大學(xué)物理 熱力學(xué) 教學(xué)課件

同學(xué)們好

2021/5/91第三章熱力學(xué)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框圖熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能變化的兩種量度功熱量熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律等值過(guò)程絕熱過(guò)程循環(huán)過(guò)程卡諾循環(huán)應(yīng)用（理想氣體）（對(duì)熱機(jī)效率的研究）2021/5/92第一節(jié)熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)系統(tǒng)外界大量粒子組成的宏觀、有限的體系。與熱力學(xué)系統(tǒng)比鄰的周圍環(huán)境稱為外界。與外界有m、E

交換與外界有E

交換，無(wú)m

交換與外界無(wú)E、m

交換開放系統(tǒng)孤立系統(tǒng)封閉系統(tǒng)系統(tǒng)絕熱例開放系統(tǒng)封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)熱力學(xué)：研究熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)及其變化的規(guī)律。2021/5/931.描述系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量：p、T、V、E...廣延量強(qiáng)度量無(wú)可加性，如p、T平衡態(tài)：無(wú)外界影響時(shí)，孤立系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，稱為熱力學(xué)平衡態(tài)。此時(shí)，狀態(tài)參量有確定的值。二、狀態(tài)參量平衡態(tài)（1）平衡態(tài)是一種理想模型，包括（力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)）平衡（2）平衡態(tài)和穩(wěn)衡態(tài)

平衡態(tài)：孤立系統(tǒng)，無(wú)外界影響，狀態(tài)不變

穩(wěn)衡態(tài)：非孤立系統(tǒng)，受外界影響，狀態(tài)不變，是非平衡態(tài)2021/5/94三、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程初態(tài)、末態(tài)及中間態(tài)無(wú)限接近平衡態(tài)的過(guò)程。這是一種進(jìn)行得非常緩慢的過(guò)程（判據(jù)：弛豫時(shí)間）。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間變化的過(guò)程叫做熱力學(xué)過(guò)程，簡(jiǎn)稱過(guò)程。按平衡性質(zhì)分，熱力學(xué)過(guò)程可分為：非靜態(tài)過(guò)程：至少有一個(gè)態(tài)是非平衡態(tài)的過(guò)程。1.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程2021/5/952.準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功注意：非靜態(tài)過(guò)程不適用示功圖：

p-V圖上過(guò)程曲線下的面積結(jié)論：在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)外做的功在數(shù)值上等于P-V圖上過(guò)程曲線下方的面積。2021/5/96思考：注意：功是過(guò)程量過(guò)程不同，曲線下面積不同（可正、可負(fù)、可零）2021/5/97四、熱力學(xué)第一定律如果一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程，

其狀態(tài)的變化完全由于機(jī)械的或電磁的作用，則稱此過(guò)程為絕熱過(guò)程。在絕熱過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)所做的功稱為絕熱功。

焦耳實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

用各種不同的絕熱過(guò)程使物體升高一定的溫度，

所需的功在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是相等的，

如圖所示。1.焦耳實(shí)驗(yàn)

在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)所做的功僅取決于系統(tǒng)的初、末狀態(tài)。2021/5/982、系統(tǒng)的內(nèi)能熱量（1）系統(tǒng)內(nèi)能

E廣義：系統(tǒng)內(nèi)所有粒子各種能量總和。包括平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)能量、化學(xué)能、原子能、核能...等，但不包括系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。狹義：所有分子熱運(yùn)動(dòng)能量和分子間相互作用勢(shì)能。實(shí)際氣體理想氣體2021/5/99①內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)內(nèi)能變化只與初末狀態(tài)有關(guān)，與所經(jīng)過(guò)的過(guò)程無(wú)關(guān)，可以在初、末態(tài)間任選最簡(jiǎn)便的過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。E△E②

