熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理 第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律

1、課程相關(guān) 先修課程：高等數(shù)學(xué)、普通物理（經(jīng)典力學(xué)，熱力學(xué)，氣體動(dòng)理論，原子物理）、量子力學(xué)基本概念。 注重基本概念； 掌握學(xué)科框架,注重對比學(xué)習(xí)； 理清主要定義和公式； 必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。課程相關(guān) 通過mooc提高學(xué)習(xí)效率（翻轉(zhuǎn)課堂）； 遞進(jìn)性強(qiáng)，堅(jiān)持把每節(jié)課的內(nèi)容練熟，理解； 課程不同期望的學(xué)習(xí)方法； 多做總結(jié)，理順知識(shí)脈絡(luò)； 理順學(xué)習(xí)思路，調(diào)整學(xué)習(xí)方法，提高效率。緒論 大量微觀粒子組成的宏觀物體和物體系。 熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律； 與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物性； 宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的演化。緒論 熱力學(xué)方法（宏觀，唯象）； 統(tǒng)計(jì)物理方法（微觀，唯理）； 兩種方法互為補(bǔ)充，取長補(bǔ)短。緒論 （宏觀、唯象）（宏觀、唯象）（微

2、觀、唯理）（微觀、唯理）熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律宏觀物性及熱現(xiàn)象規(guī)律宏觀物性及熱現(xiàn)象規(guī)律宏觀物性及熱現(xiàn)象規(guī)律宏觀物性及熱現(xiàn)象規(guī)律歸納歸納演繹、推理演繹、推理從單個(gè)粒子遵從從單個(gè)粒子遵從的力學(xué)規(guī)律出發(fā)的力學(xué)規(guī)律出發(fā)求系統(tǒng)平均求系統(tǒng)平均宏觀、普遍、可靠宏觀、普遍、可靠不能推導(dǎo)出具體物質(zhì)的特性不能推導(dǎo)出具體物質(zhì)的特性不能解釋漲落現(xiàn)象不能解釋漲落現(xiàn)象微觀、唯理微觀、唯理能推導(dǎo)出具體物質(zhì)的特性能推導(dǎo)出具體物質(zhì)的特性計(jì)算麻煩，結(jié)論近似計(jì)算麻煩，結(jié)論近似緒論 宏觀現(xiàn)象與宏觀量：宏觀現(xiàn)象即一個(gè)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的各種物理性質(zhì)以及這些性質(zhì)的變化規(guī)律。描述一個(gè)系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量稱為宏觀量。例如：壓強(qiáng)、體積、溫度

3、等。 微觀運(yùn)動(dòng)與微觀量：微觀運(yùn)動(dòng)即系統(tǒng)內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)。描述微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的物理量成為微觀量。例如：粒子質(zhì)量、速度、動(dòng)能等。 宏觀與微觀之間的關(guān)系：微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)與系統(tǒng)的各種宏觀熱現(xiàn)象之間存在內(nèi)在的聯(lián)系。宏觀量等于微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值。熱力學(xué)理論的發(fā)展熱力學(xué)理論的發(fā)展1824年：年：卡諾定理：卡諾定理：卡諾（卡諾（carnot）1840s：熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律 邁爾（邁爾（Mayer）、焦耳（）、焦耳（Joule）1850s：熱力學(xué)第二定律、熵增加原理熱力學(xué)第二定律、熵增加原理 克勞修斯（克勞修斯（Clausius）、開爾文（）、開爾文（Kelvin）1

4、906年：年：熱力學(xué)第三定律：熱力學(xué)第三定律：能斯特定理，能斯特（能斯特定理，能斯特（Nernst）熱力學(xué)理論的發(fā)展熱力學(xué)理論的發(fā)展不涉及時(shí)間和空間；不涉及時(shí)間和空間；以平衡態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程為模型；以平衡態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程為模型；靜熱力學(xué)。靜熱力學(xué)。熱力學(xué)理論的發(fā)展1930s（1）線性非平衡態(tài)熱力學(xué)：）線性非平衡態(tài)熱力學(xué)： 翁薩格（翁薩格（Onsager，1903-1976）（2）非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)：）非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)： 普里果金（普里果金（Prigogine，1917-2003）熱力學(xué)理論的發(fā)展（1）工程熱力學(xué)：）工程熱力學(xué)： （2）有限時(shí)間熱力學(xué)：）有限時(shí)間熱力學(xué)： 。

5、 統(tǒng)計(jì)物理理論的發(fā)展起源：起源：氣體分子動(dòng)理論（氣體分子動(dòng)理論（Kinetic Theory of Gases）第一個(gè)氣體分子動(dòng)理論模型的提出：第一個(gè)氣體分子動(dòng)理論模型的提出：1738年由瑞士物理學(xué)家年由瑞士物理學(xué)家伯努利（伯努利（Daniel Bernoulli）提出。）提出。統(tǒng)計(jì)物理系統(tǒng)理論的建立：統(tǒng)計(jì)物理系統(tǒng)理論的建立：奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼（奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼（Ludwig Bottzmann，1844-1906）、英國物理學(xué)家）、英國物理學(xué)家麥克斯韋（麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）、）、美國科學(xué)家吉布斯（美國科學(xué)家吉布斯（J. Willar

6、d Gibbs，1839-1903）等人做了統(tǒng)計(jì)物理奠基性的工作，發(fā)展了統(tǒng)計(jì)系綜理論，從等人做了統(tǒng)計(jì)物理奠基性的工作，發(fā)展了統(tǒng)計(jì)系綜理論，從而真正開創(chuàng)了統(tǒng)計(jì)物理的系統(tǒng)理論。而真正開創(chuàng)了統(tǒng)計(jì)物理的系統(tǒng)理論。量子統(tǒng)計(jì)理論：量子統(tǒng)計(jì)理論：普朗克（普朗克（Planck，1858-1947）、愛因斯）、愛因斯坦（坦（Einstein，1879-1955）、玻色、費(fèi)米、迪拉克等）、玻色、費(fèi)米、迪拉克等將量子力學(xué)理論和統(tǒng)計(jì)理論相結(jié)合，建立并完善了量子統(tǒng)計(jì)將量子力學(xué)理論和統(tǒng)計(jì)理論相結(jié)合，建立并完善了量子統(tǒng)計(jì)理論。理論。統(tǒng)計(jì)物理理論的發(fā)展統(tǒng)計(jì)物理理論的發(fā)展教材內(nèi)容框架與教學(xué)日歷第一章第一章 熱力學(xué)的基本規(guī)律熱力

7、學(xué)的基本規(guī)律（The Fundamental Laws of Thermodynamics）第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律v 1.1熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述v 1.2熱平衡定律和溫度熱平衡定律和溫度v 1.3物態(tài)方程物態(tài)方程v 1.4功功v 1.5熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律v 1.6熱容和焓熱容和焓v 1.7理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能v 1.8理想氣體的絕熱過程理想氣體的絕熱過程v 1.9理想氣體的卡諾循環(huán)理想氣體的卡諾循環(huán)v 1.10熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律v 1.11卡諾定理卡諾定理v 1.12熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)v 1.13克勞修斯等式和不等式克勞修斯等式

8、和不等式v 1.14熵和熱力學(xué)基本方程熵和熱力學(xué)基本方程v 1.15理想氣體的熵理想氣體的熵v 1.16熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)描熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)描述述v 1.17熵增加原理的簡單應(yīng)用熵增加原理的簡單應(yīng)用v 1.18自由能和吉布斯函數(shù)自由能和吉布斯函數(shù)1.1熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述Equilibrium State of a Thermodynamic System and its Description1.1的的及其及其Equilibrium State of a Thermodynamic System and its Descriptionv和其他學(xué)科一樣

