大學(xué)物理熱力學(xué)基礎(chǔ)課件

1、第11章 熱力學(xué)基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電為了環(huán)境不受污染，也為解決一次性能源大量消耗終將導(dǎo)致枯竭的危險，人們在不斷的尋求新能源。目前全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已超過13932 MW 第11章 熱力學(xué)基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電教學(xué)安排（1）內(nèi)容熱學(xué)、機(jī)械振動、機(jī)械波、波動光學(xué)、量子物理基礎(chǔ)力學(xué)、狹義相對論、電磁學(xué)（2）答疑地點：中2-3218 （答疑室）時間：周一 周四 （晚上 7：300 10：00）（第二周開始）（3）作業(yè)（4）物理競賽（大約在12周進(jìn)行）教學(xué)安排（1）內(nèi)容熱學(xué)、機(jī)械振動、機(jī)械波、波動光學(xué)、量子物理一、熱學(xué)的研究對象11.1 熱力學(xué)的研究對象和研究方法熱現(xiàn)象：與溫度有關(guān)的物理現(xiàn)象.熱 學(xué)：研究熱現(xiàn)象的理論例

2、如：（與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)及狀態(tài)的變化）氣體的受熱膨脹 物質(zhì)的三態(tài)變化金屬零件的熱處理（淬火、退火） 溫 度：是熱學(xué)中所引入的物理量. 宏觀-冷熱程度 微觀-物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子熱運動的劇烈程度與物質(zhì)內(nèi)部的微觀粒子熱運動有關(guān)的物理現(xiàn)象. 半導(dǎo)體器件的散熱 一、熱學(xué)的研究對象11.1 熱力學(xué)的研究對象和研究方法熱二、熱學(xué)的研究方法熱現(xiàn)象：與溫度有關(guān)的物理現(xiàn)象（宏觀宏觀量）宏觀： P 隨溫度 T 的變化與微觀粒子的熱運動有關(guān)的物理現(xiàn)象（微觀微觀量）. 例如氣體微觀：x（實驗）熱學(xué)有兩種研究方法, 并形成了對應(yīng)的兩個理論.氣體模型 微觀粒子 力學(xué)原理 統(tǒng)計平均 宏觀方法(宏觀理論) -熱力學(xué)（通過觀察、

3、實驗總結(jié)歸納）. 微觀方法(微觀理論) -統(tǒng)計物理學(xué)或統(tǒng)計力學(xué).二、熱學(xué)的研究方法熱現(xiàn)象：與溫度有關(guān)的物理現(xiàn)象（宏觀宏觀三、氣體動理論(微觀理論) 的基本觀點1.分子的觀點 （組成） 2.熱運動的觀點（與溫度相關(guān)）3.分子力的觀點（電作用力）4.統(tǒng)計平均的觀點（統(tǒng)計規(guī)律）由大量微觀粒子所構(gòu)成的系統(tǒng)遵循統(tǒng)計規(guī)律.三、氣體動理論(微觀理論) 的基本觀點1.分子的觀點 （組11.2 平衡態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)過程 理想氣體狀態(tài)方程熱力學(xué)系統(tǒng)：熱力學(xué)所研究的具體對象，簡稱系統(tǒng). 熱力學(xué)中的常見名詞： 加熱系統(tǒng) 外界( 環(huán)境）：系統(tǒng)以外的部分。系統(tǒng)與外界有相互作用例如：熱傳遞、作功、質(zhì)量交換孤立系統(tǒng)：不受外界影響。

4、絕熱系統(tǒng)：與外界無熱量交換。熱力學(xué)系統(tǒng)都是由大量分子組成的系統(tǒng)（氣、液、固）最簡單的熱力學(xué)系統(tǒng)是作功外界氣體系統(tǒng)。11.2 平衡態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)過程熱力學(xué)系統(tǒng)：熱力學(xué)所研究的具體一、氣體的狀態(tài)參量1.狀態(tài)參量:描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量.2.氣體的狀態(tài)參量：( p,V,T )說明：幾何參量 力學(xué)參量 熱學(xué)參量( 溫度 T )熱力學(xué)第零定律熱平衡ABBTA TBTA1 = TB1ABC溫度測量TA=TC TB=TCTA=TB溫度計 測量方法Tmax=108K Tmin=2x10-8 K THEl=4K TNl=77K Tsunin=107K Tsuns=6000K接觸式測溫的依據(jù)溫度測量（接觸式）：溫度計

