复旦大学《大学物理》课件-第六章热力学基础(1).pdf

第六章 热力学基础热力学基础6-1 热力学第零定律热力学第零定律 热力学第一定律热力学第一定律热力学热力学：研究物质热现象与热运动规律的一门学科。从能量能量的观点出发，分析研究热力学系统状态变化中有关热热、功功转换的关系与条件。EAQ 热量26.热力学热力学基础基础6.1 热力学第零定律热力学第零定律和第一定律和第一定律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 热量热量 内能 热力学第一定律3热力学第零定律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平衡，那么它们也必定处于热平衡。热平衡，那么它们也必定处于热平衡。热力学第零定热力学第零定律于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。ABC导能板隔能板4概念：准静态过程准静态过程 热力学过程热力学过程：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 事实证明事实证明：热力学系统状态的变化热力学系统状态的变化，总是通过外界对系统做外界对系统做功功，或向系统传递向系统传递热量热量，或两者兼施而完成两者兼施而完成。7 热量热量(Q)热量热量：由于系统之间存在温度差而传递的由于系统之间存在温度差而传递的能量能量。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。21molCMQTTMm 热量热量是过程量过程量，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；在改变系统的内能内能方面，传递热量传递热量和作功作功是等效的，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：物体的温度越高，则热量越多？heat8 功功通过作功可以改变系统的状态。功功：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（直接法直接法）：系统对外作功，(体积功)21VVApdV2211VVVVAFdxpSdx 气体膨胀：0，0 (系统对外做功)；气体压缩：0，0？系统对外做功外对系统做功系统在任一过程中包括能量的传递和转化，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。其总能量的值保持不变。也即能量守恒。另一种描述形式：18思考题思考题QEA 对物体加热而其温度不变？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？没有热交换，而系统的温度变化了？第六章 热力学基础热力学基础6-2 热力学第一定律热力学第一定律对对理想气体准静态过程的应用理想气体准静态过程的应用打开一个饮料容器时，在开口周围会形成一层细雾，并喷溅出一些液体。（照片中，雾是环绕在塞子周围的白云，喷溅出的水在云里形成线条）26.热力学热力学基础基础6.1 热力学第零定律热力学第零定律和第一定律和第一定律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 等体过程等体过程 气体的摩尔定体热容定体热容 等压过程等压过程 气体的摩尔定压热容定压热容 等温过程等温过程 绝热过程绝热过程*多方过程多方过程3应用1：等体过程等体过程特点特点：=恒量，=0V状态方程状态方程：/=恒量0pAVddVdQdEdAdE由热力学第一定律，有：对有限的等体过程，有:21VQEEE 表明表明:在等体过程中，气体吸收的在等体过程中，气体吸收的热量热量Q Q全部用来增加气体的全部用来增加气体的内能内能E E，而系统没有对外作功，而系统没有对外作功dQdEdA封闭容器内的各种热力学过程都是近似的等体过程。4热容热容：用以衡量物质所包含热量的物理量.因热量d是过程量，与具体过程有关。热力学系统从一种平衡态过渡到另一种平衡态有无数条路径，每一条路径代表一个过程，不同的路径所需的热量不同。所以对同一个系统不同的过程其热容不同，存在无穷多个热容。比热比热：1克物质升高温度1C所需要的以卡为单位的热量。1克重的水需要4.2焦耳来加热升高1度。摩尔热容摩尔热容：一摩尔物质温度升高一摩尔物质温度升高 1 度所吸收的热量度所吸收的热量。气体热容气体热容：在没有化学反应和相变条件下，温度升高1K所需的热量。=0时，C 0 等温过程：=0，绝热过程：=0，=05热容热容：用以衡量物质所包含热量的物理量.摩尔热容摩尔热容：一摩尔物质温度升高一摩尔物质温度升高 1 度所吸收的热量度所吸收的热量。molmMMdQCdTJ/(molK)摩尔摩尔定压定压热容热容：系统压强保持不变过程中的热容。因热量与具体过程有关，所以对同一个系统不同的过程其热容不同.lppmodQTMMCd摩尔摩尔定体定体热容热容：系统体积保持不变过程中的热容。lVVmodQTMMCd6 摩尔定体定体热容由摩尔定体热容定义：molVVdQdTMCM由等体过程：VdQdEmolVdMdETMC计算理想气体内能变化的通式！