦焦耳耳热热功功当当量量试试验验（见见书书P25图图1.9和和图图1.10）无无论论经经历历何何种种过过程程，使使水水温温升升高高同同样样温温度度，做做功功同同样样多多。表表明明：绝绝热热过过程程中中外外界界对对系系统统做做功功与与方方式式（或过程）无关。（或过程）无关。第52页第52页二、内能定义二、内能定义 宏观定义：内能宏观定义：内能U是一个态函数（状态量），它满足：是一个态函数（状态量），它满足：微微观观定定义义（P27第第7行行）：内内能能是是系系统统中中无无规规则则运运动动分分子子动动能能、分分子子互互相相作作用用势势能能，分分子子内内部部运运动动能能量量等等）能能量量总总和和统统计计平平均值。均值。三、热量定义三、热量定义对非绝热过程，对非绝热过程，（外界对系统作功）（外界对系统作功）则两者差叫系统从界吸取热量，即则两者差叫系统从界吸取热量，即热量显然也是过程量热量显然也是过程量第53页第53页热量另一个定义热量另一个定义系统与外界之间由于存在系统与外界之间由于存在温度差温度差而传递能量叫做而传递能量叫做热量热量。本质本质外界与系统互相互换热量。分子热运动外界与系统互相互换热量。分子热运动分子热运动分子热运动阐明阐明热量传递多少与其传递方式相关热量传递多少与其传递方式相关热量单位：热量单位：焦耳焦耳第54页第54页四、热力学第一定律四、热力学第一定律 1.1.文字叙述和数学表示：文字叙述和数学表示：外外界界对对系系统统作作功功与与系系统统从从外外界界吸吸取取热热量量之之和和等等于系统内能增长，即于系统内能增长，即 或写为或写为 即吸取热量等于内能增长与系统对外作功之和。即吸取热量等于内能增长与系统对外作功之和。第55页第55页3、阐明、阐明符号要求：符号要求：热量热量Q：正号正号系统从外界吸取热量系统从外界吸取热量负号负号系统向外界放出热量系统向外界放出热量功功 W：正号正号外界对系统作功外界对系统作功负号负号系统对外界作功系统对外界作功内能内能UU：正号：正号系统能量增长系统能量增长负号负号系统能量减小系统能量减小计算中，各物理量单位是相同，在计算中，各物理量单位是相同，在SI制中为制中为J五、热力学第一定律另一个表述五、热力学第一定律另一个表述五、热力学第一定律另一个表述五、热力学第一定律另一个表述1、第一类永动机、第一类永动机不需要外界提供能量，也不需要消耗系统不需要外界提供能量，也不需要消耗系统内能，但能够对外界作功。内能，但能够对外界作功。2、热力学第一定律另一个表述、热力学第一定律另一个表述第一类永动机是不也许造成第一类永动机是不也许造成。第一类永动机第一类永动机违反了能量守违反了能量守恒定律，因而恒定律，因而是不也许实现是不也许实现第56页第56页对于无穷小过程，热一律为对于无穷小过程，热一律为合用条件和主要性合用条件和主要性合合用用条条件件：大大量量微微观观粒粒子子构构成成宏宏观观系系统统。初初、末末状状态态为为平平衡衡态态，中中间间过过程程能能够够是是非非平衡态。平衡态。主要性：它是能量守恒定律在热现象中应主要性：它是能量守恒定律在热现象中应用；否认了第一类永动机制造也许性用；否认了第一类永动机制造也许性。第57页第57页几种情况热力学第一定律几种情况热力学第一定律孤立系统：孤立系统：常数，或常数，或绝热系统：绝热系统：以以 、为参量体系（如液、气体）、为参量体系（如液、气体）绝热气体系统绝热气体系统第58页第58页一、热容量定义一、热容量定义 一定量物质，温度升高一定量物质，温度升高1K1K所吸取热量。所吸取热量。1.1.6 6 热容量和焓热容量和焓1.1.摩尔热容量：摩尔热容量：1mol1mol物质物质温度升高温度升高1K1K所吸取热量。所吸取热量。2.比热：比热：1公斤物质公斤物质温度升高温度升高1oC所吸取热量。