1熱學(xué)-4-1(基礎(chǔ)物理課堂講稿下第九講)

第四章熱力學(xué)第一定律第九講4.1熱力學(xué)過程和準(zhǔn)靜態(tài)過程4.2熱力學(xué)第一定律4.3熱力學(xué)第一定律在關(guān)于物體性質(zhì)討論中的應(yīng)用4.4熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用4.5循環(huán)過程和卡諾循環(huán)4.1熱力學(xué)過程和準(zhǔn)靜態(tài)過程熱力學(xué)過程：熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間的變化。熱力學(xué)過程分準(zhǔn)靜態(tài)過程和非準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程:視中間狀態(tài)近似為平衡態(tài).→要求過程進展足夠緩慢

VPⅠⅡ0●熱力學(xué)過程及準(zhǔn)靜態(tài)過程的概念

在準(zhǔn)靜態(tài)過程中，P-V圖中曲線上每一點都視為平衡態(tài)。目的：建立物理模型，采用平衡態(tài)公式近似解決實際問題,并給實際研究指出方向。非準(zhǔn)靜態(tài)過程:不能視中間狀態(tài)近似為平衡態(tài).

→過程進展快●實現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)過程的可能性及條件條件：中間態(tài)時系統(tǒng)內(nèi)各部分之間以及與外界之間須滿足力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等平衡條件具體要求：系統(tǒng)的弛豫時間小于過程的特征時間參見教材P123中舉例……4.2熱力學(xué)第一定律◆能量守恒定律物質(zhì)→運動→能量運動形式多樣→機械能、熱能、電能、化學(xué)能等力學(xué)方面：惠更斯研究完全彈性碰撞→機械能守恒化學(xué)方面：1810年拉瓦錫實驗:豚鼠吃過食物后發(fā)出的動物熱與等量的食物直接化學(xué)過程燃燒所發(fā)的熱接近相等→化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)換熱學(xué)方面：1798年湯普森研究摩擦生熱→功與熱轉(zhuǎn)換電磁學(xué)方面：1845法拉第的電磁感應(yīng)→電能與磁能相互轉(zhuǎn)換1840焦耳的熱效應(yīng)IR2→電能與熱能相互轉(zhuǎn)換1950年恩格斯(英)→全面名稱→能量轉(zhuǎn)化與守恒定律19世紀(jì)的三大自然發(fā)現(xiàn)：

達爾文進化論;細(xì)胞學(xué)說;能量轉(zhuǎn)化與守恒定律1950年克勞修斯(德)→數(shù)學(xué)形式:1848年邁爾(德)1847年赫姆霍茲(德)1849年焦耳(英)對能量轉(zhuǎn)化與守恒定律作出了明確敘述能量守恒定律：自然界中一切物體都具有能量，能量有多種不同形式,它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,從一個物體傳遞給另一個物體,在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中能量的總量不變。注：dU是微分；dQ，dW是無限小量.其微分形式：◆熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律)：其中：Ui

:系統(tǒng)初內(nèi)能；Uf:系統(tǒng)末內(nèi)能.

Q

>0:系統(tǒng)從外界吸收的熱量；Q

<0:系統(tǒng)從外界吸收負(fù)熱量或系統(tǒng)向外界釋放熱量Q′=-Q>0

W>0:外界對系統(tǒng)作正功;W<0:外界對系統(tǒng)作負(fù)功或系統(tǒng)對外界正功W′=-W>0◆內(nèi)能---熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部能量U