9、，首先應(yīng)當(dāng)選取研究對象，對于和其他學(xué)科一樣，首先應(yīng)當(dāng)選取研究對象，對于力學(xué)，研究對象有質(zhì)點(diǎn)，剛體等，對于熱學(xué)而言力學(xué)，研究對象有質(zhì)點(diǎn)，剛體等，對于熱學(xué)而言，如何選擇研究對象并對之進(jìn)行定量描述呢？，如何選擇研究對象并對之進(jìn)行定量描述呢？v宏觀系統(tǒng)由大量微觀粒子組成，微觀粒子永不停宏觀系統(tǒng)由大量微觀粒子組成，微觀粒子永不停歇進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)，其宏觀量如果在系統(tǒng)不受外界影歇進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)，其宏觀量如果在系統(tǒng)不受外界影響時(shí)保持不變呢？其宏觀量在系統(tǒng)受到外界影響響時(shí)保持不變呢？其宏觀量在系統(tǒng)受到外界影響時(shí)是否能保持不變呢？時(shí)是否能保持不變呢？v一、系統(tǒng)與外界一、系統(tǒng)與外界v二、熱力學(xué)平衡態(tài)二、熱力學(xué)平衡態(tài)v一、系

10、統(tǒng)與外界一、系統(tǒng)與外界v二、熱力學(xué)平衡態(tài)二、熱力學(xué)平衡態(tài)一、系統(tǒng)與外界v1.系統(tǒng)：系統(tǒng)： 為了便于研究某種現(xiàn)象的規(guī)律，需要從物質(zhì)世界中選為了便于研究某種現(xiàn)象的規(guī)律，需要從物質(zhì)世界中選定某一有限的宏觀客體作為研究對象，該研究對象被稱為定某一有限的宏觀客體作為研究對象，該研究對象被稱為系統(tǒng)。系統(tǒng)。v2.熱力學(xué)系統(tǒng)：熱力學(xué)系統(tǒng)： 如果研究系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)，則系統(tǒng)被稱為熱力學(xué)系如果研究系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)，則系統(tǒng)被稱為熱力學(xué)系統(tǒng)。統(tǒng)。v3.外界：外界： 與系統(tǒng)與系統(tǒng)發(fā)生相互作用發(fā)生相互作用的其他物體稱為外界。的其他物體稱為外界。一、系統(tǒng)與外界v熱力學(xué)系統(tǒng)與外界相互作用的形式：熱力學(xué)系統(tǒng)與外界相互作用的形式

11、：熱力學(xué)與外界相互作用的三種形式熱力學(xué)與外界相互作用的三種形式物質(zhì)交換系統(tǒng)與外界之間發(fā)生物質(zhì)交換熱相互作用系統(tǒng)與外界以傳熱的方式交換能量功的形式系統(tǒng)與外界以做功的形式交換能量一、系統(tǒng)與外界v 熱力學(xué)系統(tǒng)分類熱力學(xué)系統(tǒng)分類I（按照與外界關(guān)系分類）：（按照與外界關(guān)系分類）：系統(tǒng)系統(tǒng)開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)物質(zhì)交換無有無能量交換無有有一、系統(tǒng)與外界v 熱力學(xué)系統(tǒng)分類熱力學(xué)系統(tǒng)分類II（按照物理化學(xué)性質(zhì)分類）：（按照物理化學(xué)性質(zhì)分類）：系統(tǒng)系統(tǒng)特征特征單相系統(tǒng)系統(tǒng)中各個(gè)部分的性質(zhì)完全一樣復(fù)相系統(tǒng)系統(tǒng)可以分成若干個(gè)均勻的部分非均勻系統(tǒng)系統(tǒng)中各個(gè)部分的性質(zhì)不均勻一、系統(tǒng)與外界v 熱力學(xué)系統(tǒng)分類熱力

12、學(xué)系統(tǒng)分類III（按照組成成分分類）：（按照組成成分分類）：系統(tǒng)系統(tǒng)特征特征單元系統(tǒng)系統(tǒng)中只包含一種化學(xué)組分多元系統(tǒng)系統(tǒng)包含多種化學(xué)組分v一、系統(tǒng)與外界一、系統(tǒng)與外界v二、熱力學(xué)平衡態(tài)二、熱力學(xué)平衡態(tài)二、熱力學(xué)平衡態(tài) 當(dāng)系統(tǒng)與外界存在相互作用時(shí)，一般來說，系當(dāng)系統(tǒng)與外界存在相互作用時(shí)，一般來說，系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化，此時(shí)研究比較困難?，F(xiàn)在統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化，此時(shí)研究比較困難?，F(xiàn)在考慮一種考慮一種理想情況理想情況：當(dāng)外界對系統(tǒng)的作用可以忽：當(dāng)外界對系統(tǒng)的作用可以忽略而可近似看作孤立系統(tǒng)或系統(tǒng)與外界沒有相互略而可近似看作孤立系統(tǒng)或系統(tǒng)與外界沒有相互作用的孤立系統(tǒng)。作用的孤立系統(tǒng)。 該系統(tǒng)會(huì)存在如下

13、特征：經(jīng)驗(yàn)指出，該系統(tǒng)會(huì)存在如下特征：經(jīng)驗(yàn)指出，一個(gè)孤立一個(gè)孤立系統(tǒng)，不論其初態(tài)如何復(fù)雜，經(jīng)過足夠長的時(shí)間系統(tǒng)，不論其初態(tài)如何復(fù)雜，經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，將會(huì)到達(dá)這樣的狀態(tài)，系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)后，將會(huì)到達(dá)這樣的狀態(tài)，系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)在長時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何變化，這樣的狀態(tài)稱為熱在長時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何變化，這樣的狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡態(tài)，簡稱平衡態(tài)。力學(xué)平衡態(tài)，簡稱平衡態(tài)。不符合上述條件的狀不符合上述條件的狀態(tài)稱為非平衡態(tài)。態(tài)稱為非平衡態(tài)。 二、熱力學(xué)平衡態(tài)解讀：解讀： 1.弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間：由初始狀態(tài)達(dá)到平衡狀態(tài)所經(jīng)歷：由初始狀態(tài)達(dá)到平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間。的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間。 2.熱動(dòng)平衡熱

14、動(dòng)平衡； 3.存在存在漲落漲落； 4.由于作為平衡態(tài)的先決條件孤立系統(tǒng)實(shí)際上由于作為平衡態(tài)的先決條件孤立系統(tǒng)實(shí)際上是不存在的，平衡態(tài)是一個(gè)是不存在的，平衡態(tài)是一個(gè)理想化概念理想化概念，是在一，是在一定條件下對實(shí)際情況的簡化和抽象；定條件下對實(shí)際情況的簡化和抽象； 5.對于對于閉系和開系閉系和開系，只要外界作用恒定，系統(tǒng)，只要外界作用恒定，系統(tǒng)經(jīng)過一定時(shí)間后也可以達(dá)到宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變經(jīng)過一定時(shí)間后也可以達(dá)到宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，但這種狀態(tài)是化的狀態(tài)，但這種狀態(tài)是穩(wěn)恒態(tài)而非平衡態(tài)穩(wěn)恒態(tài)而非平衡態(tài)（例（例如插在火中的鐵棒）。如插在火中的鐵棒）。 二、熱力學(xué)平衡態(tài)解讀：解讀： 力學(xué)平衡：系統(tǒng)各

