物理熱力學基礎

物理熱力學基礎第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六熱力學系統(tǒng)：熱力學研究的對象（物體或物體組），其它均稱為外界。系統(tǒng)的分類：與外界有功，有熱交換:與外界有功，無熱交換:與外界無功，無熱交換:一般系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)封閉（孤立）系統(tǒng)一系統(tǒng)狀態(tài)和過程2第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六2.平衡態(tài)不受外界影響的系統(tǒng)，其宏觀性質(zhì)（P、V、T）不隨外界變化的狀態(tài)。3.熱力學過程狀態(tài)隨時間變化的過程，過程分類：（1）按系統(tǒng)與外界的關(guān)系分類:自發(fā)過程：無外界幫助，系統(tǒng)的狀態(tài)改變。非自發(fā)過程：有外界幫助，系統(tǒng)的狀態(tài)改變。非平衡態(tài)到平衡態(tài)平衡態(tài)到非平衡態(tài)3第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（2）按過程中經(jīng)歷的各個狀態(tài)的性質(zhì)分類:準靜態(tài)過程（平衡過程）：初態(tài)、每個中間態(tài)、終態(tài)都可近似地看成是平衡態(tài)的過程。

非靜態(tài)過程（非平衡過程）：只要有一個狀態(tài)不是平衡態(tài)，整個過程就是非靜態(tài)過程。34第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（3）按過程的特征分類:

等容過程：dV=0等壓過程：dP=0等溫過程：dT=0

絕熱過程：dQ=0，Q=0

循環(huán)過程：

dE=0E終態(tài)=E初態(tài)等值過程5第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六10

實際的熱力學過程是非平衡過程。注意：例：壓縮過程6第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六20平衡過程是無限緩慢地進行的，是理想化的抽象。7第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六30平衡過程可在PV圖上表示出來。PV圖上一個點，表示一個

狀態(tài)。PV圖上一條線，表示一個過程。非平衡態(tài)，非平衡過程不能在PV圖上表示！平衡平衡128第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六二內(nèi)能內(nèi)能:由熱運動狀態(tài)決定的一種能量。內(nèi)能是描述熱力學系統(tǒng)狀態(tài)的物理量。內(nèi)能是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)。對于理想氣體----溫度的單值函數(shù)當狀態(tài)變化時，內(nèi)能的變化為----與過程無關(guān)9第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六功的幾何意義：1V2V12PVdV功在數(shù)值上等于p~V

圖上過程曲線下的面積。一功（過程量）10第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六功的正負：系統(tǒng)體積增大，做正功；系統(tǒng)體積減小，做負功。11第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六(1)體積功只適用于準靜態(tài)過程。(3)功是過程量，功不是狀態(tài)函數(shù)。(4)作功是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的一種方式。說明(2)宏觀功，通過系統(tǒng)的宏觀位移實現(xiàn)是系統(tǒng)外物體的有規(guī)則運動與系統(tǒng)內(nèi)分子無規(guī)則運動之間的轉(zhuǎn)換。12第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六已知理想氣體在一個準靜態(tài)過程中壓強p與體積V

滿足關(guān)系式，其中γ

，C

均為常數(shù)。求：例1當理想氣體的體積從V1膨脹到V2時，系統(tǒng)對外界所做的功。根據(jù)題設解：有,13第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六二熱量（過程量）系統(tǒng)和外界之間存在溫差而發(fā)生的能量傳遞.熱量傳遞叫做微觀功.傳熱：通過分子間的相互作用來完成，是系統(tǒng)外、內(nèi)分子無規(guī)則運動之間的轉(zhuǎn)換。14第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六單位摩爾熱容:熱力學系統(tǒng)吸收熱量，使溫度升高，其摩爾熱容為:比熱：mkg熱力學系統(tǒng)吸收熱量，使溫度升高，其比熱容為:單位15第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（1）都是過程量：與過程有關(guān)；

