复旦大学《大学物理》课件-热力学第一定律(1).pdf

热力学第一定律热力学第一定律研究方法对比研究方法对比微观结构微观结构观察和实验观察和实验出出 发发 点点相互补充相互补充揭露本质揭露本质普遍可靠普遍可靠优优 点点力学定律力学定律统计规律统计规律总结归纳总结归纳逻辑推理逻辑推理方方 法法微观理论微观理论统计物理学统计物理学宏观理论宏观理论热力学热力学 热力学基础热力学基础 一一.基本概念基本概念2.2.热力学过程热力学过程热力学系统从一平衡态到另一平衡热力学系统从一平衡态到另一平衡态的转变过程态的转变过程1.1.热力学系统热力学系统 大量微观粒子组成的宏观系统大量微观粒子组成的宏观系统2.封闭系统：有能量交换封闭系统：有能量交换,没有质量交换没有质量交换3.开放系统：有能量交换开放系统：有能量交换,有质量交换有质量交换1.孤立系统：没有能量交换孤立系统：没有能量交换,没有质量交换没有质量交换2.准静态过程（平衡过程）准静态过程（平衡过程）：过程中所有中间态都是：过程中所有中间态都是平衡态的过程。平衡态的过程。1.非静态过程非静态过程：过程中所有中间态为非平衡态的过程。：过程中所有中间态为非平衡态的过程。8-1 热力学第一定律热力学第一定律【讨论讨论】准静态过程准静态过程:进行的时间远大于由非平衡态到平衡态的过渡进行的时间远大于由非平衡态到平衡态的过渡时间（驰豫时间）时间（驰豫时间）,是一种理想过程。是一种理想过程。8-1 热力学第一定律热力学第一定律系统每时每刻都有确定的状态参量。系统每时每刻都有确定的状态参量。准静态过程可以用状态图表示，图中任一条曲线都准静态过程可以用状态图表示，图中任一条曲线都代表一个准静态过程。代表一个准静态过程。pVo8-1 热力学第一定律热力学第一定律二二.功、热量、内能功、热量、内能 活塞移动位移活塞移动位移dl，系统对，系统对外界所作的外界所作的元功元功为：为：ddddAF lpS lp V系统体积由系统体积由V1变为变为V2，系统对外界系统对外界作总功为：作总功为：21ddVVAAp V1.功功d0,d0,VA系统对外作系统对外作正功正功；d0,d0,VA系统对外作系统对外作负功负功；d0,d0,VA系统不作功。系统不作功。pSdlpS8-1 热力学第一定律热力学第一定律 功的图示功的图示功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间过程，于所经历的中间过程，功与过程的路径有关功与过程的路径有关。功功是是过程量过程量。功的大小等于功的大小等于pV 图上图上状态曲线状态曲线p(V)下的面积。下的面积。21dVVAp VpVopVdVV aIIIb2V1V2p1pAp Vdd净功净功循环过程作功：循环曲线循环过程作功：循环曲线在在PV图上包围的面积图上包围的面积8-1 热力学第一定律热力学第一定律热量热量是系统与外界由于温度不同而传递的能量。是系统与外界由于温度不同而传递的能量。2.热量热量热容量热容量与与摩尔热容量摩尔热容量表示温度升高表示温度升高1K所吸收的热量所吸收的热量QCTddmCCmM 热容量热容量 ：系统在某一无限小过程中吸收热量：系统在某一无限小过程中吸收热量dQ与温度变化与温度变化dT的比值的比值1 KJC 摩尔热容量摩尔热容量 ：1mol 物质的热容量物质的热容量11 molKJmCQC TddmmQCTMddmmCCM 8-1 热力学第一定律热力学第一定律不同气体摩尔热容量不同，不同气体摩尔热容量不同，同一气体经历不同的热同一气体经历不同的热力学过程摩尔热容量也不同力学过程摩尔热容量也不同。系统吸收热量则系统吸收热量则 系统放出热量则系统放出热量则 热量也是热量也是过程量过程量mmQCTMdd8-1 热力学第一定律热力学第一定律3.内能内能 某物体系统由其内部状态所决定的能量某物体系统由其内部状态所决定的能量 理想气体系统的内能理想气体系统的内能，是组成该气体系统的全部分，是组成该气体系统的全部分子的动能之和，其值为子的动能之和，其值为2m iURTM2121()2m iUUR TTM 由状态参量由状态参量T决定，内能决定，内能 ，是状态参量，是状态参量T的单值函数的单值函数态函数态函数，与过程无关。