15、部分受力平衡；力學(xué)平衡：系統(tǒng)各部分受力平衡； 熱平衡：系統(tǒng)內(nèi)無定向熱流；熱平衡：系統(tǒng)內(nèi)無定向熱流； 相平衡：系統(tǒng)內(nèi)各相物質(zhì)的量保持恒定；相平衡：系統(tǒng)內(nèi)各相物質(zhì)的量保持恒定； 化學(xué)平衡：系統(tǒng)內(nèi)各化學(xué)組分的量保持恒定?；瘜W(xué)平衡：系統(tǒng)內(nèi)各化學(xué)組分的量保持恒定。二、熱力學(xué)平衡態(tài) 1.狀態(tài)參量狀態(tài)參量：2.狀態(tài)參量與狀態(tài)函數(shù)：狀態(tài)參量與狀態(tài)函數(shù)：二、熱力學(xué)平衡態(tài)廣延量與強(qiáng)度量廣延量與強(qiáng)度量： 1.2熱平衡定律和溫度熱平衡定律和溫度Thermal Equilibrium Law and Temperaturev系統(tǒng)內(nèi)部的熱平衡系統(tǒng)之間的熱平衡系統(tǒng)內(nèi)部的熱平衡系統(tǒng)之間的熱平衡v不同系統(tǒng)之間達(dá)到熱平衡后應(yīng)具有

16、某種相同的狀不同系統(tǒng)之間達(dá)到熱平衡后應(yīng)具有某種相同的狀態(tài)函數(shù)。態(tài)函數(shù)。v如何度量溫度？如何度量溫度？1.2熱平衡定律和溫度v一、熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）一、熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）v二、溫度二、溫度v三、溫標(biāo)三、溫標(biāo)一、熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）v實(shí)驗(yàn)事實(shí)的歸納實(shí)驗(yàn)事實(shí)的歸納P1,V1P1,V1P2,V2P2,V2一、熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）v實(shí)驗(yàn)事實(shí)的歸納實(shí)驗(yàn)事實(shí)的歸納v如果物體如果物體A和物體和物體B各自與處在同一狀態(tài)的物體各自與處在同一狀態(tài)的物體C達(dá)到熱平衡，若令達(dá)到熱平衡，若令A(yù)與與B進(jìn)行熱接觸，它們也將處進(jìn)行熱接觸，它們也將處在熱平衡，在熱平衡，一、熱平衡定律（熱力學(xué)第

17、零定律）v如果物體如果物體A和物體和物體B各自與處在同一狀態(tài)的物體各自與處在同一狀態(tài)的物體C達(dá)到熱平衡，若令達(dá)到熱平衡，若令A(yù)與與B進(jìn)行熱接觸，它們也將處進(jìn)行熱接觸，它們也將處在熱平衡，在熱平衡，一、熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）不考慮電磁性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的簡單系統(tǒng)，其平衡狀態(tài)不考慮電磁性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的簡單系統(tǒng)，其平衡狀態(tài)可以用壓強(qiáng)和體積兩個(gè)狀態(tài)參量來完全描述?？梢杂脡簭?qiáng)和體積兩個(gè)狀態(tài)參量來完全描述。PA，VAPB，VBPC，VC一、熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）A和C熱接觸達(dá)到平衡：fAC (PA，VA，PC，VC)=0PC=FAC(PA，VA，VC)B和C熱接觸達(dá)到平衡：fBC (PB，VB，P

18、C，VC)=0PC=FBC(PB，VB，VC)一、熱平衡定律（熱力學(xué)第零定律）A和C熱接觸達(dá)到平衡：fAC (PA，VA，PC，VC)=0PC=FAC(PA，VA，VC)B和C熱接觸達(dá)到平衡：fBC (PB，VB，PC，VC)=0PC=FBC(PB，VB，VC)PC=FAC(PA，VA，VC)=FBC(PB，VB，VC)A和B都與C達(dá)到平衡，則A和B也應(yīng)當(dāng)達(dá)到熱平衡：fAB=(PA，VA，PB，VB)=0，此式與C的參量無關(guān)。FAC(PA，VA，VC)=FBC(PB，VB，VC)gA(PA，VA)=gB(PB，VB)二、溫度g(P，V)=T 定義溫度的理論基礎(chǔ)；定義溫度的理論基礎(chǔ)； 為設(shè)計(jì)溫度

19、計(jì)和科學(xué)計(jì)量溫度提供了理論依據(jù)。為設(shè)計(jì)溫度計(jì)和科學(xué)計(jì)量溫度提供了理論依據(jù)。二、溫度g(P，V)=Tv定性地說，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)熱接觸時(shí)，各系統(tǒng)的狀態(tài)參定性地說，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)熱接觸時(shí)，各系統(tǒng)的狀態(tài)參量將發(fā)生變化，直至達(dá)到兩系統(tǒng)彼此處于熱平衡而量將發(fā)生變化，直至達(dá)到兩系統(tǒng)彼此處于熱平衡而具有某一共同物理性質(zhì)為止。具有某一共同物理性質(zhì)為止。二、溫度v這一表征達(dá)成平衡的諸熱力學(xué)系統(tǒng)的共同性質(zhì)的物這一表征達(dá)成平衡的諸熱力學(xué)系統(tǒng)的共同性質(zhì)的物理量叫做溫度。理量叫做溫度。v即，一切互為熱平衡的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有相同的溫度。即，一切互為熱平衡的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有相同的溫度。v熱力學(xué)第零定律不僅給出了溫度的概念，熱力學(xué)第零定律不僅

20、給出了溫度的概念，也給出了也給出了比較不同物體溫度的方法比較不同物體溫度的方法。由于處于熱平衡的物體。由于處于熱平衡的物體具有相同的溫度，所以比較兩個(gè)物體的溫度時(shí)不需具有相同的溫度，所以比較兩個(gè)物體的溫度時(shí)不需要兩物體直接進(jìn)行熱接觸，只需取要兩物體直接進(jìn)行熱接觸，只需取熱容量較小熱容量較小的第的第三個(gè)物體作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，讓它分別與兩個(gè)物體進(jìn)行三個(gè)物體作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，讓它分別與兩個(gè)物體進(jìn)行熱接觸就行了。這個(gè)被取為衡量標(biāo)準(zhǔn)的物體就是溫?zé)峤佑|就行了。這個(gè)被取為衡量標(biāo)準(zhǔn)的物體就是溫度計(jì)。度計(jì)。三、溫標(biāo)v溫度的科學(xué)定義還應(yīng)當(dāng)包括它的數(shù)值表示。溫度的溫度的科學(xué)定義還應(yīng)當(dāng)包括它的數(shù)值表示。溫度的數(shù)值表示方法稱為

21、溫標(biāo)，分為數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)，分為和和兩類。兩類。是指與測溫物質(zhì)和測溫屬性有關(guān)的溫標(biāo)。是指與測溫物質(zhì)和測溫屬性有關(guān)的溫標(biāo)。v攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)便是最常用到的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。便是最常用到的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。v經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的缺點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的缺點(diǎn)：不同的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)對同一測量對象不同的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)對同一測量對象的測量結(jié)果不相同，給溫度的測量和比較帶來了諸的測量結(jié)果不相同，給溫度的測量和比較帶來了諸多不便。多不便。三、溫標(biāo)v溫度的科學(xué)定義還應(yīng)當(dāng)包括它的數(shù)值表示。溫度的溫度的科學(xué)定義還應(yīng)當(dāng)包括它的數(shù)值表示。溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)，分為數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)，分為和和兩類。兩類。是指與測溫物質(zhì)和測溫屬性無關(guān)的