（3）功與熱量的物理本質(zhì)不同.1cal=4.18J，1J=0.24

cal功與熱量的異同（2）等效性：改變系統(tǒng)熱運動狀態(tài)作用相同；

只有在狀態(tài)變化過程中才有意義，狀態(tài)不變，無功、熱可言。16第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六作機械功改變系統(tǒng)狀態(tài)的焦耳實驗AV作電功改變系統(tǒng)狀態(tài)的實驗17第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六三熱力學第一定律系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分使系統(tǒng)對外界做功.12**18第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六+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)做功第一定律的符號規(guī)定19第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（1）能量轉(zhuǎn)換和守恒定律.第一類永動機是不可能制成的.（2）實驗經(jīng)驗總結(jié)，適用于氣、液、固，自然界的普遍規(guī)律.注意第一類永動機：即不從外界吸收能量，而不斷對外作功的機械。20第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（3）熱—功轉(zhuǎn)換不是直接進行的，而是間接的，內(nèi)能是傳遞工具。外界對系統(tǒng)作功，使內(nèi)能增加，再通過內(nèi)能降低，系統(tǒng)放熱。系統(tǒng)吸熱后，先使內(nèi)能增加，再通過降低內(nèi)能對外作功。21第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六準靜態(tài)過程微變過程22第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六理想氣體準靜態(tài)過程過程的熱量、功和內(nèi)能的計算.（1）功的計算（理想氣體的共性）或根據(jù)23第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（2）內(nèi)能的計算或根據(jù)（3）內(nèi)能的計算或根據(jù)24第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六一等體過程摩爾定體熱容由熱力學第一定律特性常量過程方程常量25第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六單位摩爾定體熱容:

理想氣體在等體過程中吸收熱量，使溫度升高，其摩爾定體熱容為:26第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六由熱力學第一定律理想氣體

內(nèi)能通用式27第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六

等體升壓

12

等體降壓

1228第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六12二等壓過程摩爾定壓熱容過程方程常量特性常量

功A摩爾氣體常量等于1mol理想氣體在溫度升高1k時對外所做的功29第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六摩爾定壓熱容:

理想氣體在等壓過程中吸收熱量，溫度升高，其摩爾定壓熱容為：30第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六可得摩爾定壓熱容和摩爾定體熱容的關(guān)系摩爾熱容比

31第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六三個量：32第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六12W等壓膨脹

AA12W等壓壓縮33第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六三等溫過程12特征常量過程方程常量內(nèi)能QQ（等溫過程演示）34第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六作功由熱力學第一定律吸熱35第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六12等溫膨脹W12W等溫壓縮

A

A36第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六12四絕熱過程與外界無熱量交換的過程特征由熱力學第一定律（絕熱過程演示）37第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六由熱力學第一定律有12A在絕熱過程中，P、V、T三個參量同時改變。38第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六若已知及由可得39第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六絕熱過程方程的推導12分離變量得40第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六絕熱方程C1C2C3常量41第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六12W絕熱膨脹12W絕熱壓縮

A

A42第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六絕熱線和等溫線絕熱過程曲線的斜率常量A43第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六

絕熱線的斜率大于等溫線的斜率.等溫過程曲線的斜率常量ABC常量44第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六

絕熱線的斜率大于等溫線的斜率.氣體從同一狀態(tài)A分別經(jīng)絕熱和等溫過程膨脹VABC常量絕熱過程A>0所以

E<0，即T降低45第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六由相同的初態(tài)a作同樣的體積膨脹時，絕熱過程的壓強比等溫過程的壓強減少得多些。等溫：絕熱：絕熱等溫系統(tǒng)作等溫膨脹所作的功比絕熱膨脹的功要多。46第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六

例2設有5mol的氫氣，最初溫度，壓強，求下列過程中把氫氣壓縮為原體積的1/10需作的功:（1）等溫過程（2）絕熱過程（3）經(jīng)這兩過程后，氣體的壓強各為多少？12常量47第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六解（1）等溫過程（2）氫氣為雙原子氣體由表查得，有

已知：

12常量48第48頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（3）對等溫過程對絕熱過程，有12常量49第49頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六

例3一汽缸中貯有氮氣，質(zhì)量為1.25kg，在標準大氣壓下緩慢的加熱，使溫度升高1K。試求氣體膨脹時所作的功；氣體內(nèi)能的增量；氣體所吸收的熱量（活塞的質(zhì)量以及它與氣缸壁的摩擦均可略去）。已知等壓膨脹過程質(zhì)量摩爾質(zhì)量自由度50第50頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六解51第51頁，共53頁