复旦大学《大学物理》课件-热力学基础(1).ppt

热力学基础热力学基础 1 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能 2 对理想气体等值过程的应用对理想气体等值过程的应用 3 热容热容 绝热过程绝热过程 4 循环过程和循环效率循环过程和循环效率 内燃机结构内燃机结构 1 十七世纪以前，十七世纪以前，人们对热现象已有了一些认识和经验，人们对热现象已有了一些认识和经验，并在生活中得到广泛应用，但由于并在生活中得到广泛应用，但由于缺乏量的概念和实验缺乏量的概念和实验 手段手段，热学长期未能从生活中独立出来形成一门科学。，热学长期未能从生活中独立出来形成一门科学。到十八世纪初，到十八世纪初，欧洲的工业比较发达，许多生产部门如欧洲的工业比较发达，许多生产部门如蒸气机的研制和使用，化工、蒸气机的研制和使用，化工、铸造等工业都涉及到热量的铸造等工业都涉及到热量的 问题，但当时人们对温度和问题，但当时人们对温度和 热量这两个热学的基本概念热量这两个热学的基本概念 还混淆不清，由于还混淆不清，由于蒸汽机蒸汽机的的 发明和不断研究，因此在十发明和不断研究，因此在十 八世纪，热学就成为物理学八世纪，热学就成为物理学 中一个新发展起来的领域。中一个新发展起来的领域。2 从能量的观点出发，运用逻辑推理的从能量的观点出发，运用逻辑推理的方法，分析研究物质状态变化过程中热、方法，分析研究物质状态变化过程中热、功转换的关系和条件问题。功转换的关系和条件问题。对热运动研究对热运动研究 热 力 学热 力 学 实验与逻辑推理实验与逻辑推理 宏宏 观观 热力学基本原理热力学基本原理 3 1 1 准静态过程准静态过程 功功 热量热量 热力学系统：热力学系统：在热力学中，一般把所研究的物体在热力学中，一般把所研究的物体或物体组称为热力学系统，简称系统。或物体组称为热力学系统，简称系统。1.1.热力学系统与热力学过程热力学系统与热力学过程 热力学研究的对象热力学研究的对象 热力学系统热力学系统.它包含极大量的分子、原子。以阿佛加德罗常数它包含极大量的分子、原子。以阿佛加德罗常数 NA=6.021023 计计。热力学系统以外的物体称为外界。热力学系统以外的物体称为外界。例：若汽缸内气体为系统，例：若汽缸内气体为系统，其它（如：活塞、缸壁）为外界。其它（如：活塞、缸壁）为外界。4 准静态过程准静态过程（理想化的过程理想化的过程）热力学中研究过程时，为了在热力学中研究过程时，为了在理论上理论上能利用能利用 系统处于平衡态时的性质系统处于平衡态时的性质,引入准静态过程的概念引入准静态过程的概念.原平衡态原平衡态 非平衡态非平衡态 新平衡态新平衡态 热力学过程热力学过程 热力学热力学系统从一个状态变化到另系统从一个状态变化到另一个状态一个状态 ,称热力学过程称热力学过程.改变系统状态的方法：改变系统状态的方法：1.1.作功、作功、2.2.传热传热 5 3.3.准静态过程是实际过程的理想化模型准静态过程是实际过程的理想化模型.(无限缓慢无限缓慢)有理论意义有理论意义,也有实际意义也有实际意义.1.1.准静态过程是由无数个平衡态组成的过程准静态过程是由无数个平衡态组成的过程.准静态过程准静态过程:快快 缓慢缓慢 非平衡态非平衡态 接近平衡态接近平衡态 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，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实际过程仅当进行得无限缓慢无限缓慢时才可看作是准静态过程。时才可看作是准静态过程。怎样算“无限缓慢”怎样算“无限缓慢”准静态过程的条件准静态过程的条件 弛豫时间弛豫时间 :由非平衡态到平衡态所需的时间由非平衡态到平衡态所需的时间.准静态过程的条件准静态过程的条件:T过程过程 2.2.准静态过程可以用准静态过程可以用P-V图上的一条曲线图上的一条曲线 (过程曲线过程曲线)来表示来表示.6 例例1:1:实际气缸的压缩过程可看作是准静态过程。