热学热力学过程.pptx

第五章第五章热力学第一定律热力学第一定律TheFirstLawofThermodynamics历史背景：历史背景：19 19世纪世纪4040年代以前，自然科学的发展为能量转化与守恒原理奠定了基础。年代以前，自然科学的发展为能量转化与守恒原理奠定了基础。1 1力学方面的准备力学方面的准备 伽利略的斜面问题和摆的运动，伽利略的斜面问题和摆的运动，斯梯芬斯梯芬(Stevin，15481620)杠杆原理的研究，杠杆原理的研究，惠更斯完全弹性碰撞的研究等；惠更斯完全弹性碰撞的研究等；伯努利伯努利(DanielBernoulli，17001782)的流体运动方程是流的流体运动方程是流体运动中的机械能守恒定律。体运动中的机械能守恒定律。第1页/共82页2化学、生物学方面的准备化学、生物学方面的准备法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡(A.L.Lavoisier，17431794)和拉普拉斯和拉普拉斯(P.S.M.Laplace，17491827)曾经研究过一个重要的生理现象，曾经研究过一个重要的生理现象，他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等。程燃烧所发的热接近相等。德国化学家李比希德国化学家李比希(J.Liebig，18031873)的学生莫尔则进一的学生莫尔则进一步认为不同形式的步认为不同形式的“力力”（即能量）都是机械（即能量）都是机械“力力”的表现，他的表现，他写道：写道：“除了除了54种化学元素外，自然界还有一种动因，叫做力。力在种化学元素外，自然界还有一种动因，叫做力。力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些运动形式中的每一种可以得出一切其余形式。和磁，从这些运动形式中的每一种可以得出一切其余形式。”他他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。TheFirstLawofThermodynamics历史背景：历史背景：第2页/共82页4热学方面的准备热学方面的准备3电磁学方面的准备电磁学方面的准备 在电与热的关系上，在电与热的关系上，1821年塞贝克年塞贝克(Seebeck)(Seebeck)发现的温差电现象发现的温差电现象是是“自然力自然力”互相转化的又一重要例证。焦耳互相转化的又一重要例证。焦耳(J.P.Joule，18181889)在在1840年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现i2R定律，这是能量转化定律，这是能量转化的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。TheFirstLawofThermodynamics历史背景：历史背景：第一类永动机研发的失败！第一类永动机研发的失败！第一类永动机研发的失败！第一类永动机研发的失败！第3页/共82页魔轮通过安放在转轮上一系列可动魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，向下行方向的悬的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下靠而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。平衡驱动魔轮的转动。“魔轮魔轮”法国人法国人亨内考亨内考第4页/共82页“第一类永动机第一类永动机”第5页/共82页放放之之四四海海皆皆准准17751775年，法国科学院不再受理关于永动机的发明。年，法国科学院不再受理关于永动机的发明。“永动机”是违背了最基本的科学原理:物质守恒和能量守恒原理的。但古今中外始终有人还在搞什么“永动机”的发明。这些人中有些是对科学的基本原理不清楚，以致白白浪费了时间和精力(国民革命军将领黄维)；而更多的是别有用心的骗子，希望以永动机出名和获利，制造各种假的“永动机”来欺世盗名骗钱。第6页/共82页大约在280年前，有位德国博士奥尔菲留斯发明了一个“永动机”自动轮。1717年，波兰国王把这位博士请到了波兰，并派了一位名叫格森卡赛尔斯基的州长鉴定其真伪。这位州长为奥尔菲留斯创造了条件，把安装机器的房子与四周隔离。1717年11月12日，自动轮安装完毕，开始转动。州长亲自锁上了门，贴上了封条，派了两名卫兵昼夜看守这座房子。