第八章熱力學(xué)基礎(chǔ)PPT課件

1、篇序研究熱運動的規(guī)律及其對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響研究物質(zhì)熱運動與其它運動形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律一 熱學(xué)的研究對象二研究方法1.統(tǒng)計物理研究方法從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)每個粒子所遵循的力學(xué)規(guī)律，用統(tǒng)計的方法研究宏觀物體的熱力學(xué)性質(zhì)優(yōu)點：深入熱現(xiàn)象的本質(zhì)對其作出理論解釋，能夠解釋決定宏觀物理量的微觀決定因素，物理過程與物理意義清晰第1頁/共29頁缺點：定量統(tǒng)計，需要理想近似物理模型，因而常帶有近似色彩，與實驗結(jié)果有一定誤差2.熱力學(xué)研究方法由觀察和實驗總結(jié)出熱力學(xué)定律；用嚴(yán)密的邏輯推理方法研究宏觀物體的熱力學(xué)性質(zhì)優(yōu)點：熱力學(xué)根據(jù)熱現(xiàn)象給出普遍、可靠的結(jié)果，可用來驗證微觀理論的正確性缺點：常帶有經(jīng)驗或半經(jīng)

2、驗性質(zhì)，不能從本質(zhì)上闡述熱現(xiàn)象的深刻含義以及宏觀測量對微觀測量的依賴關(guān)系三本篇內(nèi)容結(jié)構(gòu)第七章統(tǒng)計物理初步第八章熱力學(xué)基礎(chǔ)第2頁/共29頁第八章熱力學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容結(jié)構(gòu)一熱力學(xué)第一定律從一個平衡態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個平衡態(tài)時，能量所滿足的規(guī)律8.1 第3頁/共29頁8-1熱力學(xué)第一定律一熱力學(xué)過程的相關(guān)概念熱力學(xué)過程：從一個熱力學(xué)平衡態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個熱力學(xué)平衡態(tài)所經(jīng)歷的熱力學(xué)過程的總合馳豫時間：從一個熱力學(xué)平衡態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個熱力學(xué)平衡態(tài)所需要的時間非準(zhǔn)靜態(tài)過程：從一個熱力學(xué)平衡態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個熱力學(xué)平衡態(tài)所經(jīng)歷的中間狀態(tài)是非平衡態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程：從一個熱力學(xué)平衡態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個熱力學(xué)平衡態(tài)所經(jīng)歷的中間狀態(tài)為平衡態(tài)第

3、4頁/共29頁說明：A.準(zhǔn)靜態(tài)過程為理想過程B.一個熱力學(xué)過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程的必要條件為兩平衡態(tài)轉(zhuǎn)化所經(jīng)歷的時間大于馳豫時間C.準(zhǔn)靜態(tài)過程可以用宏觀參量圖給予表示二熱力學(xué)過程中的能量轉(zhuǎn)化1功 對無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程pdVdlspAd )(說明：熱力學(xué)系統(tǒng)中對功正負(fù)符號的規(guī)定：體積膨脹時，系統(tǒng)對外作正功，體積縮小時，系統(tǒng)對外作負(fù)功如果熱力學(xué)系統(tǒng)經(jīng)歷非準(zhǔn)靜態(tài)過程，而外界壓強恒定，上面表述式仍然適用第5頁/共29頁2.熱量當(dāng)系統(tǒng)與外界有熱傳遞時)(12TTcmQ 其中，C為比熱容說明：A.熱量是一過程量，而不是狀態(tài)量(表示方法：)QdB.熱量的正負(fù)號規(guī)定：系統(tǒng)吸收熱量為正，放出熱量為負(fù)C.熱量與作功是熱力