22、溫標(biāo)。是指與測溫物質(zhì)和測溫屬性無關(guān)的溫標(biāo)。v理想氣體溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)（也稱開爾文溫標(biāo)或絕理想氣體溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)（也稱開爾文溫標(biāo)或絕對溫標(biāo)）對溫標(biāo)）便屬于這類溫標(biāo)。便屬于這類溫標(biāo)。三、溫標(biāo)：通過測溫物質(zhì)和某一隨溫度單調(diào)變化的：通過測溫物質(zhì)和某一隨溫度單調(diào)變化的性質(zhì)來標(biāo)度，這種溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。性質(zhì)來標(biāo)度，這種溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。 選擇測溫物質(zhì)；選擇測溫物質(zhì)； 選取固定點(diǎn)；選取固定點(diǎn)； 測溫質(zhì)的性質(zhì)與溫度的關(guān)系（例如線性關(guān)系）。測溫質(zhì)的性質(zhì)與溫度的關(guān)系（例如線性關(guān)系）。三、溫標(biāo)將導(dǎo)致具體的測溫物質(zhì)與溫度的關(guān)系會(huì)有將導(dǎo)致具體的測溫物質(zhì)與溫度的關(guān)系會(huì)有差別，將導(dǎo)致不同的氣體溫度計(jì)標(biāo)度同一系統(tǒng)的溫差別，

23、將導(dǎo)致不同的氣體溫度計(jì)標(biāo)度同一系統(tǒng)的溫度，結(jié)果略有差別。度，結(jié)果略有差別。三、溫標(biāo)。三、溫標(biāo)v幾種常見的溫度計(jì)。幾種常見的溫度計(jì)。1.3物態(tài)方程物態(tài)方程Equation of Statev熱力學(xué)平衡態(tài)可以用四類狀態(tài)參量來表示；熱力學(xué)平衡態(tài)可以用四類狀態(tài)參量來表示；v熱力學(xué)平衡定律給出了平衡態(tài)下狀態(tài)函數(shù)溫度；熱力學(xué)平衡定律給出了平衡態(tài)下狀態(tài)函數(shù)溫度；v熱力學(xué)平衡態(tài)的描述采用何種方式進(jìn)行描述各參熱力學(xué)平衡態(tài)的描述采用何種方式進(jìn)行描述各參量和溫度之間的關(guān)系呢？量和溫度之間的關(guān)系呢？目錄v一、物態(tài)方程；一、物態(tài)方程；v二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；v三、理想氣

24、體的物態(tài)方程；三、理想氣體的物態(tài)方程；v四、非理想氣體的物態(tài)方程；四、非理想氣體的物態(tài)方程；v五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；v六、順磁性固體物態(tài)方程；六、順磁性固體物態(tài)方程；v七、例題。七、例題。目錄v二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；v三、理想氣體的物態(tài)方程；三、理想氣體的物態(tài)方程；v四、非理想氣體的物態(tài)方程；四、非理想氣體的物態(tài)方程；v五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；v六、順磁性固體物態(tài)方程；六、順磁性固體物態(tài)方程；v七、例題。七、例題。一、物態(tài)方程v物態(tài)方程就是要給出溫度和狀態(tài)參量之間函數(shù)關(guān)物

25、態(tài)方程就是要給出溫度和狀態(tài)參量之間函數(shù)關(guān)系的方程。系的方程。v簡單系統(tǒng)：簡單系統(tǒng)：v一般系統(tǒng)：一般系統(tǒng)：0),(TVpf0),.,(21Txxxfn目錄v一、物態(tài)方程；一、物態(tài)方程；v三、理想氣體的物態(tài)方程；三、理想氣體的物態(tài)方程；v四、非理想氣體的物態(tài)方程；四、非理想氣體的物態(tài)方程；v五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；v六、順磁性固體物態(tài)方程；六、順磁性固體物態(tài)方程；v七、例題。七、例題。二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v1.定壓膨脹系數(shù)（體脹系數(shù)）：定壓膨脹系數(shù)（體脹系數(shù)）：pTVV)(1二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v2.定容壓力系數(shù)（壓強(qiáng)系數(shù)）：定容壓力

26、系數(shù)（壓強(qiáng)系數(shù)）：VTpp)(1二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v3.等溫壓縮系數(shù)：等溫壓縮系數(shù)：TTpVV)(1二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v4.數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論：數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論： 0),(zyxfzxzzzzzzxyzxwwyxyxyxwyxyyxyyzzxxy)()()()()()w()(1)x()( 1)()()(w二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v4.數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論：數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論： zxzzzzzzxyzxwwyxyxyxwyxyyxyyzzxxy)()()()()()w()(1)x()( 1)()()(w0),(TVpf0),(zyxfTpTTTT

27、TTpVTpwwVpVpVpwVpVVpVVTTppV)()()()()()w()(1)p()( 1)()()(w二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v4.數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論：數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論： 0),(TVpfTpTTTTTTpVTpwwVpVpVpwVpVVpVVTTppV)()()()()()w()(1)p()( 1)()()(wpTVV)(1VTpp)(1TTpVV)(1二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v4.數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論：數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論： 0),(TVpfTpTTTTTTpVTpwwVpVpVpwVpVVpVVTTppV)()()()()()w()(1)p()( 1

28、)()()(wpTVV)(1VTpp)(1TTpVV)(1二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v4.數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論：數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論： 0),(TVpf1)p()( 1)()()(TTpVTVpVVTTppVpTVV)(1VTpp)(1TTpVV)(111 1)( ;)( ;)(VpVVVTpTpVpVTpVTTpT二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量v4.數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論：數(shù)學(xué)模型下的重要結(jié)論： pTv壓強(qiáng)系數(shù)很難通過實(shí)驗(yàn)測量獲得，一般通過上式的壓強(qiáng)系數(shù)很難通過實(shí)驗(yàn)測量獲得，一般通過上式的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)測得的另外兩個(gè)系數(shù)計(jì)算獲得。關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)測得的另外兩個(gè)系數(shù)計(jì)算獲得。 目錄v一

29、、物態(tài)方程；一、物態(tài)方程；v二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；v四、非理想氣體的物態(tài)方程；四、非理想氣體的物態(tài)方程；v五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；v六、順磁性固體物態(tài)方程；六、順磁性固體物態(tài)方程；v七、例題。七、例題。三、理想氣體的物態(tài)方程三、理想氣體的物態(tài)方程 一定量的氣體，在一定溫度下，其壓強(qiáng)與體積的一定量的氣體，在一定溫度下，其壓強(qiáng)與體積的乘積是個(gè)常量，即：乘積是個(gè)常量，即：v對于實(shí)際氣體，玻意耳定律只能近似成立，氣體對于實(shí)際氣體，玻意耳定律只能近似成立，氣體越稀薄，壓強(qiáng)越小，越符合玻意耳定律。越稀薄，壓強(qiáng)越小，越符合

30、玻意耳定律。 在相同溫度和壓強(qiáng)下，在相同溫度和壓強(qiáng)下，1mol的任何氣體所占有的任何氣體所占有的體積都相等，特別的：的體積都相等，特別的：CpV molmnVVKTatmpm/10414.2215.273,1330000三、理想氣體的物態(tài)方程三、理想氣體的物態(tài)方程1212TTpp 2212VpVp222111TVpTVp三、理想氣體的物態(tài)方程222111TVpTVp)/3145. 8(000000000KmolJTVpRnRTVpnTVpTpVmmnRTpVnRTpV目錄v一、物態(tài)方程；一、物態(tài)方程；v二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；v三、理想氣體的物態(tài)

