物理-課件第三章熱力學(xué)

Chapter3熱力學(xué)熱力學(xué)是以能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)研究物質(zhì)系統(tǒng)在狀態(tài)變化過程中內(nèi)能、功和熱量等熱學(xué)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)。引言熱力學(xué)與氣體動理論是一對姊妹學(xué)科熱力學(xué)的核心是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律及在等值過程的應(yīng)用

本章的重點(diǎn)熱力學(xué)第二定律及其微觀本質(zhì)

§1熱力學(xué)的基本概念1、熱力學(xué)系統(tǒng)(系統(tǒng))指熱力學(xué)的研究對象，分為三類：（1）開放系統(tǒng)（opensystem）系統(tǒng)與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。開放系統(tǒng)（2）封閉系統(tǒng)（closedsystem）體系與環(huán)境之間無物質(zhì)交換，但有能量交換（3）孤立系統(tǒng)（isolatedsystem）體系與環(huán)境之間既無物質(zhì)交換，又無能量交換封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)3、熱力學(xué)過程：21122、平衡狀態(tài)：在沒有外界影響的情況下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)在長時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化的狀態(tài)。系統(tǒng)從某平衡態(tài)開始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達(dá)另一平衡態(tài)的過程。2)非準(zhǔn)靜態(tài)過程：說明：實(shí)際過程是非準(zhǔn)靜態(tài)過程，但只要過程進(jìn)行的時(shí)間遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的馳豫時(shí)間，均可看作準(zhǔn)靜態(tài)過程。如實(shí)際汽缸的壓縮過程可看作準(zhǔn)靜態(tài)過程。S1)準(zhǔn)靜態(tài)過程：在過程進(jìn)行的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都無限地接近平衡態(tài)。從一個(gè)熱力學(xué)平衡態(tài)轉(zhuǎn)化到另一個(gè)熱力學(xué)平衡態(tài)所經(jīng)歷的中間狀態(tài)是非平衡態(tài)過程。p－V圖P1V1P2V2P1V1P2V2P1V1P2V2OVp12OVp12VOp123）可逆過程：若系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)過程，而過程的每一步都可沿相反的方向進(jìn)行，同時(shí)不引起外界的任何變化，那么這個(gè)過程就稱為可逆過程。例：無能量耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程（理想過程）。熱傳導(dǎo)不可逆;自由膨脹過程不可逆;擴(kuò)散不可逆;熱功轉(zhuǎn)換不可逆;如對于某一過程，用任何方法都不能使系統(tǒng)和外界恢復(fù)到原來狀態(tài)，該過程就是不可逆過程。4）不可逆過程：例如：4、內(nèi)能(E)（Internalenergy）

：理想氣體:是系統(tǒng)中分子無規(guī)則熱運(yùn)動能量和分子間相互作用勢能的總和，是狀態(tài)量（態(tài)函數(shù)）。內(nèi)能是狀態(tài)的單值函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)內(nèi)能的變化只由初、末狀態(tài)所決定，與過程無關(guān)。系統(tǒng)從某一狀態(tài)經(jīng)歷一系列變化回到原來的狀態(tài)，則說明:改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種不同方法：鉆木取火

——通過做功的方式將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為物體的內(nèi)能?？净?/p>

——通過熱量傳遞提高物體內(nèi)能。5、功(W）（Work）：是能量轉(zhuǎn)化的量度，是過程量系統(tǒng)對外界作功：外界對系統(tǒng)作功：OVp12SV1V2氣體由狀態(tài)1變化至狀態(tài)2所做的功的大小等于P-V圖上過程曲線下的面積（幾何意義）；功是一個(gè)過程量，不僅取決于系統(tǒng)的始末狀態(tài)，而且與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程有關(guān)。說明:OVp121OVp21OVp2系統(tǒng)吸熱：系統(tǒng)放熱：傳熱的微觀本質(zhì)是：分子熱運(yùn)動的能量通過分子間的碰撞發(fā)生傳遞，從而改變了系統(tǒng)的內(nèi)能。6、熱量(Q)（Heatquantity）