，与过程无关。()UU T2m iUR TMdd8-1 热力学第一定律热力学第一定律内能内能状态量状态量是构成系统的全部分子是构成系统的全部分子的能量之和。的能量之和。功功过程量过程量是系统的宏观有序机械是系统的宏观有序机械运动与系统内大量分子无运动与系统内大量分子无规热运动的相互转化过程。规热运动的相互转化过程。热量热量过程量过程量是外界物质分子无规热是外界物质分子无规热运动与系统内物质分子无运动与系统内物质分子无规热运动的相互转化过程。规热运动的相互转化过程。内能内能 功功 热量热量 国际标准单位都是国际标准单位都是 焦耳焦耳 （J J）8-1 热力学第一定律热力学第一定律21dVVAp VddAp V21()mmQCTTMdd2m iUR TM21()2m iUR TTMddmmQCTM8-1 热力学第一定律热力学第一定律三三.热力学第一定律热力学第一定律QUA 在任何一个热力学过程中，系统所吸收的热量在任何一个热力学过程中，系统所吸收的热量Q等等于系统内能的增量于系统内能的增量U与系统对外作功与系统对外作功A之和。之和。2.数学表述数学表述1.文字表述文字表述dddQUA热力学第一定律是包括热现象在内的能量守热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律的一种表达形式。恒与转化定律的一种表达形式。8-1 热力学第一定律热力学第一定律式中各量均为代数量，有正有负。式中各量均为代数量，有正有负。Q0,系统吸收热量系统吸收热量 Q0,系统内能系统内能增加增加 U0,系统对外作正功系统对外作正功 Ab运用运用热力学第一定律热力学第一定律8-1 热力学第一定律热力学第一定律将已知量代入，得将已知量代入，得300100abU 200 JabU 对过程对过程b-a运用运用热力学第一定律热力学第一定律bababaQUA 将已知量代入，得将已知量代入，得150babaQU U是状态量是状态量，因此，因此200 JbaababUUUU 150200150350 J0()babaQU 放热例例 一定量的理想气体，由物态一定量的理想气体，由物态a经经b到达到达c（图中（图中abc为一直线）。求此过程中：为一直线）。求此过程中：（1）气体对外做的功；）气体对外做的功；（2）气体内能的增量；）气体内能的增量；（3）气体吸收的热量。）气体吸收的热量。p/atmV/L0321321cba解解:531 (13)21.013 102 10J405.2 JA caccaaTTVpVp0caUUUQUA J2.4058-1 热力学第一定律热力学第一定律如图，一定量的理想气体可能经历四个过程，关于这些过程的吸热Q排序正确的是（）Q1=Q2=Q3=Q4Q1Q2Q3 Q2Q3 Q4ABC提交单选题1分热力学第一定律另一表述：热力学第一定律另一表述：制造第一类永动机是制造第一类永动机是不可能的。不可能的。第一类永动机：不断对外做功，而不需要消耗任何第一类永动机：不断对外做功，而不需要消耗任何形式的能量。形式的能量。8-1 热力学第一定律热力学第一定律QUA AUQ 系统要对外做正功，要么以系统要对外做正功，要么以降低自身内能为代价，要么降低自身内能为代价，要么要从外界吸收热量。要从外界吸收热量。0热力学第二定律热力学第二定律 玻尔兹曼熵玻尔兹曼熵功转变成热量会自动发生会自动发生热量自行转变成功不会自动发生不会自动发生【问题问题】违背热力学第一定律的过程都不可能发生；违背热力学第一定律的过程都不可能发生；满足热力学第一定律的过程是否都可以满足热力学第一定律的过程是否都可以自动自动发生？发生？高温低温Q Q高温低温Q Q会自动发生会自动发生不会自动发生不会自动发生会自动发生会自动发生不会自动发生不会自动发生气体自由膨胀气体自动收缩8-5 热力学第二定律热力学第二定律 玻尔兹曼熵玻尔兹曼熵 等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单一单一热源吸热并使之完全转化为热源吸热并使之完全转化为功功,但系统体积增大了。