31、方程；三、理想氣體的物態(tài)方程；v四、非理想氣體的物態(tài)方程；四、非理想氣體的物態(tài)方程；v五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；v六、順磁性固體物態(tài)方程；六、順磁性固體物態(tài)方程；v七、例題。七、例題。四、非理想氣體的物態(tài)方程nRTnbVVanp)(22nRTpVnRTpV項(xiàng)分子之間吸引力的修正分子之間斥力的修正項(xiàng)四、非理想氣體的物態(tài)方程.)()()(1 2TCVnTBVnVnRTpnRTpVnRTpV它們都是溫度的函數(shù)！三位力系數(shù)稱為第二位力系數(shù)、第、其中，.)()(TCTB目錄v一、物態(tài)方程；一、物態(tài)方程；v二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物

32、理量；v三、理想氣體的物態(tài)方程；三、理想氣體的物態(tài)方程；v四、非理想氣體的物態(tài)方程；四、非理想氣體的物態(tài)方程；v六、順磁性固體物態(tài)方程；六、順磁性固體物態(tài)方程；v七、例題。七、例題。五、簡單固體和液體的物態(tài)方程)(1)0 ,(),(000pTTTVpTVT五、簡單固體和液體的物態(tài)方程)(1)0 ,(),(0),(),(,)(1)(1:)()(),(0),(0000)()()()(000,0000000000pTTTVpTVpeepTVpTVdpdTVdVVTVpTVpdpdTdppVVdTTVVVdVVdppVdTTVdVpTVVTVpfTppTTppTTTpTpTVVTTpTpTT時(shí)當(dāng)，并注

33、意到其值很小，展開積分：）對）到末態(tài)（從初態(tài)（兩邊同時(shí)除以也可寫成：物態(tài)方程為：）（）（目錄v一、物態(tài)方程；一、物態(tài)方程；v二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；v三、理想氣體的物態(tài)方程；三、理想氣體的物態(tài)方程；v四、非理想氣體的物態(tài)方程；四、非理想氣體的物態(tài)方程；v五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；v六、順磁性固體物態(tài)方程；六、順磁性固體物態(tài)方程；v七、例題。七、例題。六、順磁性固體的物態(tài)方程)-()(0),(外斯定律居里居里定律HTCMHTCMTHMf目錄v一、物態(tài)方程；一、物態(tài)方程；v二、幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；二、幾個(gè)

34、與物態(tài)方程有關(guān)的重要物理量；v三、理想氣體的物態(tài)方程；三、理想氣體的物態(tài)方程；v四、非理想氣體的物態(tài)方程；四、非理想氣體的物態(tài)方程；v五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；五、簡單固體和液體的物態(tài)方程；v六、順磁性固體物態(tài)方程；六、順磁性固體物態(tài)方程；七、例題-由物態(tài)方程求幾個(gè)系數(shù)ppnRTVpVVTpVnRTVVpVVTVVnRTpVTTpTTp1)(1)(11)(1)(1)(12等溫壓縮系數(shù)為：定壓膨脹系數(shù)為：理想氣體的物態(tài)方程為七、例題-已知幾個(gè)系數(shù)求物態(tài)方程)()(1)(1)()(1,1,.2bpVVpVVbppVVpnRVTVpVnRTVVbRnVbppVnRTTTTppT解：求該氣體的物態(tài)

35、方程。均為常數(shù)。和其中某氣體的七、例題-已知幾個(gè)系數(shù)求物態(tài)方程22210,021)()()()(bpnRTpVCnRTpVpCbpnRTpVbpdpnRdTpVdbpdpVdpnRdTpdVdpbpVdTpnRdVdppVdTTVdVTp可得：時(shí)七、例題-課堂練習(xí)。求范氏氣體的求該系統(tǒng)的物態(tài)方程。，已知某系統(tǒng)求該系統(tǒng)的物態(tài)方程。，已知某系統(tǒng),. 3)1 (1)31 (1. 21. 122VTapVTaTTpVRT1.4-1.5熱力學(xué)第一定律和功熱力學(xué)第一定律和功The First Law of Thermodynamicsv運(yùn)用狀態(tài)參量對某一平衡態(tài)進(jìn)行描述；運(yùn)用狀態(tài)參量對某一平衡態(tài)進(jìn)行描述；v

36、任一平衡態(tài)下狀態(tài)參量和溫度關(guān)系的方程；任一平衡態(tài)下狀態(tài)參量和溫度關(guān)系的方程；v不同平衡態(tài)之間的轉(zhuǎn)化特點(diǎn)是什么？如何描述？不同平衡態(tài)之間的轉(zhuǎn)化特點(diǎn)是什么？如何描述？轉(zhuǎn)化過程中每個(gè)狀態(tài)是否為平衡態(tài)？轉(zhuǎn)化過程中每個(gè)狀態(tài)是否為平衡態(tài)？目錄v一、熱力學(xué)過程一、熱力學(xué)過程v二、功二、功v三、態(tài)函數(shù)三、態(tài)函數(shù)-內(nèi)能內(nèi)能v四、熱力學(xué)第一定律四、熱力學(xué)第一定律目錄v二、功二、功v三、態(tài)函數(shù)三、態(tài)函數(shù)-內(nèi)能內(nèi)能v四、熱力學(xué)第一定律四、熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)過程v1.熱力學(xué)過程：熱力學(xué)過程： 系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)平衡狀態(tài)，稱系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)平衡狀態(tài)，稱為經(jīng)歷了一個(gè)過程。為經(jīng)歷了一個(gè)過程。v

37、2.準(zhǔn)靜態(tài)過程：準(zhǔn)靜態(tài)過程： 系統(tǒng)的熱力學(xué)過程進(jìn)行的無限緩慢，在過程中經(jīng)系統(tǒng)的熱力學(xué)過程進(jìn)行的無限緩慢，在過程中經(jīng)歷的每一個(gè)狀態(tài)均可以看作平衡態(tài)。歷的每一個(gè)狀態(tài)均可以看作平衡態(tài)。),(2.),( 1222111TVpStateTVpState),(2).,(.),( 1222111TVpStateTVpStateiTVpStateiii一、熱力學(xué)過程v2.準(zhǔn)靜態(tài)過程：準(zhǔn)靜態(tài)過程： 系統(tǒng)的熱力學(xué)過程進(jìn)行的無限緩慢，在過程中經(jīng)系統(tǒng)的熱力學(xué)過程進(jìn)行的無限緩慢，在過程中經(jīng)歷的每一個(gè)狀態(tài)均可以看作平衡態(tài)。歷的每一個(gè)狀態(tài)均可以看作平衡態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過程判斷依據(jù)：準(zhǔn)靜態(tài)過程判斷依據(jù)：系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡所需的時(shí)系統(tǒng)

38、重新恢復(fù)平衡所需的時(shí)間稱為間稱為弛豫時(shí)間弛豫時(shí)間。如果熱力學(xué)過程所經(jīng)歷的時(shí)間。如果熱力學(xué)過程所經(jīng)歷的時(shí)間遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)間，則在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)有遠(yuǎn)大于弛豫時(shí)間，則在狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)有足夠的時(shí)間恢復(fù)平衡，這個(gè)過程可看作準(zhǔn)靜態(tài)過足夠的時(shí)間恢復(fù)平衡，這個(gè)過程可看作準(zhǔn)靜態(tài)過程。程。),(2).,(.),( 1222111TVpStateTVpStateiTVpStateiii一、熱力學(xué)過程v3.準(zhǔn)靜態(tài)過程的圖示：準(zhǔn)靜態(tài)過程的圖示： 可以用可以用p-V圖、圖、T-V圖或圖或p-T圖來表示平衡態(tài)和圖來表示平衡態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程。 圖中一個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)熱力學(xué)平衡態(tài)，兩個(gè)點(diǎn)之間圖中一個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)熱