计算理想气体内能变化的通式！由理想气体理想气体的内能：2molMidERdTM2ViCR仅与分子自由度有关，与温度无关！应用1：等体过程lVVmodQTMMCd7应用2：等压过程等压过程特点特点：=恒量状态方程状态方程：/=恒量由热力学第一定律：表明表明:在等压过程中，理想气体吸收在等压过程中，理想气体吸收的热量的热量Q一部分用来增加气体的内能一部分用来增加气体的内能E，另一部分使气体对外作功另一部分使气体对外作功A。pdQdEpdV 21212121()()VpVQEEpdVEEp VVdQdEdA8 摩尔定压定压热容由摩尔定压热容定义：molppdQdTMCM由等压过程：pdQdEpdVmolmolmolpVdEpdVdEdVCpCRdTdMMMMMTMdT(Mayer)迈耶公式：表明表明:在等压过程中，在等压过程中，1 1mol mol 理想气体，温度升高理想气体，温度升高l Kl K时，时，要比其等体过程多吸收要比其等体过程多吸收8.3l J8.3l J的热量，用于对外作功的热量，用于对外作功22pViCCRR应用2：等压过程lppmodQTMMCd9Mayer 公式表明表明:在等压过程中，1mol 理想气体，温度升高l K时，要比其等体过程多吸收8.3l J的热量，用于对外作功。22pViCCRR意义意义：在具有相同初末态的过程中，等压过程等压过程吸收的热量大于等容过程等容过程中吸收的热量。1 mol 理想气体温度升高 1 K，对于等容过程等容过程，体积不变，吸收的热量全部用于增加系统的内能。对理想气体，自由度i 是常数，因此定容摩尔热容量定容摩尔热容量和定压摩尔热容量定压摩尔热容量均是与温度 无关的常数。应用2：等压过程10例题 6-1一气缸中贮有氮气，质量为一气缸中贮有氮气，质量为1.25kg。在标准大气压下缓慢地加热，。在标准大气压下缓慢地加热，使温度升高使温度升高1K。试求：气体膨胀时所作的功。试求：气体膨胀时所作的功A、气体内能的增量、气体内能的增量 E以及气体所吸收的热量以及气体所吸收的热量Qp。（活塞的质量以及它与气缸壁的摩擦均可略去）（活塞的质量以及它与气缸壁的摩擦均可略去）1.258.31 13710.028molMApVRTJM1.2520.819290.028movlCMETJM因=5,所以Cv=iR/2=20.8 J(molK)，可得 解解：因过程是等压等压的，得1300pQEAJ所吸收的热量热量：应用2：等压过程11应用3：等温过程等温过程特点特点：dT=0,dE=0（因理想气体内能内能只是温度温度的函数）状态方程状态方程：=恒量，（p1V1=p2V2）由热力学第一定律：TQA恒温热源系统吸热全部用来对外做功。在等温膨胀过程等温膨胀过程中，理想气体所吸取的热量全部转化为对外所作的功；在等温压缩过程等温压缩过程中，外界对理想气体所作的功，将全部转化为传给恒温热源的热量。dQdEdA12应用3：等温过程特点特点：dT=0,dE=0（因理想气体内能只是温度的函数）状态方程状态方程：pV=恒量，（p1V1=p2V2）由热力学第一定律：TQA221111111212212111llnnnlnlVVVVmomlolpVMRTVpVApdVdVVVppVppMRTMVVMp恒温热源因：2112llnnmoTmollVMQpMRTVMRTpM系统吸热全部系统吸热全部用来对外做功用来对外做功dQdEdA13小小 结结等体过程等体过程(V=Const.)QEA 21VVApdV212moliMETRTM21molQMCMTT210VVApdV等压过程等压过程(p=Const.)等温过程等温过程(T=Const.)2VCiR 21ppmolMQCTTMpVCCR TQA0E（直接）(Mayer公式)21VmolMECTTM VQE 2121VVApdVVVp21molVMETCTM21VVmolMdVARTMV教材P216.表6-214补充例题20 mol氧气由状态氧气由状态1 变化变化到状态到状态2 所所经历的过程如经历的过程如图，图，（1）沿）沿1 a 2路径；（路径；（2）沿）沿1 2直线。直线。试分别求出这两个过程中的试分别求出这两个过程中的A与与Q以及氧气内能的变化以及氧气内能的变化 E2-E1。氧氧分子当成刚性分子理想气体看待。分子当成刚性分子理想气体看待。V/LP(1.013105)Pa52010501a2解解：（1）1 a 2过程1 a:等体过程，所以 A1a0 1115211 11.9 1202aVaamolmolMMTTTTMMip VpVCRJiQ 5111.9 10aaQJE15补充例题解解：（1）1 a 2过程a 2:等压过程V/LP(1.013105)Pa52010501a2 222522212222.84 102aamolpamolMMTTTTMMip Vp VRJiQC 2252222122.03 102aaamolmolVMMTTTTMMip Vp ViJCRE 21222150.81 10VaVpdVpVJAV 另一解法：EQA16补充例题解解：（1）1 a 2过程V/LP(1.013105)Pa52010501a2 5120.94 10aaQQQJ 5120.13 10aaEEJE 5120.81 10aaAAAJ 气