最新大学物理热力学基础详解ppt课件.ppt

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1、热力学方法研究系统在状态变化过程中热力学方法研究系统在状态变化过程中热热与与功功的转换关系（热力学第一定律）和条的转换关系（热力学第一定律）和条件（热力学第二定律）件（热力学第二定律） 热力学从热力学从能量观点能量观点出发，分析、说明热力学系统热、出发，分析、说明热力学系统热、功转换的关系和条件。是功转换的关系和条件。是宏观理论宏观理论。 分子运动论从分子运动论从牛顿力学牛顿力学出发，采用出发，采用统计方法统计方法说明压说明压强、温度和内能的物理本质。是强、温度和内能的物理本质。是微观理论微观理论。对比一、内能一、内能 E（焦耳（焦耳J）12EEE 内能的增量内能的增量只取决于系统的只取决于系

2、统的始末状态始末状态，而与而与过程无关过程无关。理想气体内能：理想气体内能：RTiMMEmol2 内能是内能是状态参量状态参量 T T 的单值函数。的单值函数。1 内能内能 功和热量功和热量 准静态过程准静态过程 pV E E系统内能改变的两种方式系统内能改变的两种方式: 做功做功 热传递热传递1、 功是功是能量传递与转化的量度。能量传递与转化的量度。 功是功是过程量而非态函数。过程量而非态函数。两个平衡态之间可经历两个平衡态之间可经历不同的过程，系统所做的功不同。不同的过程，系统所做的功不同。 2、热量热量是系统与外界存在温度差而传递的能量是系统与外界存在温度差而传递的能量 热量是过程量。热

3、量是过程量。它是与某一过程相联系的。它是与某一过程相联系的。3 3、使系统的状态改变，传热和作功是使系统的状态改变，传热和作功是等效等效的。的。二、准静态过程二、准静态过程热力学过程：热力学过程：热力学系统在热力学系统在外界影响外界影响下，从一个状态下，从一个状态到另一个状态的变化过程。到另一个状态的变化过程。热力学过程热力学过程非静态过程非静态过程准静态过程准静态过程 准静态过程准静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，如果过：系统从一平衡态到另一平衡态，如果过程中所有程中所有中间态中间态都可以都可以近似地看作平衡态近似地看作平衡态的过程。的过程。非静态过程非静态过程：系统从一平衡态到另一平衡

4、态，过程中：系统从一平衡态到另一平衡态，过程中所有中间态为所有中间态为非平衡态非平衡态的过程。的过程。准静态过程准静态过程 当实际过程进行得当实际过程进行得非常缓慢非常缓慢，可近似，可近似认为是准静态过程。认为是准静态过程。过程进行的每一步系统均处于平衡态过程进行的每一步系统均处于平衡态 是一理想模型是一理想模型 原平衡态原平衡态 非平衡态非平衡态新平衡态新平衡态说明说明当系统经历一个热力学过程。PV12），（平衡态），（平衡态22112 1VPVP取走砝码热力学过程图上表示。压强不同，无法在系统各处两点表示，中间过程，图上用PVPV21 ），（平衡态111VP取走一个砝码热力学过程），（平衡

5、态222VP中间平衡态热力学过程取走另一个砝码个点表示。图上可用在3PV。图上可得到一系列的点在后再取走另一个，取走一个，待恢复平衡砝码分成许多份，每次PV PV12PV12可得一曲线。图上它们，在细分，足够缓慢地取走理想极限：将砝码无限PVPV12个中间过程态都可以至于连续经过的每一这种进行得足够缓慢，程称为准静态过程。近似地看成平衡态的过气体气体活塞活塞砂子砂子),(111TVp),(222TVp1V2V1p2ppVo12 P-V图上一个点图上一个点 A A 或或 B B 表示一个平衡态；一条曲表示一个平衡态；一条曲线表示一个准静态过程，或线表示一个准静态过程，或平衡过程平衡过程。对于准静

6、态过程，系统所经历对于准静态过程，系统所经历的中间态都无限接近于平衡态的中间态都无限接近于平衡态（过程进行的很缓慢）。（过程进行的很缓慢）。PV1V2VP1P2AB这条曲线的方程称为这条曲线的方程称为过程方程过程方程， (A) 是平衡过程，它能用是平衡过程，它能用pV 图上的一条曲线表示图上的一条曲线表示 (B) 不是平衡过程，但它能用不是平衡过程，但它能用 pV图上的一条曲线表示图上的一条曲线表示 (C) 不是平衡过程，它不能用不是平衡过程，它不能用 pV图上的一条曲线表示图上的一条曲线表示 (D) 是平衡过程，但它不能用是平衡过程，但它不能用 pV图上的一条曲线表示图上的一条曲线表示 例：

7、例：如图所示，当气缸中的活塞迅速向外移如图所示，当气缸中的活塞迅速向外移动从而使气体膨胀时，气体所经历的过程动从而使气体膨胀时，气体所经历的过程 p 首先确定它不首先确定它不是平衡过程。是平衡过程。 pV图只能表示平衡过图只能表示平衡过程。只能选（程。只能选（C）u例例: 外界对系统做功外界对系统做功快速压缩快速压缩12VV 非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，约非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，约 10 -3 秒秒 L/v 1m/(1000m/s)，如果实际压缩一次所用时间，如果实际压缩一次所用时间为为 1 秒，就可以说秒，就可以说 是准静态过程。是准静态过程。 外界压强总比系统压