两周以后州长亲自启封开锁，看到轮子还在转动，于是再次上锁加封，又过了40天。1728年1月4日再次开封，轮子还在转。这位认真的州长还不放心，又观察了两个月，看到了轮子确实“永动”。于是州长就给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书，从此以后奥尔菲留斯名声大噪，他周游欧洲列国展出他的自动轮，卖票赚了许多钱，并得到各国大人物的褒奖和舆论界的赞扬。消息传到俄国，彼得大帝对该发明极感兴趣，派了一位专使苏马赫找奥尔菲留斯谈判，想连人带机器买到俄国去。奥尔菲留斯开价是10万卢布！苏马赫向彼得大帝汇报了两个情况：一是他看到轮子真的不停地转，二是介绍了法国和英国学者的看法，他们无论如何也不相信“永动机”是真的，因为它从根本上是违背科学原理的。因此，彼得大帝迟迟未下决心用10万卢布巨款去买这个自动轮，他想在1725年亲自去欧洲看看，但后来由于他去世了，终归没有看到这个“永动机”。科学界一直认为这绝对是一个大骗局。他们并不买那位波兰州长的帐。凭什么他用眼睛看看就认为是事实，就发什么鉴定证书，真是岂有此理。科学家们公开指责这是个大骗局，并且悬赏1000马克给揭穿骗局的人。最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房子里修了一个夹壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就会转。轮子不是“永动”的，而是“人动”的。牵绳的人就是博士的弟弟和女仆。我们不知道那位女仆有没有得到1000马克的赏金，但确实有人出了一本小册子，揭露了这个骗局，还公布了一张图，人们一看就会明白无误。第7页/共82页 在我国，早在新中国成立之初，1949 年 4 月创刊的科学通报第一期上，中国科学院就已宣布“永动机”是不可能的，并且希望发明家们今后能将他们的发明热忱和精力转移到切合实际的方面上去。然而“永动机”的“发明家”仍是络绎不绝。最近，在全国各地传播着一个关于“永动机”的录像资料。这份录像前面有一段前言，是这样说的：我国青年科学家王某，一个名不见经传，没有受过系统高等教育的小人物在前人无数次失败的基础上，经过无数次地探索，不断地追求，以惊人的毅力，大无畏的精神敢于向科学上的传统观念挑战，敢于向著名的科学权威挑战，在攻克了以水代油的能源新技术之后，又攻克了“永动机”这一世界尖端科学的新技术。这一世界尖端科学的新技术到底如何呢？首先，鉴定这一新技术的不是科学家，而是某市公安局副局长及其下属们。其次我们看到王某在公安局副局长面前将几块木板拼凑起来，中间卡了一个木轴，拨动后木轴就不断转动，这就是王某的“永动机”。录像显示这个“永动机”还能发电，电力可以使电视机、电冰箱、洗衣机工作，等等。但是问题在于，王某始终没有说清他家中幕前幕后的电线分布状态。另外，在这几块木板中，有一块木板早就做好了圆孔，可以卡入一个小电动机，所谓转动不停的木棍是联在小电动机上的。如果仔细点，人们就会发现，木板孔内有电动机的电源接头。而奥妙就在这块木板之内，如果将此块木板劈开，真相就可大白。所谓的“永动机”和现时商店中卖的转动不停的案头装饰品没什么两样，那些装饰品的动力在于底座中的电池。而王某的“永动机”的电池正是在木板夹层之内。这是一个表演的骗局，但绝对骗不倒科学家和具有起码科学精神和科学方法的人们。王某在家中给公安局长表演得还是很“灵”的，可一但离开了“家”，表演就原形毕露了。他被请到了某研究院表演他的“永动机”，而研究院的领导们事先切断了全院的电源。这时，什么电冰箱、洗衣机、电视机全部无法启动，而且“永动机”空转也成了问题。这就使得王某先是满头大汗，最后只能鼠窜而去。这就是最新的“永动机”骗局！它的本质是“骗”，而其社会功能则是一把尺子，一把衡量国民科学文化素质的尺子。第8页/共82页放放之之四四海海皆皆准准永动机之不可能，实质上是用否定的形式提出了能量守永动机之不可能，实质上是用否定的形式提出了能量守恒的基本思想。恒的基本思想。在在 1818世纪末世纪末 1919世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。们越来越关注热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。19191919世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机对蒸汽机“出力出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转化得到了广泛的研究。