所吸取热量。第59页第59页特性：特性：系统对外界不作功，系系统对外界不作功，系统吸取热量所有用来增统吸取热量所有用来增长系统内能。长系统内能。11、等（体）容过程：等（体）容过程：几种过程中热容量几种过程中热容量第60页第60页2、等压过程、等压过程特点：特点：抱负气体压强保持不变，抱负气体压强保持不变，p=const过程曲线：过程曲线：在在PV 图上是一条平行于图上是一条平行于V 轴直线，轴直线，叫叫等压线等压线。内能、功和热量改变内能、功和热量改变特性：特性：系统吸取热量一部分用系统吸取热量一部分用来增长系统内能，另一来增长系统内能，另一部分使系统对外界作功。部分使系统对外界作功。过程方程：过程方程：第61页第61页定义定义 为系统焓为系统焓 性质：广延量，单位焦耳（性质：广延量，单位焦耳（J）即等压过程中系统吸取热量等于系统焓增长。即等压过程中系统吸取热量等于系统焓增长。3.等温过程等温过程 4.绝热过程绝热过程 第62页第62页（通过（通过自由自由膨胀试验膨胀试验,见见p30图图1.11）1-7 抱负气体内能抱负气体内能由由U=U(T,V),得得 焦耳定律焦耳定律:气体内能只是温度函数气体内能只是温度函数,与体与体积无关积无关.水温没改变水温没改变第63页第63页对于抱负气体:由H=U+pV=U+nRT 得,比热容比比热容比焦耳定律描述是抱负气体焦耳定律描述是抱负气体,实际气体实际气体U与体积相关与体积相关.第64页第64页摩尔热容比摩尔热容比气体气体理论值理论值试验值试验值CV,mCP,mCV,mCP,mHe12.4720.781.6712.6120.951.66Ne12.5320.901.67H220.7820.091.4020.4728.831.41N220.5628.881.40O221.1629.611.40H2O24.9333.241.3327.836.21.31CH427.235.21.30CHCl363.772.01.13第65页第65页 1-8 抱负气体等温过程和绝热过程抱负气体等温过程和绝热过程一、等温过程一、等温过程特点：特点：抱负气体温度保持不变，抱负气体温度保持不变，T=const过程曲线：过程曲线：在在PV图上是一条双曲线，叫图上是一条双曲线，叫等温线等温线。过程方程：过程方程：pV内能、功和热量改变内能、功和热量改变系统从外界系统从外界吸取热量，吸取热量，所有用来对所有用来对外作功。外作功。第66页第66页二、绝热过程二、绝热过程1、绝热过程、绝热过程特点：特点：系统与外界没有热量互换过程，系统与外界没有热量互换过程，内能和功改变内能和功改变特性：特性：在绝热过程中，外界对系统所作功所有用来增在绝热过程中，外界对系统所作功所有用来增长系统内能。长系统内能。第67页第67页绝热过程计算功办法绝热过程计算功办法将绝热方程将绝热方程 代入代入 得得第68页第68页2、绝热方程、绝热方程推导：对绝热过程，由热力学第一定律推导：对绝热过程，由热力学第一定律对于抱负气体对于抱负气体将上式与抱负气体状态将上式与抱负气体状态方程结合即可得另外两方程结合即可得另外两式。式。第69页第69页三、绝热线和等温线三、绝热线和等温线绝热线绝热线等温线等温线斜率斜率斜率斜率由于由于 =CP,m/CV,m 1，因此因此绝热线比等温线更绝热线比等温线更陡陡第70页第70页声速:测定：通过测定气体中声速来拟定测定：通过测定气体中声速来拟定 比体积比体积第71页第71页四、多方过程四、多方过程事实上，气体所进行过程，经常既不事实上，气体所进行过程，经常既不是等温又不是绝热，而是介于两者之是等温又不是绝热，而是介于两者之间，可表示为间，可表示为 pVn =C （n n为多方指数）为多方指数）凡满足上式过程称为凡满足上式过程称为多方过程多方过程。