4、學(xué)系統(tǒng)能量發(fā)生改變的兩種不同方式3.熱力學(xué)第一定律實驗定律大量實驗表明：確定的兩熱力學(xué)平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的中間過程的功和熱量的總和是一定的AdEQd 說明：A.熱力學(xué)第一定律是引入態(tài)函數(shù)內(nèi)能的理論基礎(chǔ)B.熱力學(xué)第一定律表明：第一永動機(jī)是不可實現(xiàn)的第6頁/共29頁三熱力學(xué)平衡態(tài)的態(tài)函數(shù)內(nèi)能，理想氣體的內(nèi)能1.內(nèi)能的定義：熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，分子的動能、分子間勢能、熱力學(xué)系統(tǒng)所處外場的相互作用能的總和2.理想氣體的內(nèi)能UEEk RTiME2 說明：理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，只是熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)參量的函數(shù)第7頁/共29頁8-2 熱容量一相關(guān)概念1.熱容量：熱力學(xué)系統(tǒng)溫度升高單位溫度所吸收的熱量dTQdC 2

5、.摩爾熱容量：一摩爾物質(zhì)升高單位溫度所吸收的熱量3.比熱容：單位物質(zhì)升高單位溫度所吸收的熱量4.定容摩爾熱容量等容情形下，一摩爾物質(zhì)升高單位溫度所吸收的熱量dTQdCVV 第8頁/共29頁例：理想氣體的定容摩爾熱容量由熱力學(xué)第一定律AdEQd 考慮到0 pdVAdRTiME2 理想氣體的定容摩爾熱容量RidTQdCVV2 5.定壓摩爾熱容量等壓情形下，一摩爾物質(zhì)升高單位溫度所吸收的熱量dTQdCpp 第9頁/共29頁例：理想氣體的定壓摩爾熱容量由熱力學(xué)第一定律AdEQd 考慮到RTiME2 RdTpdVAd 理想氣體的定容摩爾熱容量RCRRidTQdCVPP 26.比熱容比（絕熱系數(shù)）iiCC

6、VP2 例：求單原子分子氣體、剛性雙原子分子氣體、剛性多原子分子氣體的絕熱系數(shù)第10頁/共29頁iiCCVP2 由單原子分子氣體3 i67. 135 剛性雙原子分子氣體5 i40. 157 剛性多原子分子氣體6 i33. 168 第11頁/共29頁-3 熱力學(xué)第一定律用于理想氣體一等容過程dEQdpdVAdAddEQdvv 0TCMEEQvv 12IIIA=0PV結(jié)論：等容過程中，系統(tǒng)吸收的熱量完全用來增加熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能二等溫過程第12頁/共29頁IIIPVAdQddETCMEAddEQdvVT 0 12ln2121VVRTMQdVVRTMQRTMpdVpdVQpdVQdTVVTVVTv 或

7、21lnPPRTMQT 結(jié)論：等溫過程中吸收的熱量完全用來對外做功，而不用來增加熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能第13頁/共29頁三等壓過程dTRCMQddTCMERdTMAddTpRMdVRTMpVpdVAdAddEQdvpvp)( 狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)dTCMQdpp 或)(12TTCMQpp 第14頁/共29頁四絕熱過程IIIPV等溫過程等溫過程絕熱過程絕熱過程1.絕熱過程的功)(012TTCMAdTCMdETCMEdEAdQdAddEQdvvvv 2.絕熱過程的狀態(tài)方程 dTCMpdVdEAdTCMERdTMpdVVdpRTMpVvv pdVRCVdpCCRpdVpdVVdpVVv)( 第15頁/共29頁

8、 constTpconstTVconstpVconstpVconstVpVdVpdpVdppdVCCVp 11lnln討論：同一初始狀態(tài)氣體的等溫過程與絕熱過程的比較絕熱過程p-V曲線的斜率AAQVpdVdpconstpV )(等溫過程p-V曲線的斜率AATVpdVdpconstpV )( 第16頁/共29頁同一初始狀態(tài)氣體的絕熱過程與等溫過程相比，變化相同體積時，絕熱過程壓強下降更快。原因是絕熱過程對外做功，依靠的是系統(tǒng)的內(nèi)能的減小，而壓強減小既由于氣體動量的減小，又由于氣體密度的減小。等溫過程對外做功，氣體分子的動量依靠對外吸收熱量保持不變，壓強的減小原因僅由于氣體分子密度的減小。第17頁