实际气缸的压缩过程可看作是准静态过程。气缸内处于平衡态的气体受到压缩后再达到平衡态所需气缸内处于平衡态的气体受到压缩后再达到平衡态所需的时间，即弛豫时间，大约是的时间，即弛豫时间，大约是1010-3 3秒或更小，秒或更小，实际内燃机气缸内经历一次压缩的时间大约实际内燃机气缸内经历一次压缩的时间大约 是是1010-2 2秒。理论上作初步研究时，也把它当秒。理论上作初步研究时，也把它当 成准静态过程处理。成准静态过程处理。例例2：系统（初始温度：系统（初始温度 T1）从外界吸热，最终系统温度达到）从外界吸热，最终系统温度达到T2。系统系统T1 T1+T T1+2T T1+3T T2 为小量为小量T 从从 T1 到到 T2 是准静态过程是准静态过程 准静态过程是理想化的模准静态过程是理想化的模型型.是进行的无限缓慢过是进行的无限缓慢过程的模型程的模型 7(1)(1)内能内能 内能是状态的函数内能是状态的函数 改变内能改变内能(状态状态)的方法的方法：对系统作功对系统作功A 向系统传递热量向系统传递热量Q A Q 2.2.功功 热量热量 内能内能 微观上微观上,热力学系统的内能是指其分子无规则运动热力学系统的内能是指其分子无规则运动 的能量的能量(应含分子动能、分子间的势能应含分子动能、分子间的势能)的总和的总和.对于一定质量的某种气体对于一定质量的某种气体:内能一般为：内能一般为：E=E(T,V 或或P)一定质量的理想气体一定质量的理想气体：E=E(T)刚性理想气体分子刚性理想气体分子内能内能公式公式:RTiE2系统内所有分子的动能，分子间的势能的总和称内能。系统内所有分子的动能，分子间的势能的总和称内能。8 宏观上宏观上（热力学中）内能的定义：（热力学中）内能的定义：AEE12真正要确定某系统内能的多少真正要确定某系统内能的多少 要选定一个作参考的内能零点。要选定一个作参考的内能零点。实际有意义的是实际有意义的是 内能的差值内能的差值 系统内能的增量等于外界对系统作的绝热功，系统内能的增量等于外界对系统作的绝热功，图图A和图和图B实验表明，向液实验表明，向液体传递热量可以用通电或做机体传递热量可以用通电或做机械功的方法来代替，说明电磁械功的方法来代替，说明电磁运动或机械运动与热运动之间运动或机械运动与热运动之间是可以相互转化的。这一现象是可以相互转化的。这一现象启迪人们继续发现了各种物质启迪人们继续发现了各种物质之间的相互转化关系，从而为之间的相互转化关系，从而为能量转化和守恒定律的建立奠能量转化和守恒定律的建立奠定了基础。定了基础。9(2)(2)功功 热量热量 条件：物体发生宏观位移条件：物体发生宏观位移 热量：热量：功、热量不是态函数，是过程量。功、热量不是态函数，是过程量。结果：是通过物体宏观位移将结果：是通过物体宏观位移将机械能机械能 （有序运动的能量）（有序运动的能量）转变成分子热运动的转变成分子热运动的内能内能 （无序运动的能量）（无序运动的能量）。功：功：功、热量：都是内能改变的量度功、热量：都是内能改变的量度 效果效果 内能由一个分物体转移到另一物体中内能由一个分物体转移到另一物体中。热量是在传热过程中所传递的能量的多少热量是在传热过程中所传递的能量的多少。条件：系统和外界温度不同条件：系统和外界温度不同。共同点：共同点：区别：区别：10 功功:通过作功可以改变系统的热力学状态通过作功可以改变系统的热力学状态.机械功机械功(摩擦功、体积功摩擦功、体积功););电功等电功等 功的计算功的计算 (准静态过程准静态过程,体积功体积功)：-P226P226 气体对外界作功气体对外界作功 21VVVPAd2121ddlPSlFA（为简单起见忽略磨擦）（为简单起见忽略磨擦）直接计算法（由定义）直接计算法（由定义）11 例例:摩尔理想气体从状态摩尔理想气体从状态1 1状态状态2 2，设经历等温过程设经历等温过程。求气体对外所作的功。求气体对外所作的功。解解 注意：注意：若若A 0,系统对外界作功系统对外界作功,若若A 0,外界对系统作功外界对系统作功.12/lnd/d2121VVRTVVRTVPAVVVV功是过程量功是过程量,PV图上过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积 即功即功A的大小的大小-P226.P226.