n=1 等温过程等温过程 n=绝热过程绝热过程 n=0 等压过程等压过程 n=等容过程等容过程普通情况普通情况1 n ，多方过程可近似代多方过程可近似代表气体内进行实际过程。表气体内进行实际过程。阐明：阐明：抱负气体内能增量为抱负气体内能增量为抱负气体状态方程对抱负气体状态方程对各种过程都成立。各种过程都成立。第72页第72页多方过程功多方过程功吸取热量吸取热量多方过程内能改变多方过程内能改变不是摩尔数不是摩尔数试证实此表示式试证实此表示式第73页第73页在热机中被用来吸取热量并对外作功物质叫工作物质，在热机中被用来吸取热量并对外作功物质叫工作物质，简称简称工质工质。工质往往经历着循环过程，即经历一系列。工质往往经历着循环过程，即经历一系列改变又回到初始状态。改变又回到初始状态。2、特点：、特点：若循环每一阶段都是准静态过程，则此循环可用若循环每一阶段都是准静态过程，则此循环可用p p-V V图上图上一条闭合曲线表示。工质在整个循环过程中对外作一条闭合曲线表示。工质在整个循环过程中对外作 净功净功等于曲线所包围面积。等于曲线所包围面积。系统通过一个循环以后，系统内能没有改变系统通过一个循环以后，系统内能没有改变 1-9 抱负气体抱负气体卡诺循环卡诺循环一、循环过程一、循环过程1、定义：、定义：系统通过一系列状态改变以后，又回到本来状态过程叫系统通过一系列状态改变以后，又回到本来状态过程叫作热力学系统作热力学系统循环过程循环过程，简称，简称循环循环。第74页第74页沿顺时针方向进行循沿顺时针方向进行循环称为环称为正循环正循环。沿逆时针方向进行循沿逆时针方向进行循环称为环称为逆循环逆循环。二、热机和制冷机二、热机和制冷机1、循环过程分类、循环过程分类pVabcd正循环正循环pVabcd逆循环逆循环2、热机、热机工作物质作正循工作物质作正循环机器，称为环机器，称为热热机机，它是，它是把热量把热量连续不断地转化连续不断地转化为功机器。为功机器。第75页第75页正循环特性：正循环特性：一定质量工质在一次循环一定质量工质在一次循环过程中要从高温热源吸热过程中要从高温热源吸热Q Q1 1，对外作净功，对外作净功W W，又向低，又向低温热源放出热量温热源放出热量Q Q2 2。并且。并且工质回到初态，内能不变。工质回到初态，内能不变。工质经一循环工质经一循环 W=Q1-Q2热机效率或循环效率：热机效率或循环效率：表示热机效能表示热机效能高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2Q1Q2WT1 Q1T2 Q2泵泵|W|气缸气缸第76页第76页逆循环特性：逆循环特性：制冷机经历一个逆循环后，由于外界对它作制冷机经历一个逆循环后，由于外界对它作功，能够把热量由低温热源传递到高温热源。功，能够把热量由低温热源传递到高温热源。在一个循环中，外界作功在一个循环中，外界作功W W，从低温热源吸，从低温热源吸取热量取热量Q Q2 2，向高温热源放出热量向高温热源放出热量Q Q1 1。并且工质。并且工质回到初态，内能不变。回到初态，内能不变。制冷系数：制冷系数：表示制冷机效能表示制冷机效能高温热源高温热源 T1低温热源低温热源 T2Q1Q2W3、制冷机、制冷机工作物质作逆循环机器，称为工作物质作逆循环机器，称为制冷机制冷机，它是，它是把热量从低温热源抽到高温热源机器。把热量从低温热源抽到高温热源机器。第77页第77页三、卡诺循环三、卡诺循环(1796-1832)法国工程师、热力学创始人之一。法国工程师、热力学创始人之一。他创造性地用他创造性地用“抱负试验抱负试验”思维办法，提出了思维办法，提出了最简朴、但有主要理论意义热机循环最简朴、但有主要理论意义热机循环卡诺卡诺循环循环，创造了一部抱负热机，创造了一部抱负热机卡诺热机。