化得到了广泛的研究。第9页/共82页到到1919世纪上半叶，已有很多种能量转化的形式被发世纪上半叶，已有很多种能量转化的形式被发现：现：放放之之四四海海皆皆准准18451845年提出了年提出了2525种运动形式相互转化的形式。种运动形式相互转化的形式。法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡曾经研究过一个重要的生理现象，豚鼠吃过食物后发出动曾经研究过一个重要的生理现象，豚鼠吃过食物后发出动曾经研究过一个重要的生理现象，豚鼠吃过食物后发出动曾经研究过一个重要的生理现象，豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等；物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等；物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等；物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等；18211821年年年年塞贝克塞贝克塞贝克塞贝克发现的温差电现象是发现的温差电现象是发现的温差电现象是发现的温差电现象是“自然力自然力自然力自然力”互相转化的又一重要互相转化的又一重要互相转化的又一重要互相转化的又一重要例证，焦耳在例证，焦耳在例证，焦耳在例证，焦耳在18401840年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现i i2 2R R定律，这是能量转化的定律，这是能量转化的定律，这是能量转化的定律，这是能量转化的一个定量关系一个定量关系一个定量关系一个定量关系.埃瓦特埃瓦特埃瓦特埃瓦特(PeterEwartPeterEwart，1767-18421767-1842)对煤的燃烧所产生的热量和由此提对煤的燃烧所产生的热量和由此提对煤的燃烧所产生的热量和由此提对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的供的供的供的“机械动力机械动力机械动力机械动力”之间的关系作了研究之间的关系作了研究之间的关系作了研究之间的关系作了研究;丹麦工程师和物理学家丹麦工程师和物理学家丹麦工程师和物理学家丹麦工程师和物理学家柯尔丁柯尔丁柯尔丁柯尔丁(L.ColdingL.Colding，1815-18881815-1888)对热、功之对热、功之对热、功之对热、功之间的关系也作过研究：从事过摩擦生热的实验间的关系也作过研究：从事过摩擦生热的实验间的关系也作过研究：从事过摩擦生热的实验间的关系也作过研究：从事过摩擦生热的实验.第10页/共82页确立能量转化和守恒定律的三大功确立能量转化和守恒定律的三大功臣臣a a.孜孜不倦的实验物理学家孜孜不倦的实验物理学家孜孜不倦的实验物理学家孜孜不倦的实验物理学家 从从1840到到1879年年Joule进行了多种进行了多种多样的实验，致力于精确测定功与热相多样的实验，致力于精确测定功与热相互转化的数值关系互转化的数值关系热功当量。热功当量。他于他于18501850年发表了实验结果，其热年发表了实验结果，其热功当量相当于功当量相当于4.157Jcal-1。能量转化与守恒定律的实验基础能量转化与守恒定律的实验基础 第11页/共82页 迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，作为随船医生，在给生病的船员放血迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，作为随船医生，在给生病的船员放血迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，作为随船医生，在给生病的船员放血迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，作为随船医生，在给生病的船员放血时，发现静脉血不象生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血时，发现静脉血不象生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血时，发现静脉血不象生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血时，发现静脉血不象生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。