但系统体积增大了。pVo1V),(11TVp),(22TVp1p2p2VVop2T1T 卡诺循环系统、系统不卡诺循环系统、系统不发生其他变化，但只可将发生其他变化，但只可将热量部分转化为功。热量部分转化为功。1.热力学第二定律的开尔文表述（热力学第二定律的开尔文表述（1851）不可能不可能从单一热源吸收热量，使之完全转化从单一热源吸收热量，使之完全转化为功而为功而不产生其他任何变化不产生其他任何变化。一一.热力学第二定律热力学第二定律The Second Law of Thermodynamics8-5 热力学第二定律热力学第二定律 玻尔兹曼熵玻尔兹曼熵【思考思考】一乒乓球瘪了（并不漏气），放在热水中浸泡，它一乒乓球瘪了（并不漏气），放在热水中浸泡，它重新鼓起来，是否是一个重新鼓起来，是否是一个“从单一热源吸热的系统对外做功从单一热源吸热的系统对外做功的过程的过程”，这违反热力学第二定律吗？，这违反热力学第二定律吗？球内气体的温度变了球内气体的温度变了【讨论讨论】若有任何办法不以任何代价使处于环境温度的海水若有任何办法不以任何代价使处于环境温度的海水温度稍微降低一点，把释放出的热量全部拿来做功，这就是温度稍微降低一点，把释放出的热量全部拿来做功，这就是一种永动机，因为它所提供的能源相对人类的需求来说实际一种永动机，因为它所提供的能源相对人类的需求来说实际上是取之不尽、用之不竭的，人们把这种上是取之不尽、用之不竭的，人们把这种从单一热源吸热做从单一热源吸热做功的永动机称为第二类永动机功的永动机称为第二类永动机。热力学第二定律告诉我们，。热力学第二定律告诉我们，第二类永动机是不可能的第二类永动机是不可能的。8-5 热力学第二定律热力学第二定律 玻尔兹曼熵玻尔兹曼熵2.热力学第二定律的克劳修斯表述（热力学第二定律的克劳修斯表述（1850）不可能不可能把热量从低温物体传把热量从低温物体传到高温物体而到高温物体而不引起其他变化不引起其他变化.Rudolf Clausius(1822-1888)卡诺致冷机能把热量从卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，低温物体移至高温物体，但需外界作功。但需外界作功。Vop2T1T【问题问题】热力学第二定律的两种表述有联系吗？热力学第二定律的两种表述有联系吗？8-5 热力学第二定律热力学第二定律 玻尔兹曼熵玻尔兹曼熵二二.热力学第二定律两种表述的等价性热力学第二定律两种表述的等价性1.假设开尔文表述不成立假设开尔文表述不成立 克劳修斯表述不成立克劳修斯表述不成立A1QAQ 2Q1T2TQ21AQQ高温热源高温热源T1低温热源低温热源T22Q2Q8-5 热力学第二定律热力学第二定律 玻尔兹曼熵玻尔兹曼熵2.假设克劳修斯表述不成立假设克劳修斯表述不成立 开尔文表述不成立开尔文表述不成立2Q2Q2T2Q1QA21QQA1T12QQ12AQQ2T1T克劳修斯表述克劳修斯表述开尔文表述开尔文表述=8-5 热力学第二定律热力学第二定律 玻尔兹曼熵玻尔兹曼熵【说明说明】2.各种表述的等价意味着各种表述的等价意味着宏观自发过程的不可逆宏观自发过程的不可逆性性相互依存。相互依存。1.热力学第二定律有多种表述，每一种表述都反映热力学第二定律有多种表述，每一种表述都反映了了宏观自发过程宏观自发过程（自然界中不受外界影响而能够（自然界中不受外界影响而能够自动发生的过程）自动发生的过程）进行的方向性进行的方向性。功热转换过程有方向性功热转换过程有方向性功变热是不可逆的（开尔文表述）功变热是不可逆的（开尔文表述）热传递过程有方向性热传递过程有方向性热量从高温物体传到低温物体是热量从高温物体传到低温物体是不可逆的（克劳修斯表述）不可逆的（克劳修斯表述）气体自由膨胀过程有方向性气体自由膨胀过程有方向性气体向真空膨胀