39、力學(xué)平衡態(tài)，兩個(gè)點(diǎn)之間的曲線表示兩個(gè)平衡態(tài)之間經(jīng)歷的準(zhǔn)靜態(tài)過程。的曲線表示兩個(gè)平衡態(tài)之間經(jīng)歷的準(zhǔn)靜態(tài)過程。目錄v一、熱力學(xué)過程一、熱力學(xué)過程v二、功二、功v三、態(tài)函數(shù)三、態(tài)函數(shù)-內(nèi)能內(nèi)能v四、熱力學(xué)第一定律四、熱力學(xué)第一定律二、功v在熱力學(xué)過程進(jìn)行中，和外界通過熱傳遞和做功在熱力學(xué)過程進(jìn)行中，和外界通過熱傳遞和做功來交換能量。來交換能量。v1.體積功的計(jì)算：體積功的計(jì)算：pdxpBABAVVVVdVVppdVpdVpAdxWddxp)(BA,做的功為：外界對系統(tǒng)變化到狀態(tài)系統(tǒng)從狀態(tài)，做功為：動(dòng)在準(zhǔn)靜態(tài)條件下活塞移塞的壓強(qiáng)為系統(tǒng)處于平衡態(tài)，對活二、功v2.p-V圖上功的表示圖上功的表示（1）用面

40、積來表示功；）用面積來表示功；（2）功的正負(fù)號(hào)；）功的正負(fù)號(hào)；（3）功與過程有關(guān)；）功與過程有關(guān)；（4）等容和等壓過程；）等容和等壓過程；二、功v3.其他形式功的計(jì)算其他形式功的計(jì)算（1）液體表面薄膜：）液體表面薄膜：dAldxFdxWddx2，做功為：右框左移二、功v3.其他形式功的計(jì)算其他形式功的計(jì)算（2）電介質(zhì)：）電介質(zhì)：VEdPEVdWdPEDDEVdElAdUdqWd)2()()(200電極化強(qiáng)度電位移激發(fā)電場的功激發(fā)電場的功使電介質(zhì)極化的功使電介質(zhì)極化的功二、功v3.其他形式功的計(jì)算其他形式功的計(jì)算（2）電介質(zhì)：）電介質(zhì)：VEdPWd只包含電介質(zhì)：如果所選熱力學(xué)系統(tǒng)VEdPEVdW

41、dPEDDEVdElAdUdqWd)2()()(200電極化強(qiáng)度電位移二、功v3.其他形式功的計(jì)算其他形式功的計(jì)算（3）磁介質(zhì)：）磁介質(zhì)：VHdMHVdVHdBWdMHBVHdBAlHdBdtHNldtdBNAWdNIHldtABdNUUIdtWd0200)2()()()(激發(fā)磁場的功激發(fā)磁場的功介質(zhì)磁化的功介質(zhì)磁化的功二、功v3.其他形式功的計(jì)算其他形式功的計(jì)算（3）磁介質(zhì)：）磁介質(zhì)：VHdMWd0只包含磁介質(zhì)，則：統(tǒng)不包含磁場，如果所選取的熱力學(xué)系二、功v4.準(zhǔn)靜態(tài)過程中外界對系統(tǒng)做功的一般形式準(zhǔn)靜態(tài)過程中外界對系統(tǒng)做功的一般形式VHdMWd0pdVWdVEdPWddAWd為對應(yīng)的廣義力。

42、，為廣義坐標(biāo)（外參量）iiiiiYydyYyYyYWd.2211目錄v一、熱力學(xué)過程一、熱力學(xué)過程v二、功二、功v四、熱力學(xué)第一定律四、熱力學(xué)第一定律三、態(tài)函數(shù)-內(nèi)能v絕熱過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系（圖絕熱過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系（圖1.9，1.10）焦耳實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：焦耳實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：用各種不同的絕熱過程使物體升高用各種不同的絕熱過程使物體升高一定的溫度，所需的功在實(shí)驗(yàn)誤差的范圍內(nèi)是相一定的溫度，所需的功在實(shí)驗(yàn)誤差的范圍內(nèi)是相等的。等的。即：系統(tǒng)經(jīng)過絕熱過程（包括非靜態(tài)的絕熱過程）即：系統(tǒng)經(jīng)過絕熱過程（包括非靜態(tài)的絕熱過程），從初態(tài)變到終態(tài)，在過程中外界對系統(tǒng)所做的，從初態(tài)變到終態(tài)，在過程中外界對系統(tǒng)所做的功

43、取決于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與過程無關(guān)。功取決于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與過程無關(guān)?？梢杂媒^熱過程中外界對系統(tǒng)所做可以用絕熱過程中外界對系統(tǒng)所做的功定義一個(gè)態(tài)函數(shù)在終態(tài)和初態(tài)的差值：的功定義一個(gè)態(tài)函數(shù)在終態(tài)和初態(tài)的差值：ABsUUW三、態(tài)函數(shù)-內(nèi)能可以用絕熱過程中外界對系統(tǒng)所做可以用絕熱過程中外界對系統(tǒng)所做的功定義一個(gè)態(tài)函數(shù)在終態(tài)和初態(tài)的差值：的功定義一個(gè)態(tài)函數(shù)在終態(tài)和初態(tài)的差值：ABsUUW該態(tài)函數(shù)即為系統(tǒng)的內(nèi)能。該態(tài)函數(shù)即為系統(tǒng)的內(nèi)能。上式的物理意義：在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)所做上式的物理意義：在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)所做的功全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。的功全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。內(nèi)能是指與微觀熱運(yùn)動(dòng)相

44、關(guān)的能量，不包含系統(tǒng)整內(nèi)能是指與微觀熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)的能量，不包含系統(tǒng)整體的機(jī)械能。體的機(jī)械能。目錄v一、熱力學(xué)過程一、熱力學(xué)過程v二、功二、功v三、態(tài)函數(shù)三、態(tài)函數(shù)-內(nèi)能內(nèi)能四、熱力學(xué)第一定律在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)所做的功全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。所做的功全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。ABsUUWWUUQAB外界對系統(tǒng)所做的功不等于內(nèi)能的變化，二者外界對系統(tǒng)所做的功不等于內(nèi)能的變化，二者之差即為系統(tǒng)在該過程中從外界吸收的之差即為系統(tǒng)在該過程中從外界吸收的。四、熱力學(xué)第一定律內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，只和初態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而功和熱內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，只和初態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而功和熱量是過程量。例如從初態(tài)量

45、是過程量。例如從初態(tài)A到終態(tài)到終態(tài)B經(jīng)歷了不同的經(jīng)歷了不同的兩個(gè)過程兩個(gè)過程I和和II：QWUUAB22112121,QWQWUUQQWWAB但：四、熱力學(xué)第一定律不需要外界對系統(tǒng)提供能量，系統(tǒng)能不需要外界對系統(tǒng)提供能量，系統(tǒng)能夠不斷對外做功的機(jī)器。夠不斷對外做功的機(jī)器。熱力學(xué)第一定律表明第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。熱力學(xué)第一定律表明第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。四、熱力學(xué)第一定律。：吸熱為正，放熱為負(fù)；，系統(tǒng)對外界做功為負(fù)：外界對系統(tǒng)做功為正減小為負(fù)；：系統(tǒng)內(nèi)能增加為正，正負(fù)號(hào)規(guī)則：對于無限小過程：QWUQdWddUQWU四、熱力學(xué)第一定律.21UUU1.6-1.7熱容量和焓熱容量和焓Heat