9、/共29頁-4循環(huán)過程卡諾循環(huán)一循環(huán)過程的相關(guān)概念循環(huán)過程：系統(tǒng)經(jīng)一系列變化后又回到原狀態(tài)的過程正循環(huán)：規(guī)定順時針方向的循環(huán)為正循環(huán)逆循環(huán)：規(guī)定逆時針方向的循環(huán)為逆循環(huán)正循環(huán)A0PV高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤1Q2A熱機(jī)第18頁/共29頁熱機(jī)效率：對外做功與從高溫?zé)嵩次諢崃康谋戎?1211 QQQQA 正循環(huán)A0PV高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤2Q1A制冷機(jī)制冷系數(shù)：在低溫?zé)嵩次諢崃颗c外界對系統(tǒng)所做功的比值12 AQ 第19頁/共29頁二卡諾循環(huán)1.卡諾熱機(jī)效率ab，等溫膨脹1211lnVVRTMQ bc，絕熱膨脹，對外做功，溫度降至T2cd，等溫壓縮4322lnVVRTMQ a(p1,v1)b (p2,v

10、2)c (p3,v3)T1T2d(p4,v4)da，絕熱壓縮，溫度回升到T1考慮到絕熱過程的物態(tài)方程21123)(TTVV 21114)(TTVV 聯(lián)立求解1211211TTTQQQQA 第20頁/共29頁2.卡諾制冷熱機(jī)制冷系數(shù)與求解卡諾熱機(jī)效率步驟類似，可求解到卡諾制冷機(jī)制冷系數(shù)21221TTTAQQA 結(jié)論：卡諾熱機(jī)或制冷機(jī)的工作效率，只與兩個熱源溫度有關(guān)與工作物質(zhì)無關(guān)第21頁/共29頁-5熱力學(xué)第二定律一熱力學(xué)自發(fā)過程的發(fā)生方向問題特例：理想氣體的絕熱膨脹與壓縮過程系統(tǒng)對外做功W1外界系統(tǒng)做功W2存在能量損耗W1 W2熱力學(xué)過程不可能自動發(fā)生其逆過程，而不給外界帶來其它變化第22頁/共

11、29頁二熱力學(xué)第二定律1.熱力學(xué)第二定律的兩種表述開爾文表述：不可能從單一熱源吸收熱量，使它完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓療嵩碤A討論A. 從單一熱源吸收熱量，使它完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ欢ㄒ鹌渌兓乩旱葴剡^程從單一熱源吸收熱量，并完全用來做功，必導(dǎo)致系統(tǒng)體積變化B.第二類永動機(jī)不可能制成熱力學(xué)機(jī)械需要循環(huán)，消除外界需要能量損耗第23頁/共29頁克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體，而不引起其它變化高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤2Q1A討論A.沒有外界做功，不可能從低溫?zé)嵩磳崃總鬏數(shù)礁邷責(zé)嵩碆.第二類永動機(jī)不可能制成2.熱力學(xué)第二定律兩種表述的等效性A.開爾文表述不成立克勞修斯表述不成立第24

12、頁/共29頁低溫?zé)嵩碤A=QQ1Q2=A+Q1 = Q+Q1高溫?zé)嵩丛O(shè)開爾文表述不成立熱機(jī)從高溫?zé)嵩次鼰酫熱機(jī)制冷熱機(jī)對外做功A在A作用下，制冷機(jī)從低溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)在高溫釋熱 Q+Q1全過程等效于制冷機(jī)從低溫?zé)嵩次鼰酫1，而不引起任何變化克勞修斯表述不成立類似地，可以證明當(dāng)克勞修斯表述不成立時，開爾文表述也不成立第25頁/共29頁低溫?zé)嵩碤1AQ1Q高溫?zé)嵩丛O(shè)克勞修斯表述不成立冷機(jī)從低溫?zé)嵩次鼰酫1熱機(jī)制冷在高溫?zé)嵩瘁尫臦1熱機(jī)在高溫?zé)嵩次鼰酫在低溫?zé)嵩瘁専酫1，全過程等效于熱機(jī)從高溫?zé)嵩次鼰酫-Q1，對外做功A1而不引起任何變化開爾文表述不成立Q1對外做功A1第26頁/共29頁三熱力學(xué)過程的不可逆性1.大溫差傳熱升溫過程不可逆A，T1B，T2C，T0升溫至T1降溫至T0熱量轉(zhuǎn)移C與A接觸，升溫至T1C與B接觸，