5、測溫物質(zhì)+溫標(biāo)溫標(biāo)：熱力學(xué)溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)（歐美）一、氣體的狀態(tài)參量1.狀態(tài)參量:描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量.2.氣溫標(biāo)：273.16K0.01-32.02F-273.15-459.67F0K(熱力學(xué)溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系) 水的三相點P =610.6 Pa相圖相變溫標(biāo)：273.16K0.01-32.02F-273.15系統(tǒng)二、平衡態(tài)1.平衡態(tài)與狀態(tài)參量2.平衡態(tài)定義：在不受外界影響的條件下 ，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)不再隨時間變化的狀態(tài)。 平衡態(tài)是一種宏觀效果， 是一種熱動平衡。說明：平衡態(tài)與外界影響的關(guān)系系統(tǒng)平衡態(tài)時系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)不一定相同外界影響孤立系統(tǒng)外界影響T2平衡態(tài)

6、時系統(tǒng)內(nèi)各不存在宏觀量的流（可作為判據(jù)）（溫度均勻）平衡態(tài)時的氣體系統(tǒng)： T1T1 T2若沒有外場影響，則系統(tǒng)各部分性質(zhì)均勻穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)二、平衡態(tài)1.平衡態(tài)與狀態(tài)參量2.平衡態(tài)定義：平衡態(tài)是三、準(zhǔn)靜態(tài)過程討論：過程與平衡態(tài)1.熱力學(xué)過程：12212.準(zhǔn)靜態(tài)過程：無限緩慢進(jìn)行的過程是準(zhǔn)靜態(tài)過程,準(zhǔn)靜態(tài)過程是理想過程.4.實際過程的處理準(zhǔn)靜態(tài)過程過程進(jìn)行時間 t 弛豫時間例如實際汽缸的壓縮過程3.準(zhǔn)靜態(tài)過程的特點：可用狀態(tài)參量的變化描述過程。中間狀體是否是平衡態(tài)？是否有可能？在過程進(jìn)行的每一時刻，系統(tǒng)都無限地接近平衡態(tài)，這樣的過程稱作準(zhǔn)靜態(tài)過程。系統(tǒng)從某狀態(tài)開始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達(dá)另一狀態(tài)的過程，

7、簡稱過程。=10 -310 -2s T ？三、準(zhǔn)靜態(tài)過程討論：過程與平衡態(tài)1.熱力學(xué)過程：12212.四、理想氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程 混合氣體的理想氣體的狀態(tài)方程說明：只適用于平衡態(tài)； 只與狀態(tài)有關(guān)，與過程無關(guān)。 系統(tǒng)的一個平衡態(tài)可在( p,V )上可用一個點表示。 （p1,V1）pV四、理想氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程 pV 過程曲線（過程方程）等壓過程方程：p = C (恒量)等容過程方程： V = C (恒量)Q 等溫過程方程： T = C (恒量) 或 pV = (恒量)T準(zhǔn)靜態(tài)過程12QmpV 過程曲線（過程方程）等壓過程方程：p = C (

8、恒量五、 實際氣體的狀態(tài)方程理想氣體適用范圍：溫度不太低、壓強(qiáng)不太大.范德瓦爾斯方程（1 mol ）：實際氣體CO2的等溫線 范德瓦耳斯等溫線 （a,b是與氣體有關(guān)的范德瓦爾斯修正量，由實驗確定）pOV4813CBAAB48.131.12113p/105Pa液液汽共存氣ACB73.246.52.17 10-3比容v/(m3/kg)汽31.05TCO2=31.05TH2O=401TN2=147.15五、 實際氣體的狀態(tài)方程理想氣體適用范圍：溫度不太低、壓強(qiáng)不11.3 功、熱量、內(nèi)能 熱力學(xué)第一定律一. 功、熱量、內(nèi)能1.功與內(nèi)能的關(guān)系F對系統(tǒng)作絕熱功：AQ結(jié)論：若初末態(tài)一定，則 絕熱功相同。光滑