46、 Capacity and Enthalpyv平衡態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能量守恒，主要有做功和平衡態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能量守恒，主要有做功和熱量兩種能量交換方式；熱量兩種能量交換方式；v吸熱和放熱會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響？溫度在吸熱和放熱會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響？溫度在吸收一定熱量時(shí)升高多少？內(nèi)能和溫度的關(guān)系如吸收一定熱量時(shí)升高多少？內(nèi)能和溫度的關(guān)系如何？何？v理想氣體的內(nèi)能如何描述？理想氣體的內(nèi)能如何描述？目錄v一、熱容一、熱容v二、定容熱容量二、定容熱容量v三、定壓熱容量和焓三、定壓熱容量和焓v四、理想氣體的內(nèi)能四、理想氣體的內(nèi)能目錄v一、熱容一、熱容v二、定容熱容量二、定容熱容量v三、定壓熱容量和

47、焓三、定壓熱容量和焓v四、理想氣體的內(nèi)能四、理想氣體的內(nèi)能一、熱容量TQCT0limmnCC 一、熱容量TQCT0lim)( 為摩爾數(shù)nnCCm)(為系統(tǒng)的質(zhì)量MMCc 一、熱容量目錄v一、熱容一、熱容v二、定容熱容量二、定容熱容量v三、定壓熱容量和焓三、定壓熱容量和焓v四、理想氣體的內(nèi)能四、理想氣體的內(nèi)能二、定容熱容量VVTVTVTUTUTQC)()(lim)(lim00目錄v一、熱容一、熱容v二、定容熱容量二、定容熱容量v四、理想氣體的內(nèi)能四、理想氣體的內(nèi)能三、定壓熱容量和焓pppTpTpTVpTUTVpUTQC)()()(lim)(lim00三、定壓熱容量和焓pppTpTpTVpTUTV

48、pUTQC)()()(lim)(lim00ppTHCVpUHpVUH)(;則：定義：三、定壓熱容量和焓ppTHCVpUHpVUH)(;則：定義：目錄v一、熱容一、熱容v二、定容熱容量二、定容熱容量四、理想氣體的內(nèi)能焦耳實(shí)驗(yàn)：焦耳實(shí)驗(yàn)：溫度計(jì)顯示水溫沒溫度計(jì)顯示水溫沒有變化，說明氣有變化，說明氣體和水沒有熱交體和水沒有熱交換（換（Q=0），右），右側(cè)是真空，氣體側(cè)是真空，氣體不對外做功（不對外做功（W=0）。）。四、理想氣體的內(nèi)能焦耳實(shí)驗(yàn)：焦耳實(shí)驗(yàn)：溫度計(jì)顯示水溫沒有變化，說明氣體和水沒有熱交換（溫度計(jì)顯示水溫沒有變化，說明氣體和水沒有熱交換（Q=0），右側(cè)是真空，氣體不對外做功（），右側(cè)是真空

49、，氣體不對外做功（W=0）。焦耳實(shí)驗(yàn)的定量分析：焦耳實(shí)驗(yàn)的定量分析：JTUVTTUVUUTTVVUVTUUVUVTVUT)()()()(1)()()(),(假設(shè)0)(0)()(TUVUJVTJ實(shí)驗(yàn)測得：稱為焦耳系數(shù)四、理想氣體的內(nèi)能焦耳實(shí)驗(yàn)的定量分析：焦耳實(shí)驗(yàn)的定量分析：JTUVTTUVUUTTVVUVTUUVUVTVUT)()()()(1)()()(),(假設(shè)0)(0)()(TUVUJVTJ實(shí)驗(yàn)測得：稱為焦耳系數(shù)焦耳實(shí)驗(yàn)表明：氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，與體積無焦耳實(shí)驗(yàn)表明：氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，與體積無關(guān)，稱為關(guān)，稱為焦耳定律。焦耳定律。四、理想氣體的內(nèi)能 焦耳實(shí)驗(yàn)表明：氣體的內(nèi)能只是溫

50、度的函數(shù)，與體焦耳實(shí)驗(yàn)表明：氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，與體積無關(guān)，稱為積無關(guān)，稱為焦耳定律。焦耳定律。 焦耳定律焦耳定律，取決于溫度變化測量的準(zhǔn)確性，取決于溫度變化測量的準(zhǔn)確性，因?yàn)樗臒崛萘亢艽螅运疁刈兓茈y測量出來，因?yàn)樗臒崛萘亢艽螅运疁刈兓茈y測量出來，所以焦耳實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，所以焦耳實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。 1852年，焦耳和湯姆遜用其他方法進(jìn)行節(jié)流過程年，焦耳和湯姆遜用其他方法進(jìn)行節(jié)流過程的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)的內(nèi)能不僅是的內(nèi)能不僅是的函數(shù)，而的函數(shù)，而且是且是的函數(shù)（氣體分子之間的相互作用）。的函數(shù)（氣體分子之間的相互作用）。 不過焦耳定律在氣體不過焦耳定律在氣體的極限情況下是的極限情

51、況下是。四、理想氣體的內(nèi)能 嚴(yán)格遵從玻意耳嚴(yán)格遵從玻意耳-馬略特定律、阿伏伽德羅定律和焦馬略特定律、阿伏伽德羅定律和焦耳定律的氣體耳定律的氣體稱為理想氣體稱為理想氣體。 理想氣體的內(nèi)能：理想氣體的內(nèi)能：00,)(UTCUUdTCUdTCdUdTdUCTUTUCVCVVVVVV是常數(shù)的函數(shù)，只是而四、理想氣體的內(nèi)能 嚴(yán)格遵從玻意耳嚴(yán)格遵從玻意耳-馬略特定律、阿伏伽德羅定律和焦馬略特定律、阿伏伽德羅定律和焦耳定律的氣體耳定律的氣體稱為理想氣體稱為理想氣體。 理想氣體的焓：理想氣體的焓：00,HTCHHdTCHdTCdHdTdHCHTUnRTUpVUHpCpppp是常數(shù)也只是溫度的函數(shù)。的函數(shù)，所以

52、只是而四、理想氣體的內(nèi)能 嚴(yán)格遵從玻意耳嚴(yán)格遵從玻意耳-馬略特定律、阿伏伽德羅定律和焦馬略特定律、阿伏伽德羅定律和焦耳定律的氣體耳定律的氣體稱為理想氣體稱為理想氣體。 理想氣體定壓熱容和定容熱容之間的關(guān)系：理想氣體定壓熱容和定容熱容之間的關(guān)系：1,1,nRCnRCCCnRCCdTdUCdTdHCnRTUpVUHpVVpVpVp定義比熱比1.8理想氣體的絕熱過程和多方過程理想氣體的絕熱過程和多方過程Adiabatic and Polytropic Processes of Ideal Gases目錄v一、理想氣體的絕熱過程一、理想氣體的絕熱過程v二、理想氣體的多方過程二、理想氣體的多方過程目錄v