：是傳熱過程中所傳遞能量的量度，是過程量。+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功7、熱容(C)（Heatcapacity）：

某一物質(zhì)或系統(tǒng)溫度升高（降低）1K所吸收（釋放）的熱量。摩爾熱容：比熱容：單位：單位：

等體摩爾熱容:等壓摩爾熱容:§2熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律

由熱力學(xué)第一定律可知，第一類永動機(jī)是無法制成的。理想氣體等值過程1.等體過程(1)特征:

(2)能量轉(zhuǎn)化:OVpⅠⅡV1物理意義：等體過程中系統(tǒng)吸收的熱量，全部用來增加其內(nèi)能，使其溫度上升。

1、等體摩爾熱容:對于理想氣體:2、理想氣體能量轉(zhuǎn)化:

討論:2.等壓過程(1)特征:(2)能量轉(zhuǎn)化:OVⅠⅡp物理意義：在等壓過程中系統(tǒng)吸收的熱量，一部分用來對外做功，其余部分則用來增加其內(nèi)能。p

1、等壓摩爾熱容：比熱容比:(J.Mayer)邁耶公式討論:2、理想氣體能量轉(zhuǎn)化:3.等溫過程(1)特征:(2)能量轉(zhuǎn)化:OVⅡⅠ物理意義：在等溫過程中，系統(tǒng)所吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外所做的功。p4.絕熱過程(1)特征:(2)能量轉(zhuǎn)化:OVⅡⅠ物理意義：在絕熱過程中系統(tǒng)對外做功完全是通過內(nèi)能的減少完成的。（1）理想氣體絕熱方程（泊松方程）：（2）在P—V圖中絕熱線比等溫線陡峭。討論:A特征等體過程等壓過程等溫過程絕熱過程例:分別通過下列準(zhǔn)靜態(tài)過程把標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0.014kg氮?dú)鈮嚎s到原體積的一半。1)等溫過程；2)等壓過程；3)絕熱過程。求：在這些過程中，氣體內(nèi)能的改變，傳遞的熱量和外界對氣體所做的功。(設(shè)氮?dú)鉃槔硐霘怏w)1)等溫過程解：氮?dú)鉃殡p原子剛性分子理想氣體，其2)等壓過程3）絕熱過程:§3熱力學(xué)第二定律如果循環(huán)是準(zhǔn)靜態(tài)過程，在P–V圖上就構(gòu)成一閉合曲線(系統(tǒng)對外所作的凈功)VpOca特征:bd循環(huán)過程

1、正循環(huán)過程

(順時(shí)針)ⅠⅡQ1Q2abVpO（系統(tǒng)對外凈做正功）高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞C(jī)熱機(jī)效率：根據(jù)熱力學(xué)第一定律：2、逆循環(huán)過程（逆時(shí)針）

（系統(tǒng)對外凈做負(fù)功）ⅠⅡQ1Q2abVpO高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩粗评錂C(jī)根據(jù)熱力學(xué)第一定律：制冷系數(shù):如何提高熱機(jī)的效率？問題:熱機(jī)效率低的原因：(1)散熱、漏氣、摩擦等損耗;(2)一部分熱量在低溫?zé)嵩捶懦?。Carnot(法國）熱機(jī)的效率應(yīng)取決于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g?？ㄖZ提出：卡諾循環(huán)

1-2等溫膨脹(吸熱):3-4等溫壓縮(放熱):2-3絕熱膨脹:4-1絕熱壓縮:T1T22.實(shí)際循環(huán)的效率比卡諾循環(huán)低。3.卡諾循環(huán)的逆循環(huán)可以制造制冷機(jī)。