右边积分还与经历什么过程有关。右边积分还与经历什么过程有关。2121ddVVVVAVPA只表示微量功，不是数学上的全微分；只表示微量功，不是数学上的全微分；Ad12 热量热量 传热也可改变系统的传热也可改变系统的 热力学状态热力学状态.传热的微观本质是：传热的微观本质是：分子无规则运动的能量分子无规则运动的能量 从高温物体向低温物体传递从高温物体向低温物体传递.说明两个概念：说明两个概念：1.1.热库或热源热库或热源(热容量无限大的物体热容量无限大的物体,温度始终不变温度始终不变).).热量也是过程量热量也是过程量.2.2.准静态传热过程准静态传热过程(温差无限小温差无限小)：dQdQ 系统系统 外界外界 Qd 也与过程有关。也与过程有关。13 AEQ 热力学第一定律的数学表示。热力学第一定律的数学表示。式中各量应该用同一单位，在国际单位制中，式中各量应该用同一单位，在国际单位制中，它们都以焦耳为单位。它们都以焦耳为单位。热力学第一定律说明：外界对系统传递的热量，一部热力学第一定律说明：外界对系统传递的热量，一部分使系统的内能增加，一部分用于系统对外界作功。分使系统的内能增加，一部分用于系统对外界作功。热力学第一定律就是包括热现象热力学第一定律就是包括热现象在内的能量的守恒与转化定律。在内的能量的守恒与转化定律。实验基础之一：焦耳热功单量实验实验基础之一：焦耳热功单量实验 18401840-18781878年，焦耳用各种方法做了四百多次实验。年，焦耳用各种方法做了四百多次实验。焦耳在做热功当量实验焦耳在做热功当量实验 14 焦耳（焦耳（1818181818891889）是英国人，）是英国人，18181818年年1212月月2424日出生在日出生在曼彻斯特市一家啤酒厂主的家庭里，从小就跟着爸爸酿酒，曼彻斯特市一家啤酒厂主的家庭里，从小就跟着爸爸酿酒，没有进过学校。然而焦耳天资聪明，喜欢读书，常常一边劳没有进过学校。然而焦耳天资聪明，喜欢读书，常常一边劳动一边认字，自学到不少知识。后来，他幸运地认识了著名动一边认字，自学到不少知识。后来，他幸运地认识了著名化学家道尔顿教授，便常常到他那里请教。从此，焦耳对自化学家道尔顿教授，便常常到他那里请教。从此，焦耳对自然科学，特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。然科学，特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。十八世纪，人们对热的本质的研究走上了一十八世纪，人们对热的本质的研究走上了一条弯路，“热质说”在物理学史上统治了一百多条弯路，“热质说”在物理学史上统治了一百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑，但人们一直没有办法解决热和功的关系的怀疑，但人们一直没有办法解决热和功的关系的问题，是英国自学成才的物理学家詹姆斯问题，是英国自学成才的物理学家詹姆斯普雷普雷斯科特斯科特焦耳为最终解决这一问题指出了道路。焦耳为最终解决这一问题指出了道路。15 焦耳虽然在酿酒厂里当技师，却把注意力放在工作焦耳虽然在酿酒厂里当技师，却把注意力放在工作之余从事的科学实验上。他把父亲的一间房子要来改成之余从事的科学实验上。他把父亲的一间房子要来改成了实验室，开始了对电学以至热学的研究。了实验室，开始了对电学以至热学的研究。几年以后，经过连续多次实验，焦耳终于找到了电几年以后，经过连续多次实验，焦耳终于找到了电与热的规律与热的规律-焦耳定律，并发表了论文。焦耳的论文发焦耳定律，并发表了论文。焦耳的论文发表以后，并没有引起学术界的重视。因为焦耳只是个酿表以后，并没有引起学术界的重视。因为焦耳只是个酿酒技师，没有名牌大学的文凭；更因为相当多的学者不酒技师，没有名牌大学的文凭；更因为相当多的学者不相信电与热的关系竟是那么简单。相信电与热的关系竟是那么简单。一