这现象引起了迈尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样这现象引起了迈尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样这现象引起了迈尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样这现象引起了迈尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。历史上第一个发表论文，阐述能量守恒原理的是历史上第一个发表论文，阐述能量守恒原理的是德国人德国人德国人德国人迈耶迈耶迈耶迈耶(Mayer)(Mayer)。b b.善于总结的自然博物学家善于总结的自然博物学家迈迈耶耶1842-18471842-1847年间确立了能量守恒定律年间确立了能量守恒定律.第12页/共82页18421842年迈尔提出了机械能与热能间转换的原年迈尔提出了机械能与热能间转换的原年迈尔提出了机械能与热能间转换的原年迈尔提出了机械能与热能间转换的原理，理，理，理，焦耳是通过大量严格的定量实验去精确测定焦耳是通过大量严格的定量实验去精确测定焦耳是通过大量严格的定量实验去精确测定焦耳是通过大量严格的定量实验去精确测定热功当量热功当量热功当量热功当量,从而证明能量守恒概念的；从而证明能量守恒概念的；从而证明能量守恒概念的；从而证明能量守恒概念的；而迈耶则从而迈耶则从而迈耶则从而迈耶则从哲学思辨方面哲学思辨方面哲学思辨方面哲学思辨方面阐述能量守恒概念。阐述能量守恒概念。阐述能量守恒概念。阐述能量守恒概念。善于总结的自然博物学家善于总结的自然博物学家迈耶迈耶第13页/共82页德国生理学家、物理学家德国生理学家、物理学家Helmholtz赫姆霍赫姆霍兹兹，发展了迈耶和焦耳的工作，讨论了当时的，发展了迈耶和焦耳的工作，讨论了当时的力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成力学的、热学的、电学的、化学的各种科学成就。就。他严谨地认证了如下规律：他严谨地认证了如下规律：在各种运动中的能量是守恒的在各种运动中的能量是守恒的。第一次以数学方式提出了能量守恒与转化定第一次以数学方式提出了能量守恒与转化定律。律。c c c c.亥姆霍兹亥姆霍兹亥姆霍兹亥姆霍兹概括出能量转化和守恒定律的三大功臣概括出能量转化和守恒定律的三大功臣第14页/共82页能量转化与守恒定律是自然界基本规律能量转化与守恒定律是自然界基本规律之一。恩格斯对这一规律的发现给予崇高的评之一。恩格斯对这一规律的发现给予崇高的评价，把它和达尔文进化论及细胞学说并列为三价，把它和达尔文进化论及细胞学说并列为三大自然发现。大自然发现。纪念为实现永动机奋斗而失败的人们放放之之四四海海皆皆准准历史背景：历史背景：第15页/共82页5.1热力学过程热力学过程5.2功功5.3热量热量5.4热力学第一定律热力学第一定律5.5热容量热容量焓焓5.6气体的内能气体的内能焦耳焦耳-汤姆逊实验汤姆逊实验5.8循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环 5.7热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用TheFirstLawofThermodynamics第16页/共82页5.1热力学过程热力学过程一、热力学过程 二、热力学过程的分类、表示第17页/共82页一、热力学过程 1 1、定义：热力学系统的热力学系统的状态状态随时间变化，称系统随时间变化，称系统经历了一个热力学过程经历了一个热力学过程 。p1,T1,V1p2,T2,V2vacuum第18页/共82页描述热力学过程的一个重要指标！2、驰豫时间：当当外外界界条条件件变变化化时时，系系统统原原来来的的平平衡衡态态被被破破坏坏，系系统统本本身身由由于于分分子子热热运运动动和和碰碰撞撞而而产产生生的的输输运运过过程程力力图图消消除除外外界界作作用用造造成成的的不不平平衡衡，而而在在外外界界决决定定的的新新条条件件下下达达到到新新的的平平衡衡，这这需需要要一一定定的的时间时间以以 表示。表示。压强压强 温度温度外界条件变化的时间间隔外界条件变化的时间间隔 t与驰豫时间与驰豫时间 的相对快慢的相对快慢!第19页/共82页5.1热力学过程热力学过程一、热力学过程 二、热力学过程的分类、表示1.1.