討論:增大兩熱源的溫度差是提高熱機(jī)效率的有效途徑。(卡諾定理)圖中兩卡諾循環(huán)嗎？例：理想氣體作準(zhǔn)靜態(tài)卡諾循環(huán)，當(dāng)熱源溫度為100℃，冷卻器的溫度是0℃時(shí)，作凈功為800J，如果維持冷卻器溫度不變，提高熱源的溫度，使凈功增加到1600J，設(shè)該兩個(gè)循環(huán)都在相同的兩條絕熱線之間工作。求（1）熱源的溫度是多少？（2）效率增加到多少？分析：因?yàn)樵搩蓚€(gè)循環(huán)都在相同的兩條絕熱線之間工作，且冷卻器溫度不變，因此在“3-4”等溫壓縮的過程中所釋放的熱量是沒有改變的。解：(1)(2)遵守?zé)崃W(xué)第一定律的熱力學(xué)過程一定能夠發(fā)生嗎？問題:高溫物體低溫物體Q高溫物體低溫物體Q會自動發(fā)生不會自動發(fā)生會自動發(fā)生不會自動發(fā)生自發(fā)過程的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都具有方向性，其相反過程不可能自然發(fā)生。（1）熱傳導(dǎo)過程具有方向性。（2）氣體絕熱自由膨脹的過程具有方向性。（3）功熱轉(zhuǎn)換的方向性。舉例：

1.克勞修斯表述(1850)

熱量不可能自動地從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他的變化。非自發(fā)傳熱自發(fā)傳熱高溫物體低溫物體熱傳導(dǎo)熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)：揭示了自然界的一切自發(fā)過程都是單方向進(jìn)行的不可逆過程。熱力學(xué)第二定律2.開爾文表述（1851）不可能制成一種循環(huán)動作的熱機(jī)，只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉?，而不引起其他影響。開爾文表述說明第二類永動機(jī)不可能制成。

Kelvin英國(1824~1907)熱功轉(zhuǎn)換完全功不完全熱熱力學(xué)第二定律的兩種表述是等價(jià)的:卡諾熱機(jī)W1T高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?T假想的自動傳熱裝置Q2QQ等價(jià)于等價(jià)于1T高溫?zé)嵩碤2QQ2WQ2低溫?zé)嵩?T1T高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?TQ2Q2熱機(jī)3W1T高溫?zé)嵩?TQQ熱機(jī)12Q1QW2低溫?zé)嵩粗评錂C(jī)23.統(tǒng)計(jì)意義(1)自發(fā)的擴(kuò)散（以四個(gè)分子的分布為例）AB宏觀態(tài)：A、B

容器中各有多少分子的狀態(tài)。微觀態(tài)：A、B

容器中各有哪些分子的狀態(tài)。

(2)熱力學(xué)概率：系統(tǒng)在某一宏觀態(tài)包含的微觀態(tài)數(shù)目。01234564個(gè)粒子分布左4右0左3右1左2右2左1右3左0右4總狀態(tài)數(shù)161/164/166/164/161/16幾率熱力學(xué)概率的本質(zhì)：代表了系統(tǒng)的豐富程度或無序程度。一個(gè)不受外界影響孤立系統(tǒng)，內(nèi)部所發(fā)生的過程總是從熱力學(xué)概率小的宏觀態(tài)向熱力學(xué)概率大的宏觀態(tài)進(jìn)行，即從有序向無序狀態(tài)發(fā)展。(3)熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義:平衡態(tài)相應(yīng)于一定宏觀條件下熱力學(xué)概率最大的狀態(tài)4.熵與墑增加原理熱溫比:

等溫過程中吸收或放出的熱量與熱源溫度之比.可逆卡諾機(jī):如何判斷孤立系統(tǒng)中過程進(jìn)行的方向？結(jié)論：可逆卡諾循環(huán)中,熱溫比總和為零.任一微小可逆卡諾循環(huán)對所有微小循環(huán)求和當(dāng)，則結(jié)論:對任一可逆循環(huán)過程,熱溫比之和為零.任意的可逆循環(huán)可視為由許多可逆卡諾循