Uk:系統(tǒng)中所有微觀粒子動能總和UP:系統(tǒng)中所有微觀粒子間相互作用勢能的總和每個分子的熱運動平動動能平均值：粒子間相互作用能Up與粒子間距有關(guān)粒子間距與粒子數(shù)密度有關(guān)粒子數(shù)密度與系統(tǒng)體積V有關(guān)態(tài)函數(shù)(∵T,V確定,U便確定)但理想氣體，不考慮粒子間相互作用結(jié)論：理想氣體內(nèi)能U只是溫度T的函數(shù),是態(tài)函數(shù),可全微分?！魺崃?--熱學(xué)作用下轉(zhuǎn)移的能量系統(tǒng)與外界存在熱學(xué)相互作用→有溫差→熱平衡被破壞其效果：能量從高溫物體傳到低溫物體，使組成低溫物體的微觀粒子運動劇烈程度提高。能量在高低溫物體之間傳遞了多少----稱為熱量顯然，熱量是過程量,與能量傳遞的過程與方式有關(guān)。因此，不能說熱量是熱力學(xué)參數(shù)T、P、V的函數(shù)即:所以，熱量Q不是態(tài)函數(shù)。dQ僅是無限小量的含義，而不是全微分。為區(qū)別起見，將無窮小量dQ寫成dQ。注意：Q與Q′的區(qū)別◆功---力學(xué)作用下轉(zhuǎn)移的能量系統(tǒng)與外界存在力學(xué)相互作用(廣義)→力學(xué)平衡條件被破壞外界對系統(tǒng)作功W：外界對系統(tǒng)作微元功△W：x顯然,W功與Q熱量一樣,是過程量，dW無窮小量。對于如圖，Vf末>Vi初∴外界對系統(tǒng)作負(fù)功W→系統(tǒng)對外正功W′ViVfVV+ΔVVp→曲線下面積→熱力學(xué)第一定律實際上就是包含熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律；說明：熱功當(dāng)量：l卡(cal)=4.1867焦?fàn)?J)“熱量”是因T不同而交換的能量的量度.此定律只要求系統(tǒng)的初、末狀態(tài)是平衡態(tài)，至于過程中經(jīng)歷的各狀態(tài)則不一定是平衡態(tài)；適用于任何系統(tǒng)（氣、液、固）。4.3熱力學(xué)第一定律在關(guān)于物體性質(zhì)討論中的應(yīng)用●物體的熱容在一定條件下，系統(tǒng)升高1K時吸收或放出的熱量。摩爾熱容→單位質(zhì)量熱容→◎定體熱容：(定體)(常用)◎定壓熱容：新定義焓為：

是態(tài)函數(shù),可全微分?！裎矬w的內(nèi)能U和焓H前面己說明：態(tài)函數(shù)全微分：注:T,p,V中只有兩個獨立積分：→求定體熱容：→求定壓熱容：對于理想氣體，因粒子間相互作用可忽略∴理想氣體內(nèi)能：定壓熱容：定體熱容：∴理想氣體焓：常用關(guān)系式：其中：(氣體泊松比)單原子氣體:剛體雙原子氣體:雙原子氣體:(低溫)(高溫)∵自由膨脹不作功，W=0說明理想氣體內(nèi)能U和焓H都只是溫度T的函數(shù)即：

結(jié)論：理論與實驗吻合。焦耳實驗裝置如圖，溫度計無變化，說明：·溫度計··········································●實際氣體的節(jié)流膨脹效應(yīng)焦耳-湯姆孫實驗(多孔塞節(jié)流膨脹實驗,1852)節(jié)流效應(yīng)(焦耳-湯姆孫效應(yīng))：

實際氣體通過多孔塞節(jié)流膨脹后溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象節(jié)流有三個特點：①它是不可逆的絕熱過程,Q=0②初態(tài)與終態(tài)是等焓的,證明如下：節(jié)流前氣體(p1,V1,U1)→外界對系統(tǒng)作正功

p1V1節(jié)流后氣體(p2,V2,U2)→外界對系統(tǒng)作負(fù)功-p2V2∴節(jié)流前后外界對系統(tǒng)作凈功W=p1V1-p2V2由熱力學(xué)第一定律∵氣體過多孔塞須克服阻力作功而變成熱(證畢)▲理想氣體在節(jié)流膨脹前后溫度不變→U=U(T)▲實際氣體在節(jié)流膨脹前后溫度變化→U=U(T,p)③實驗結(jié)果：焦耳-湯姆孫系數(shù)：節(jié)流→→節(jié)流正效應(yīng)—致冷

→節(jié)流負(fù)效應(yīng)—致熱

由在