非静态过程非静态过程非静态过程非静态过程2.2.准静态过程准静态过程准静态过程准静态过程（Quasi-staticprocess）第20页/共82页当当当当 t t t ，初态初态-终态终态系列平衡态（系列平衡态（p V Tp V T）无摩擦的准静态过程无摩擦的准静态过程（内参量等于外参量）（内参量等于外参量）第23页/共82页 !一种理想的状态变化过程。一种理想的状态变化过程。！在状态图上表示：一系列点所联结成的实线。在状态图上表示：一系列点所联结成的实线。第24页/共82页（1）一个个先后移走砝码，）一个个先后移走砝码，并且只有新平衡态建立以后才移并且只有新平衡态建立以后才移走下一个砝码，就是（走下一个砝码，就是（）。）。例例例例1.1.从活塞上移走砝码的实验从活塞上移走砝码的实验从活塞上移走砝码的实验从活塞上移走砝码的实验:图示：活塞上图示：活塞上非常小砝码非常小砝码mgp=mg/Ap ，(I)()的过程可看作准静态过程的过程可看作准静态过程,第25页/共82页 例例例例1.1.从活塞上移走砝码的实验从活塞上移走砝码的实验从活塞上移走砝码的实验从活塞上移走砝码的实验:（2）全部砝码水平地移到右搁板上，这就是全部砝码水平地移到右搁板上，这就是()。为非静态过程。为非静态过程。在振荡过程中不满足在振荡过程中不满足力学力学平衡条件平衡条件第26页/共82页该过程是否是准静态过程该过程是否是准静态过程?由于在热传导过程中，由于在热传导过程中，固体温度处处不同，固体温度处处不同，它它不满足不满足热学平衡条件热学平衡条件故不是准静态过程故不是准静态过程。例例2：热量传递过程。：热量传递过程。使物体温度从T1变为T0的准静态过程？第27页/共82页 要求要求T Ti ，其温度依次递增其温度依次递增T使物体温度从T1变为T0的准静态过程第28页/共82页在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的任一中间状态，氮气与氧气的成分都处处不均匀，任一中间状态，氮气与氧气的成分都处处不均匀，系统不满足系统不满足化学平衡条件化学平衡条件.又如，两种液体相互混合、固体溶解于水、渗透等过程又如，两种液体相互混合、固体溶解于水、渗透等过程第29页/共82页既然准静态过程要求经历的每一个中间状态都是平衡态，故只既然准静态过程要求经历的每一个中间状态都是平衡态，故只有系统内部各部分之间及系统与外界之间都始终同时满足力学、有系统内部各部分之间及系统与外界之间都始终同时满足力学、热学、化学平衡条件的过程才是准静态过程。热学、化学平衡条件的过程才是准静态过程。而在实际过程中的而在实际过程中的“满足满足”常常是有一定程度的近似常常是有一定程度的近似的。第30页/共82页 只要系统内部各部分间只要系统内部各部分间(或系统与外界间或系统与外界间)的压强差的压强差p、温、温度差度差T ，以及同一成分在各处的分子数密度之差，以及同一成分在各处的分子数密度之差n,分别满足分别满足 p p，T T,n t 第31页/共82页5.1热力学过程热力学过程一、热力学过程 二、热力学过程的分类 第32页/共82页5.1热力学过程热力学过程5.2功功5.3热量热量5.4热力学第一定律热力学第一定律5.5热容量热容量焓焓5.6气体的内能气体的内能焦耳焦耳-汤姆逊实验汤姆逊实验5.8循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环5.7热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用TheFirstLawofThermodynamics 第33页/共82页5.2功功(准静态过程准静态过程)力学_机械功：力对物体作功物体的运动状态发生变化物体的机械能发生变化电场功、磁场功作功作功物体的物体的电磁状态改变电磁状态改变物体的物体的热运动状态改变热运动状态改变第34页/共82页5.2功功(准静态过程准静态过程)一、流体体积功 二、功的认识三、其它形式的功第35页/共82页由于气体体积减小了由于气体体积减小了Sdl，即，即 dV=-Sdl所以上式又可写成所以上式又可写成活塞活塞气缸中无摩擦移动气缸中无摩擦移动,截面积为截面积为S，气缸中封有流体。，气缸中封有流体。1.1.1.1.无限小过程无限小过程无限小过程无限小过程一、流体体积功 外界对气体所作元功为：外界对气体所作元功为：第36页/共82页 在无摩擦的准静态过程中，在无摩擦的准静态过程中，在无限小的过程中外界对气体所作元功的表达式为在无限小的过程中外界对气体所作元功的表达式为 系统对外作元功的表达式为系统对外作元功的表达式为符号规则：符号规则：外界对气体所作元功外界对气体所作元功气体体积的变化气体体积的变化（+膨胀膨胀-压缩）压缩）(a a)(b b)第37页/共82页2 2.