9、12內(nèi)能:系統(tǒng)中存在一種與 熱運動狀態(tài)相關(guān)的 能量內(nèi)能。內(nèi)能是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)即E(狀態(tài))121211.3 功、熱量、內(nèi)能 一. 功、熱量、內(nèi)能1.功與內(nèi)能2.熱量與內(nèi)能的關(guān)系T傳遞熱量亦可以改變熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)熱量是物體之間存在溫差時傳遞的內(nèi)能說明： 內(nèi)能是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，E=E（狀態(tài)），是狀態(tài)量。 功和熱量是過程量，不屬于任何系統(tǒng)。 功和熱量的比較。二、熱力學(xué)第一定律對于無限小過程： （注意符號規(guī)定） 本質(zhì)：能量守恒作功傳熱121212相同, 不同 2.熱量與內(nèi)能的關(guān)系T傳遞熱量亦可以改變熱量是物體之間存在溫11.4 準(zhǔn)靜態(tài)過程中功和熱量的計算一、準(zhǔn)靜態(tài)過程中功的計算SpV適合于任何的準(zhǔn)

10、靜態(tài)過程12功是過程量，見圖。V1V2幾何意義：11.4 準(zhǔn)靜態(tài)過程中功和熱量的計算一、準(zhǔn)靜態(tài)過程中功的計二、準(zhǔn)靜態(tài)過程中熱量的計算Q = E2 E1 + A1. 摩爾熱容：比熱(c):摩爾熱容( C ):摩爾熱容是過程量與具 體過程有關(guān)。例 ：絕熱過程、等溫過程2. 定體和定壓摩爾熱容(CV、 Cp )二、準(zhǔn)靜態(tài)過程中熱量的計算Q = E2 E1 + A1.3. 熱量計算（一般情況下Cx，是溫度的函數(shù). ）若Cx與溫度無關(guān)，則3. 熱量計算（一般情況下Cx，是溫度的函數(shù). ）若Cx與溫11.5 理想氣體的內(nèi)能和CV，CP一、理想氣體的內(nèi)能 內(nèi)能是狀態(tài)的函數(shù)，函數(shù)的具體形式怎樣？E(氣體狀態(tài)參

11、量)焦耳實驗（英國物理學(xué)家焦耳在1845年通過試驗研究了這個問題） 1. 實驗裝置溫度一樣 實驗結(jié)果：膨脹前后溫度計的讀數(shù)未變氣體自由膨脹過程中Q = E2 E1 + A焦耳定律理想氣體分析：水量熱器11.5 理想氣體的內(nèi)能和CV，CP一、理想氣體的內(nèi)能 說明： 焦耳實驗室是在1845完成的。溫度計的精度為：0.01 C水的熱容比氣體熱容大的多，因而水的溫度可能有變化，由于溫度計精度不夠而未能測出。目前溫度計（鉑電阻）的精度可達(dá)到：萬分之一C的變化。通過改進(jìn)實驗或其它實驗方法（焦耳湯姆孫實驗） 證實僅理想氣體有上述結(jié)論。真實氣體的內(nèi)能與體積有關(guān)的微觀解釋：Epr0由于分子間存在相互作用力，存在

12、有相互作用勢能。絕熱系統(tǒng)，氣體自由膨脹氣體溫度升高？下降？焦耳自由膨脹實驗是非準(zhǔn)靜態(tài)過程。說明： 焦耳實驗室是在1845完成的。溫度計的精度為：0根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有解因為初、末兩態(tài)是平衡態(tài)，所以有如圖，一絕熱密封容器，體積為V0，中間用隔板分成相等的兩部分。左邊盛有一定量的氧氣，壓強(qiáng)為 p0，右邊一半為真空。 例求把中間隔板抽去后，達(dá)到新平衡時氣體的壓強(qiáng)絕熱過程自由膨脹過程討論:真實氣體.根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有解因為初、末兩態(tài)是平衡態(tài)，所以有如圖，二、理想氣體的摩爾熱容和內(nèi)能的計算E = E(氣體狀態(tài)參量) = E ( T )1. 理想氣體定體和定壓摩爾熱容(CV、 Cp )（邁耶公式 ）