53、二、理想氣體的多方過程二、理想氣體的多方過程一、理想氣體的絕熱過程 嚴(yán)格遵從玻意耳嚴(yán)格遵從玻意耳-馬略特定律、阿伏伽德羅定律和焦馬略特定律、阿伏伽德羅定律和焦耳定律的氣體耳定律的氣體稱為理想氣體稱為理想氣體。 理想氣體的絕熱過程指的是在該過程中系統(tǒng)和外界理想氣體的絕熱過程指的是在該過程中系統(tǒng)和外界沒有熱傳遞：沒有熱傳遞：)(1)(1; 0,VdppdVnRCpdVCdUVdppdVnRdTnRTpVdTCdUdQdQpdVdUVVV一、理想氣體的絕熱過程)()()()()()(1VpVpVpVVVVVVCCVdVpdpCCVdVVdpCCpdVVdpCCnRpdVVdppdVnRCpdVVdp

54、pdVnRCpdVVdppdVnRCpdVCdU一、理想氣體的絕熱過程11lnln)(CpVVCpVpVdVpdpVdVpdpCCVdVpdpVp21111111,CnRCTVnRTVCnRTVVCVCpnRTpVCpV一、理想氣體的絕熱過程1CpV21CTV31111111)()()()(;,CCnRTpTnRCpTnRpCpTnRVppCVnRTpVCpV一、理想氣體的絕熱過程1CpV21CTV31CTp 理想氣體的絕熱過程方程：理想氣體的絕熱過程方程：一、理想氣體的絕熱過程 理想氣體的絕熱曲線：理想氣體的絕熱曲線：CpV 決定了曲線的斜率。大小關(guān)系和STdVdpdVdp)()(1CpV

55、一、理想氣體的絕熱過程VpVVCVCdVdpCCCpVSVp)()()()(1;11111 理想氣體的絕熱曲線：理想氣體的絕熱曲線：VpVVCCVdVdpCpVT112)(;STdVdpdVdp)()(一、理想氣體的絕熱過程 理想氣體的絕熱曲線：理想氣體的絕熱曲線：CpV STdVdpdVdp)()(1CpV 一、理想氣體的絕熱過程 的取值如何測定呢？某一氣體的比熱比 本節(jié)附錄。該公式的導(dǎo)出過程可見導(dǎo)出?？梢杂膳ｎD聲速公式：Spa)( 聲波在空氣中傳播時(shí)，氣體以聲波頻率做周期性壓聲波在空氣中傳播時(shí)，氣體以聲波頻率做周期性壓縮和膨脹，壓強(qiáng)也相應(yīng)改變，由于壓縮與膨脹振幅很縮和膨脹，壓強(qiáng)也相應(yīng)改變，

56、由于壓縮與膨脹振幅很小，變化迅速，氣體導(dǎo)熱系數(shù)很小，熱量來不及傳遞小，變化迅速，氣體導(dǎo)熱系數(shù)很小，熱量來不及傳遞，所以可以將此過程近似看作準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程，可以，所以可以將此過程近似看作準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程，可以采用聲速的方法到處比熱比的值。采用聲速的方法到處比熱比的值。一、理想氣體的絕熱過程 的取值如何測定呢？某一氣體的比熱比 pvpvpvvpvavpvpCpvvpvvpvvppavpaSSSSSSSS)()()()()(1)()()(1;)(2221222體積）。為單位質(zhì)量的體積（比目錄v一、理想氣體的絕熱過程一、理想氣體的絕熱過程二、理想氣體的多方過程 v推廣前述理想氣體的熱力學(xué)過程，采用統(tǒng)一方

57、式推廣前述理想氣體的熱力學(xué)過程，采用統(tǒng)一方式進(jìn)行描述。進(jìn)行描述。 )(n 為常數(shù)CpVnn1n0nn絕熱過程：等溫過程：等壓過程：等容過程：二、理想氣體的多方過程 TVnTVCRCTVRTpVCpVTVpCdTdQCpdVdTCpdVdTCnnnnVnnVV11)( ; )()(dQdQdWdQdU1二、理想氣體的多方過程 11) 1(1)() 1(111)(nnCnCCnRCdTdQCCRRCnRCTVnpCdTdQCVVVVnnVVVVnn二、理想氣體的多方過程 0, 1, 01,1nnpVnVVnVnCnCnCCCnCnnCCnnnCC絕熱過程：等溫過程：等壓過程：等容過程：n1n0nn

58、絕熱過程：等溫過程：等壓過程：等容過程：例題 1.4 。，為空氣的平均摩爾質(zhì)量式中為：度的變化率。證明大氣的溫度隨高程可以認(rèn)為是絕熱過程脹和收縮過氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，膨膨脹，下降時(shí)收縮?？湛諝馍仙龝r(shí)于氣壓隨高度而降低，空氣不斷發(fā)生對流。由同高度之間主要原因是對流層中不大氣溫度隨高度降低的VpCCMRMgdzdT/1 例題 1.4 RMgvgpTdzdpdpdTdzdTTpdTdpCTpvggdzdpgAdzAdpppA111)(11.9理想氣體的卡諾循環(huán)理想氣體的卡諾循環(huán)The Carnot Cycle of Ideal Gases目錄v一、循環(huán)過程一、循環(huán)過程v二、熱機(jī)和制冷機(jī)二、熱機(jī)和制冷機(jī)

59、v三、卡諾循環(huán)及其效率三、卡諾循環(huán)及其效率目錄v一、循環(huán)過程一、循環(huán)過程v二、熱機(jī)和制冷機(jī)二、熱機(jī)和制冷機(jī)v三、卡諾循環(huán)及其效率三、卡諾循環(huán)及其效率一、循環(huán)過程v系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列變換過程后又系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列變換過程后又回到原來的狀態(tài)，這樣的過程稱為循環(huán)過程。回到原來的狀態(tài)，這樣的過程稱為循環(huán)過程。循環(huán)過程的循環(huán)過程的PV曲線為曲線為閉合曲線。閉合曲線。一、循環(huán)過程考慮順時(shí)針循環(huán)過程考慮順時(shí)針循環(huán)過程a-m-b-n-a：a-m-b：系統(tǒng)對外做功：系統(tǒng)對外做功W1，b-n-a：外界對系統(tǒng)做功：外界對系統(tǒng)做功W2。循環(huán)過程的凈功為：系統(tǒng)對外做功。循環(huán)過程的凈功為：系統(tǒng)對外

60、做功。(W1W2)因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)能不變，所以該循環(huán)因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)能不變，所以該循環(huán)過程總體上為系統(tǒng)吸熱。過程總體上為系統(tǒng)吸熱。a-m-b：系統(tǒng)吸收熱量：系統(tǒng)吸收熱量Q1；b-n-a：系統(tǒng)放出熱量：系統(tǒng)放出熱量Q2；Q2Q1；W1-W2=Q2-Q1；整個(gè)循環(huán)過程表現(xiàn)為從熱源吸收熱整個(gè)循環(huán)過程表現(xiàn)為從熱源吸收熱量對外做功，稱為熱機(jī)循環(huán)。量對外做功，稱為熱機(jī)循環(huán)。一、循環(huán)過程考慮逆時(shí)針循環(huán)過程考慮逆時(shí)針循環(huán)過程a-n-b-m-a：a-n-b：系統(tǒng)對外做功：系統(tǒng)對外做功W1，b-m-a：外界對系統(tǒng)做功：外界對系統(tǒng)做功W2。循環(huán)過程的凈功為：外界對系統(tǒng)做功。循環(huán)過程的凈功為：外界對系統(tǒng)做功。(W1W2)因?yàn)橄到y(tǒng)