宏观有限过程宏观有限过程宏观有限过程宏观有限过程 V V1 1-VV2 2外界对气体所作功为：外界对气体所作功为：(适适适适用用用用范范范范围围围围到到到到固固固固体体体体)准准准准静静静静态态态态过过过过程程程程体体体体积积积积功功功功的的的的公公公公式式式式系统对外界所作功为：系统对外界所作功为：第38页/共82页图中图中 V 到到V+dV 区区间内曲线下的面积间内曲线下的面积=元元功功就是从就是从 V1 1 到到 V2 区间内曲线区间内曲线下的面积下的面积。3 3.体积功的几何表现体积功的几何表现体积功的几何表现体积功的几何表现第39页/共82页 (1)理想气体等温膨胀过程理想气体等温膨胀过程4.体积功的计算体积功的计算准静态等温过程准静态等温过程准静态等温过程准静态等温过程中作的功中作的功:第40页/共82页准静态等温过程准静态等温过程准静态等温过程准静态等温过程中作的功中作的功:因为等温膨胀时，因为等温膨胀时，V2 V1，A 0，说明，说明利用利用p1V1=p2V2的关系，的关系，第41页/共82页(2)准静态等压加热过程准静态等压加热过程准静态等压加热过程准静态等压加热过程中的功中的功然后使气体与一系列的温度分别为然后使气体与一系列的温度分别为TTi设想气缸导热设想气缸导热,被活塞封有的气体压强始被活塞封有的气体压强始终保持恒量。终保持恒量。2T2第42页/共82页(2)准静态等压加热过程中的功第43页/共82页（3）准准静静态态等等体体积积功功等体加热过程中不做功，所吸收的热量等于等体加热过程中不做功，所吸收的热量等于内能的增加内能的增加。若用鞘钉把活塞卡死，如图。若用鞘钉把活塞卡死，如图。第44页/共82页.体积功的计算体积功的计算准静态等温功准静态等温功准静态等温功准静态等温功:准静态等压功：准静态等压功：准静态准静态准静态准静态等体功：等体功：等体功：等体功：第45页/共82页例题例题1定压强定压强p下、气体的体积从下、气体的体积从V1被压缩到被压缩到V2。（1）若为准静态过程，计算外界所作的功？）若为准静态过程，计算外界所作的功？（2）若为非静态过程，结果如何？若为非静态过程，结果如何？解解解解(1)(1)(2)(2)非静态过程公式非静态过程公式不再适用不再适用但是但是第46页/共82页例题例题2固液体被等温压缩的功固液体被等温压缩的功固液体被等温压缩的功固液体被等温压缩的功在在T=273.15K下，对下，对1.00g铜加压，压强从铜加压，压强从1.00atm增到增到1000atm。若为准静态过程，计算外界所作的若为准静态过程，计算外界所作的功？功？*等温压缩系数：等温压缩系数：等温压缩系数：等温压缩系数：第47页/共82页5.2功功(准静态过程准静态过程)一、流体体积功 二、功的认识三、其它形式的功第48页/共82页二、功的认识第49页/共82页 说明功与变化路径有关，功不是系统状态的属性，不是状态的函说明功与变化路径有关，功不是系统状态的属性，不是状态的函数；功是过程量，而非状态量！数；功是过程量，而非状态量！无穷小变化过程中所做的元功无穷小变化过程中所做的元功 dA 不满足多元函数全微分的条件不满足多元函数全微分的条件,d dW W 仅表示沿某一路径无穷小变化。仅表示沿某一路径无穷小变化。第50页/共82页5.2功功(准静态过程准静态过程)一、流体体积功 二、功的认识三、其它形式的功第51页/共82页 1.表面张力功表面张力功三、其它形式的功第52页/共82页演示液体表面张力示范实验演示液体表面张力示范实验演示液体表面演示液体表面张力示范实验张力示范实验第53页/共82页1.表面张力功表面张力功 设想在表面上任意画一条线，该设想在表面上任意画一条线，该设想在表面上任意画一条线，该设想在表面上任意画一条线，该线两旁的液体表面之间存在相互作用线两旁的液体表面之间存在相互作用线两旁的液体表面之间存在相互作用线两旁的液体表面之间存在相互作用的拉力，拉力方向与所画线垂直。的拉力，拉力方向与所画线垂直。的拉力，拉力方向与所画线垂直。的拉力，拉力方向与所画线垂直。定义定义定义定义:单位长度所受到的表面张力单位长度所受到的表面张力单位长度所受到的表面张力单位长度所受到的表面张力称为称为称为称为表面张力系数表面张力系数表面张力系数表面张力系数(NmNm-1-1)。