高中物理竞赛课件：热力学第零定律和热力学第一定律.pptx

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1、第六章 热力学基础,6-1 热力学第零定律 热力学第一定律,热力学：研究物质热现象与热运动规律的一门学科。从能量的观点出发，分析研究热力学系统状态变化中有关热、功转换的关系与条件。,2,6. 热力学基础,6.1 热力学第零定律和第一定律6.2 热力学第一定律对理想气体准静态过程的应用6.3 循环过程 卡诺循环6.4 热力学第二定律6.5 可逆过程与不可逆过程 卡诺定理6.6 熵 玻尔兹曼关系6.7 熵增加原理 热力学第二定律的统计意义6.8* 耗散结构 信息熵,热力学第零定律 热力学过程 功 热量 内能 热力学第一定律,3,热力学第零定律,如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热

2、平衡，那么它们也必定处于热平衡。,热力学第零定律于1930年由福勒(R.H.Fowler)正式提出，比热力学第一定律和热力学第二定律晚了80余年。虽然这么晚才建立热力学第零定律，但实际上之前人们已经开始应用它了。因为它是后面几个定律的基础，在逻辑上应该排在最前面，所以叫做热力学第零定律。,4,概念：准静态过程,热力学过程：热力学系统从一个状态变化到另一个状态的过程.热力学过程进行的任一时刻，系统的状态并非平衡态。 为能利用平衡态的性质，引入准静态过程的概念 .,准静态过程：系统的每一个状态都无限接近于平衡态的过程 (理想化的过程 )。 即准静态过程是由一系列平衡态组成的过程。准静态过程是实际过

3、程的近似。是一个理想的物理模型,5,弛豫时间,只有过程进行得无限缓慢， 每个中间态才可看作是平衡态。所以，实际过程仅当进行得无限缓慢时才可看作是准静态过程。,弛豫时间 (relaxation time)：系统由非平衡态到平衡态所需时间。 “无限缓慢”：t 过程进行 例如，实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程， t 过程进行 = 0.1 秒 ，而 = 容器线度/分子速度 = 0.1 米/100米/秒 = 10-3 秒,6,过程曲线,准静态过程可用过程曲线表示。状态图 ( P V 图 、P T 图 、V T 图 ),一个点代表一个平衡态；一条曲线代表一个准静态过程,事实证明：热力学系统状态的变化，总

4、是通过外界对系统做功， 或向系统传递热量， 或两者兼施而完成。,7, 热量 (Q),热量：由于系统之间存在温度差而传递的能量。卡=4.186焦耳传热可改变系统的状态，其条件是系统和外界的温度不同.传热的微观本质：是分子的无规则运动能量从高温物体 向低温物体传递。,热量是过程量，与功一样是改变系统内能的一个途径。对某确定的状态，系统有确定的内能，但无热量可言；系统所获得或释放的热量，不仅与系统的初、末状态有关，也与经历的过程有关。过程不同，系统与外界传递热量的数值也不同；在改变系统的内能方面，传递热量和作功是等效的，都可作为系统内能变化的量度。,Cm：摩尔热容 ( 见后 ),直接计算法：,物体的

5、温度越高，则热量越多？,heat,8, 功,通过作功可以改变系统的状态。功：机械功 ( 摩擦功、体积功 ) 电流的功 、电力功 磁力功、弹力的功 、表面张力的功。机械功的计算（直接法）：,系统对外作功，,( 体积功 ),气体膨胀：0，0 (系统对外做功)；气体压缩：0，0 (外界对系统做功)。,9,功 是“过程量”,功是“过程量”：只知道初态和末态并不能确定功的大小；不能说系统处于某一状态时，具有多少功，即功不是状态的函数P V 图上过程曲线下的面积即功的大小。,10,功 ：能量传递和转化的度量,机械功（体积功、摩擦功）的作用:把物体的有规则运动转换为系统内分子的无规则运动。宏观功微观功：传递

6、热量，通过分子无规则运动,物体发生宏观位移时，其中所有分子都将发生相同的位移。即所有分子在无规则运动的基础上，又增加了有规则运动。物体分子的有规则运动能量宏观上表现为机械能。物体分子的无规则运动能量的总和在宏观上是物体的内能。做机械功的过程是通过分子间碰撞，使有规则运动分子的能量与无规则运动的能量进行传递和转化的过程。(电功类似),11, 内能（“状态”的函数）,内能包含系统内：（1） 分子热运动的能量；（2） 分子间势能和分子内的势能；（3） 分子内部 、原子内部运动的能量；（4） 电场能 、磁场能等。当T不太大时，系统状态的变化主要由热运动的能量、分子间的势能的变化引起，其它形式的运动能量

7、不改变。,对于一定质量的某种气体，内能一般是 T 、V 或 P 的函数；对于理想气体，内能只是温度T的函数，E = E ( T )对于刚性理想气体分子， i :自由度 。,直接计算法：,焦耳-汤姆孙 ( Thomson )实验,焦耳-汤姆孙过程：气体在绝热条件下，从压强较大空间， 经过多孔性物质缓慢地迁移到压强较小空间的过程。 又称：节流过程。,焦耳-汤姆孙 ( Thomson )实验,实验结果,14,特点：节流过程是不可逆的绝热过程。为气体在此过程中从初态到末态所经历的中间状态都不是平衡态。 结果：理想气体，经多孔塞膨胀后不会发生温度的改变。真实气体，经多孔塞膨胀后温度发生改变，多数气体 （

8、除氢气外）膨胀后温度降低。称为焦耳汤姆孙效应。如：空气、氧气、氮气 温度下降 0.25K， 二氧化碳 温度下降 0.75K 说明：实际气体经多孔塞膨胀后温度的改变说明: 气体体积的变化 将引起系统势能的变化。此实验证实了气体分子间相互作用的存在。,真实气体的内能,理想气体不能反映真实气体的行为；真实气体在膨胀前后，内能的增量不能再利用 表示。意义：揭示了真实气体内能中分子相互作用势能的存在。应用：如家用电冰箱。,15,16,热力学第一定律,热力学第一定律：系统从外界吸收的热量 Q 等于 系统内能的增量 与 系统对外做功之和。,热力学第一定律是热现象中能量转化与守恒的定律，适用于任何系统的任何过程 ( 非准静态过程亦成立 )。,对于一个无限小的过程：,意义：外界对系统传递的热量，一部分使系统的内能增加；另一部分用于系统对外做功。,气体、液体、固体都适用。,17,热力学第一定律,另一种描述形式：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后回到初态，既不消耗系统的内能，又不需要外界向它传递热量，即不消耗任何能量而能不断地对外作功。E=0， Q=0， A0 ？,系统在任一过程中包括能量的传递和转化，其总能量的值保持不变。也即能量守恒。,另一种描述形式：,18,思考题,对物体加热而其温度不变？,没有热交换，而系统的温度变化了？,