13、為什么？CpCV（比熱容比 ）單原子分子：雙原子剛性分子：2. 理想氣體內(nèi)能的計算二、理想氣體的摩爾熱容和內(nèi)能的計算E = E(氣體狀態(tài)參量) 11.6 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（） （理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過程）回顧：一、 等體過程（ V = C , ） 1.功：A = 0pVab2.吸收的熱量：3.內(nèi)能的增量：吸收的熱量，全部用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能，使的溫度上升。 11.6 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（） （理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過二、等壓過程（p = C , ）SpVab1.功：2.吸收的熱量：3.內(nèi)能的增量：等壓過程 吸收的熱量，一部分用來對外作功，其余部分則用來增加其內(nèi)能。 結(jié)論驗證：？Q二、等壓過程（p = C

14、 , ）Sp雙曲線 S恒溫?zé)嵩?三、等溫過程( T = C , )pVab1.內(nèi)能的增量：2.功：3.吸收的熱量：等溫膨脹過程中 ，理想氣體吸收的熱量全部用來對外作功 ；在等溫壓縮中，外界對氣體所的功，都轉(zhuǎn)化為氣體向外界放出的熱量 雙曲線 S恒溫?zé)嵩?三、等溫過程( T = C , 總結(jié)：一、 等體過程（ V = C , ） A = 0二、等壓過程（p = C , ） 三、等溫過程( T = C , )總結(jié)：一、 等體過程（ V = C , 例1. 1 mol 氦氣由狀態(tài) M(p1,V1) 沿圖中的直線到 N(p2V2)。 M(p1,V1)N(p2V2)p 求：（1）過程方程；（2）E=?,

15、A=?,Q=? （3）求此過程的摩爾熱容。V 解（1）（2）（3）求此過程的摩爾熱容：例1. 1 mol 氦氣由狀態(tài) M(p1,V1) 沿圖中的理想氣體內(nèi)能的計算PVT1T212理想氣體內(nèi)能的計算PVT1T21211.7熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（）(絕熱過程)一、絕熱過程( Q = 0 , dQ = 0 )系統(tǒng)在絕熱過程中始終 不與外界交換熱量. 良好絕熱材料包圍的系統(tǒng)發(fā)生的過程進(jìn)行得較快(仍是準(zhǔn)靜態(tài))而來不及和外界交換熱量的過程1. 過程方程 無限小的準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程 微分泊松方程 RCV11.7熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用（）(絕熱過程)一、絕熱過程2. 過程曲線pVA微分絕熱線等溫線3. 絕熱過程中功

16、和熱量的計算絕熱過程中 ，理想氣體不吸收的熱量，系統(tǒng)減少內(nèi)能，對外作功 。 2. 過程曲線pVA微分絕熱線等溫線3. 絕熱過程中功和熱量一定量氮氣，其初始溫度為300K，壓強(qiáng)為1atm。將其絕熱壓縮，使其體積變?yōu)槌跏俭w積的 。試求壓縮后的壓強(qiáng)和溫度。解：分析：p、V 的關(guān)系 T、V 的關(guān)系 例：一定量氮氣，其初始溫度為300K，壓強(qiáng)為1atm。將其絕熱壓測定空氣比熱容比 = Cp / CV 的實驗裝置如圖所示。先關(guān)閉活塞B，將空氣由活塞 A 壓入大瓶 C 中，并使瓶中氣體的初溫與室溫T0相同，初壓 p1略高于大氣壓 p0；關(guān)閉活塞 A，然后打開活塞 B，待氣體膨脹到壓強(qiáng)與大氣壓平衡后，迅速關(guān)閉 B，此時瓶內(nèi)氣體溫度已略有降低。待瓶內(nèi)氣體溫度重新與室溫平衡時，壓強(qiáng)變?yōu)閜2。把空氣視為理想氣體，試證明空氣的 可以從下式算出例AB分 析： C(p2,V,T0) (p1,V1,T0) (p0,V,T) 絕 熱 等 體測定空氣比熱容比 = Cp / CV 的實驗裝置如解 ABC(p2,V,T0) (p1,V1,T0) (p0,V,T) 絕熱等體解 ABC(p2,V,T0) (p1,V1,T0) (二、多方過程1. 多方過程功的計算(n 多方指數(shù))n = 1等溫過程n =