三、其它形式的功第54页/共82页 L LFilm(两个表面两个表面两个表面两个表面)表面张力系数为 的肥皂膜在在F 作用下使金属丝缓慢向右移动作用下使金属丝缓慢向右移动dx 距离，距离，第55页/共82页在在F 作用下使金属丝缓慢向右移动作用下使金属丝缓慢向右移动dx 距离，距离，F 克服表面张力所作的元功为：克服表面张力所作的元功为：dA =2Ldx =dS(2Ldx=dS)F=2L L L三、其它形式的功第56页/共82页2.可逆电池电荷移动的功可逆电池电荷移动的功G理想蓄电池分压器B+_abG=0dq0蓄电池通过外电路放电外电路对蓄电池所作的元功：外电路对蓄电池所作的元功：用到电场参量：用到电场参量：q,U,q,U,外电路做负功表示蓄电池放电！第57页/共82页电场功和磁场功：电场功和磁场功：电场功和磁场功：电场功和磁场功：是指物质极化、磁化时是指物质极化、磁化时是指物质极化、磁化时是指物质极化、磁化时 热力系与外界交换的能量。热力系与外界交换的能量。热力系与外界交换的能量。热力系与外界交换的能量。三、其它形式的功第58页/共82页3.电电场场场场极化功极化功在由电介质构成的热力系中，外电场发生在由电介质构成的热力系中，外电场发生在由电介质构成的热力系中，外电场发生在由电介质构成的热力系中，外电场发生变化时为使电介质中的电偶极子转动而沿一定变化时为使电介质中的电偶极子转动而沿一定变化时为使电介质中的电偶极子转动而沿一定变化时为使电介质中的电偶极子转动而沿一定方向排列需作极化功。这时，外界对系统完成方向排列需作极化功。这时，外界对系统完成方向排列需作极化功。这时，外界对系统完成方向排列需作极化功。这时，外界对系统完成的功为：的功为：的功为：的功为：E E为电场强度；为电场强度；为电场强度；为电场强度；p p为极化强度（单位容积内电偶极矩的矢量和）；为极化强度（单位容积内电偶极矩的矢量和）；为极化强度（单位容积内电偶极矩的矢量和）；为极化强度（单位容积内电偶极矩的矢量和）；V V为系统的容积；为系统的容积；为系统的容积；为系统的容积；P P为系统的电偶极矩。为系统的电偶极矩。为系统的电偶极矩。为系统的电偶极矩。第59页/共82页4.磁化功磁化功 在由磁性物质组成的热力系中，外磁场变在由磁性物质组成的热力系中，外磁场变在由磁性物质组成的热力系中，外磁场变在由磁性物质组成的热力系中，外磁场变化时为使磁偶极子定向，需对系统完成磁化功。化时为使磁偶极子定向，需对系统完成磁化功。化时为使磁偶极子定向，需对系统完成磁化功。化时为使磁偶极子定向，需对系统完成磁化功。这时，外界对系统完成的功为：这时，外界对系统完成的功为：这时，外界对系统完成的功为：这时，外界对系统完成的功为：H H为电介质中的磁场强度；为电介质中的磁场强度；为电介质中的磁场强度；为电介质中的磁场强度；mm为磁化强度（单位容积内磁偶极矩的矢量和）；为磁化强度（单位容积内磁偶极矩的矢量和）；为磁化强度（单位容积内磁偶极矩的矢量和）；为磁化强度（单位容积内磁偶极矩的矢量和）；u u0 0为自由空间的导磁率为自由空间的导磁率为自由空间的导磁率为自由空间的导磁率;MM为系统的磁偶极矩为系统的磁偶极矩为系统的磁偶极矩为系统的磁偶极矩.第60页/共82页小结：小结：各种功广义力广义功强度量广延量广义位移电荷移动的功电荷移动的功表面张力功表面张力功体积功体积功第61页/共82页外界对系统所作的元功一般表达式：外界对系统所作的元功一般表达式：外界对系统所作的元功一般表达式：外界对系统所作的元功一般表达式：当当当当系系系系统统统统在在在在广广广广义义义义力力力力作作作作用用用用下下下下产产产产生生生生广广广广义义义义位位位位移移移移时时时时，就就就就发发发发生生生生了了了了某某某某种种种种类类类类型型型型的的的的作作作作功功功功过过过过程程程程（广广广广义义义义功功功功），在在在在作作作作功功功功过过过过程程程程中中中中外外外外界界界界和和和和系系系系统统统统之之之之间间间间交交交交换换换换能能能能量量量量，从从从从而而而而引引引引起起起起系系系系统统统统状态的变化。状态的变化。状态的变化。状态的变化。将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状将力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状态的影响称为态的影响称为“力学相互作用力学相互作用”。功由力学相互作用引起。功由力学相互作用引起。功由力学相互作用引起。功由力学相互作用引起。