8、强大一无限小量外界压强总比系统压强大一无限小量 P ，缓慢压缓慢压缩缩可近似看为可近似看为准静态过程准静态过程。非准静态过程非准静态过程气体对外界作的元功为：气体对外界作的元功为：, 0dV 系统对外作正功；系统对外作正功；, 0dV 系统对外作负功；系统对外作负功；, 0dV 系统不作功。系统不作功。 21VVPdVA 活塞与汽缸无摩擦活塞与汽缸无摩擦PSdl三、准静态过程的功和热量三、准静态过程的功和热量外界对系统外界对系统作功作功: -ApdVpSdlFdldA 功的大小等于功的大小等于PV 图上过程曲线图上过程曲线P=P(V)下的面积。下的面积。 功与过程路径有关。功与过程路径有关。

9、21VVPdVA PABV01V2V 11VVPdVPdV对比沿着不同路径从状态对比沿着不同路径从状态A到到B所做的功所做的功公式适用条件公式适用条件: : (1)(1)准静态过程准静态过程(2)(2)外界压力保持恒定情况下的外界压力保持恒定情况下的非非准静态过准静态过程程, ,此时此时P P应理解为外界压强。应理解为外界压强。如：气体的自由膨胀过程中，系统对如：气体的自由膨胀过程中，系统对外作的功外作的功A A0 0 (3)(3)无论是准静态过程，还是非准静态无论是准静态过程，还是非准静态过程，体积不变时，都有过程，体积不变时，都有A A0 0(1)如果气体的膨胀过程为如果气体的膨胀过程为a

10、1b，则气体对外做，则气体对外做功功W_； (2) 如果气体进行如果气体进行a2b1a的循环过程，的循环过程，则它对外做功则它对外做功W_例题：例题： 如图所示，已知图中画不同斜线的两部如图所示，已知图中画不同斜线的两部分的面积分别为分的面积分别为S1和和S2，那么，那么 1 2 p V O a b S1 S2 S1+ S2 - - S1 例例 计算在等压计算在等压 下，气体准静态地由体积下，气体准静态地由体积 被压缩到被压缩到 的过程系统对外界所做的功。的过程系统对外界所做的功。1Vp2V解解 由功的计算式得出由功的计算式得出211221dd()0-VVVVAp VpVp VV热功当量热功当

11、量焦耳（Joule）和迈耶（Mayer）从1840年起，历经20多年，用各种实验求证热和功的转换关系， 即：1 Cal = 4.1840J1 Cal = 4.1840J这就是著名的热功当量，为能量守恒原理提供了科学的实验依据。能量守恒定律能量守恒定律 到到1850年，科学界公认能量守恒定律是自然年，科学界公认能量守恒定律是自然界的普遍规律之一。界的普遍规律之一。 能量守恒与转化定律可表述为：能量守恒与转化定律可表述为：法法卡诺卡诺，工程师，第一个把热与功联，工程师，第一个把热与功联系起来。系起来。迈耶迈耶，医生，第一个作出热功当量，医生，第一个作出热功当量的定量计算。的定量计算。德德焦耳焦耳，

12、工业管理家，精确求出热功，工业管理家，精确求出热功当量的关系。当量的关系。英英赫姆霍兹赫姆霍兹，生理学家。多方面论证，生理学家。多方面论证了能量转化和守恒定律。了能量转化和守恒定律。德德AEQ 包括热现象包括热现象的能量守恒的能量守恒外界传外界传给给系统热系统热量量内能增内能增量量系统对系统对外外作功作功对于微小过程：对于微小过程：dAdEdQ得到的得到的=留下的留下的+付出的付出的P、V、T 一、一、 热力学第一定律：热力学第一定律：规定规定Q0，系统吸收热量系统吸收热量；Q0,系统对外作正功系统对外作正功；A0,系统内能系统内能增加增加， EAac,故故Q0,吸热吸热而对而对ad， Aad

13、 10lnkSSS1212 - - 熵增加原理熵增加原理熵变熵变:平衡态对应于熵最大的状态平衡态对应于熵最大的状态熵增原理的微观实质是：熵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。的状态向热力学几率大的状态过度。或者说或者说 由非平衡态向着平衡态进行。由非平衡态向着平衡态进行。或者说或者说 向着无序度增大的方向进行向着无序度增大的方向进行。 在在孤立系统孤立系统中所进行的自然过程总是沿着中所进行的自然过程总是沿着熵增大的方向熵增大的方向进行进行，平衡态对应于熵最大的状，平衡态对应于熵最大的状态，这就是态，这就是熵增加原理熵增加原理。对孤立系统（绝热）：对孤立系统（绝热）：0dS 如过程可逆，熵不变；如过程可逆，熵不变； 如过程不可逆，熵增加。如过程不可逆，熵增加。