卡诺热机。1824年卡诺提出了对热机设计含有普遍指导意年卡诺提出了对热机设计含有普遍指导意义卡诺定理，指出了提升热机效率有效路径，义卡诺定理，指出了提升热机效率有效路径，揭示了热力学不可逆性，被后人认为是热力学揭示了热力学不可逆性，被后人认为是热力学第二定律先驱。第二定律先驱。概概念念：卡卡诺诺循循环环过过程程由由四四个个准准静静态态过过程程构构成成，其其中中两两个个是是等等温温过过程程和和两两个个是是绝绝热热过过程程构构成成。卡卡诺诺循循环是一个抱负化模型。环是一个抱负化模型。分类分类正循环正循环卡诺热机卡诺热机逆循环逆循环卡诺制冷机卡诺制冷机1、卡诺循环、卡诺循环第78页第78页ABCDPV0V1V4V2V3T1T2p1p4p2p3Q1Q2A AB B：等温膨胀过程，体积由：等温膨胀过程，体积由V V1 1膨胀到膨胀到V V2 2，内能没有改变，系统从高温热源内能没有改变，系统从高温热源T T1 1吸取热吸取热量所有用来对外作功量所有用来对外作功B BC C：绝热膨胀，体积由：绝热膨胀，体积由V V2 2变变到到V V3 3，系统不吸取热量，对外，系统不吸取热量，对外所作功等于系统减少内能所作功等于系统减少内能2、卡诺热机：正循环、卡诺热机：正循环卡诺热机四个过程卡诺热机四个过程第79页第79页C CD D：等温压缩过程：体积由：等温压缩过程：体积由V V3 3压缩到压缩到V V4 4，内能改变为零，内能改变为零，系统对外界所作功等于向低温热源系统对外界所作功等于向低温热源T T2 2放出热量放出热量D DA A：绝热压缩绝热压缩过程：体：绝热压缩绝热压缩过程：体积由积由V V4 4变到变到V V1 1，系统不吸取热量，系统不吸取热量，外界对系统所作功等于系统增长内外界对系统所作功等于系统增长内能。能。在一次循环中，在一次循环中，系统对外界所作系统对外界所作净功为净功为|W|=Q|W|=Q1 1-Q-Q2 2T T1 1T T2 2Q Q1 1Q Q2 2W WA AB BC CD DP PV V0 0V V1 1V V4 4V V2 2V V3 3T T1 1T T2 2p p1p p4 4p p2 2p p3 3Q Q1 1Q Q2 2第80页第80页抱负气体卡诺循环抱负气体卡诺循环效率只与两热效率只与两热源温度相关源温度相关卡诺热机效率卡诺热机效率应用绝热方程应用绝热方程BCBC过程过程DADA过程过程两式比较两式比较第81页第81页卡诺热机效率只由高温热源和低温热源温度决定，卡诺热机效率只由高温热源和低温热源温度决定，高温热源温度越高，低温热源温度越低，则循环效高温热源温度越高，低温热源温度越低，则循环效率越高；率越高；阐明：阐明：高温热源温度不也许无限制地提升，低温热源温度也高温热源温度不也许无限制地提升，低温热源温度也不也许达到绝对零度，因而热机效率总是小于不也许达到绝对零度，因而热机效率总是小于1 1，即不，即不也许把从高温热源所吸取热量所有用来对外界作功。也许把从高温热源所吸取热量所有用来对外界作功。第82页第82页工质把从低温热源吸取热量和外界对它所作功以工质把从低温热源吸取热量和外界对它所作功以热量形式传给高温热源，其结果可使低温热源温热量形式传给高温热源，其结果可使低温热源温度更低，达到制冷目的。吸热越多，外界作功越度更低，达到制冷目的。吸热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。用制冷系数少，表明制冷机效能越好。用制冷系数e e表示之。表示之。T1T2Q1Q2W3、卡诺制冷机：逆循环、卡诺制冷机：逆循环制冷机制冷机工作原理工作原理制冷系数制冷系数A AB BC CD DP PV V0 0V V1 1V V4 4V V2 2