功是力学相互作用下的能量转移功是力学相互作用下的能量转移第62页/共82页5.1热力学过程热力学过程5.2功功5.3热量热量5.4热力学第一定律热力学第一定律5.5热容量热容量焓焓5.6气体的内能气体的内能焦耳焦耳-汤姆逊实验汤姆逊实验5.8循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环 5.7热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用TheFirstLawofThermodynamics 第63页/共82页三、结论三、结论一、热量一、热量二二、人类对热量的认识人类对热量的认识5.3热量热量第64页/共82页一、热量一、热量系统状态的改变来源于系统与外界间存在温度差！系统状态的改变来源于系统与外界间存在温度差！来源于热学平衡条件的破坏来源于热学平衡条件的破坏.称系统与外界间存在称系统与外界间存在热学相互作用热学相互作用热学相互作用热学相互作用。作用的结果使能量从高温物体传递给低温物体，作用的结果使能量从高温物体传递给低温物体，传递的能量称为热量。传递的能量称为热量。A ABT T11T T2 2A ABT T热接触热接触第65页/共82页热量热量热量热量和和和和功功功功是系统状态变化中伴随发生的两种不同的能是系统状态变化中伴随发生的两种不同的能是系统状态变化中伴随发生的两种不同的能是系统状态变化中伴随发生的两种不同的能量传递形式，它们都与状态变化的中间过程有关，因量传递形式，它们都与状态变化的中间过程有关，因量传递形式，它们都与状态变化的中间过程有关，因量传递形式，它们都与状态变化的中间过程有关，因而不是系统状态的特征，而不是系统状态的特征，而不是系统状态的特征，而不是系统状态的特征，而是过程的特征而是过程的特征而是过程的特征而是过程的特征。一、热量一、热量 一个无穷小的过程中所传递的热量与功一样，不满足多元函数的一个无穷小的过程中所传递的热量与功一样，不满足多元函数的一个无穷小的过程中所传递的热量与功一样，不满足多元函数的一个无穷小的过程中所传递的热量与功一样，不满足多元函数的全微分条件。全微分条件。全微分条件。全微分条件。仅表示沿某一路径沿某一路径沿某一路径沿某一路径上无穷小变化第66页/共82页热量来源于热学相互作用。热量来源于热学相互作用。热量来源于热学相互作用。热量来源于热学相互作用。还有第三种相互作用还有第三种相互作用化学相互作用。化学相互作用。扩散、渗透、化学反应等都是由化学相互作用而产生的现象。扩散、渗透、化学反应等都是由化学相互作用而产生的现象。扩散、渗透、化学反应等都是由化学相互作用而产生的现象。扩散、渗透、化学反应等都是由化学相互作用而产生的现象。功由力学相互作用引起。功由力学相互作用引起。功由力学相互作用引起。功由力学相互作用引起。第67页/共82页三、结论三、结论一、热量一、热量二二、人类对热量的认识人类对热量的认识5.3热量热量第68页/共82页二、二、人类对热量的认识人类对热量的认识 早期有朴素的正确认识。早期有朴素的正确认识。早期有朴素的正确认识。早期有朴素的正确认识。那时人们只能根据摩擦生热，冷暖转化等表面现象和外那时人们只能根据摩擦生热，冷暖转化等表面现象和外那时人们只能根据摩擦生热，冷暖转化等表面现象和外那时人们只能根据摩擦生热，冷暖转化等表面现象和外部联系直观地对热的本质作些朴素的猜测，如古希腊人部联系直观地对热的本质作些朴素的猜测，如古希腊人部联系直观地对热的本质作些朴素的猜测，如古希腊人部联系直观地对热的本质作些朴素的猜测，如古希腊人认为热是由于物体运动而获得的。认为热是由于物体运动而获得的。认为热是由于物体运动而获得的。认为热是由于物体运动而获得的。1717世纪一些自然哲学家世纪一些自然哲学家世纪一些自然哲学家世纪一些自然哲学家 BaconBacon,Boyle,Hooke,Newton,Boyle,Hooke,Newton“热本身、热的本质精髓就是运动而不是别热本身、热的本质精髓就是运动而不是别热本身、热的本质精髓就是运动而不是别热本身、热的本质精髓就是运动而不是别的。的。的。的。”法国的笛卡尔法国的笛卡尔法国的笛卡尔法国的笛卡尔认为，热就是物质粒子的旋转运动。认为，热就是物质粒子的旋转运动。认为，热就是物质粒子的旋转运动。认为，热就是物质粒子的旋转运动。玻意尔认为玻意尔认为玻意尔认为玻意尔认为热就是由微小物质粒子的急速运动而产生。热就是由微小物质粒子的急速运动而产生。热就是由微小物质粒子的急速运动而产生。热就是由微小物质粒子的急速运动而产生。第69页/共82页二、二、人类对热量的认识人类对热量的认识FeT T1 1T T2 2较热的物体含