改變內(nèi)能的方式做功熱傳遞（2）熱量的計(jì)算熱量：物體間由于溫度差別而轉(zhuǎn)移的能量熱量的傳遞稱為傳熱。傳熱有三種方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射。2021/5/910摩爾熱容：物質(zhì)的比熱容摩爾熱容：1摩爾物質(zhì)在某一過(guò)程中溫度變化1K時(shí)，吸收或放出的熱量。注意：熱量也是過(guò)程量等體摩爾熱容：1摩爾理想氣體在等容過(guò)程中溫度變化1K時(shí)，吸收或放出的熱量。（無(wú)相變和化學(xué)反應(yīng)）等壓摩爾熱容：1摩爾理想氣體在等壓過(guò)程中溫度變化1K時(shí)，吸收或放出的熱量。（無(wú)相變和化學(xué)反應(yīng)）2021/5/9113.A與Q

比較改變E的方式特點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換量度做功熱傳遞與宏觀位移相聯(lián)系通過(guò)非保守力做功實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)A與溫差相聯(lián)系通過(guò)分子碰撞實(shí)現(xiàn)熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)Q在系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程中，A、Q、△E之間滿足一定數(shù)量關(guān)系這種關(guān)系就是包含熱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律熱力學(xué)第一定律2021/5/9123熱力學(xué)第一定律準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：理想氣體：微變過(guò)程：（1）熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形式2021/5/913(2)物理意義：熱力學(xué)第一定律是涉及熱運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換和守恒定律。(3)其它表述：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的第一類永動(dòng)機(jī)：系統(tǒng)不斷經(jīng)歷狀態(tài)變化回到初態(tài)，不消耗內(nèi)能，不從外界吸熱，只對(duì)外做功。違反熱力學(xué)第一定律即：AE2021/5/914第二節(jié)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用等值過(guò)程等體過(guò)程

等壓過(guò)程等溫過(guò)程絕熱過(guò)程（1）

過(guò)程方程查理定律一、等容過(guò)程（

dV=0，V=C

)2021/5/915（2）

熱力學(xué)第一定律的具體形式（3）等體摩爾熱容吸熱全部用于增加內(nèi)能：注意：適用于一切過(guò)程2021/5/916二、等壓過(guò)程

(dp=0p=C)（1）

過(guò)程方程蓋.呂薩克定律（2）熱力學(xué)第一定律的具體形式2021/5/917（3）等壓摩爾熱容由可得2021/5/918討論：2021/5/919三、等溫過(guò)程

(dT=0T=C)（1）過(guò)程方程玻意耳—馬略特定律（2）熱力學(xué)第一定律的具體形式吸收的熱量全部用于對(duì)外做功2021/5/920四、絕熱過(guò)程特點(diǎn)：dQ=0絕熱材料快速進(jìn)行（如氣體自由膨脹）2021/5/921（1）過(guò)程方程熱力學(xué)第一定律條件準(zhǔn)靜態(tài)：理想氣體：消去dT2021/5/922消去dT令有兩邊同除以有兩邊積分，得過(guò)程方程的推導(dǎo)2021/5/923（2）熱力學(xué)第一定律的具體形式2021/5/924*五、絕熱線和等溫線的比較絕熱線：比等溫線陡等溫線：

pV=恒量雙曲線過(guò)p-V圖中某點(diǎn)（A)a.比較斜率b.比較壓強(qiáng)變化使同一理想氣體從相同初態(tài)壓縮相同體積2021/5/925pVo*5.

多方過(guò)程(一般情況)2021/5/926小結(jié)：A：準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程非靜態(tài)過(guò)程Q：等體絕熱Q=0等溫（準(zhǔn)靜態(tài)）等壓2021/5/927練習(xí)1理想氣體的下列過(guò)程，哪些是不可能發(fā)生的？(1)

等體加熱，內(nèi)能減少，壓強(qiáng)升高(2)

等溫壓縮，壓強(qiáng)升高，同時(shí)吸熱(3)

等壓壓縮，內(nèi)能增加，同時(shí)吸熱(4)

絕熱壓縮，壓強(qiáng)升高，內(nèi)能增加答案：不可能發(fā)生的有:(1),(2),(3)2021/5/928例1.討論理想氣體在如圖所示兩過(guò)程中,ΔT,ΔE,A和Q的正負(fù).判定的正負(fù)：由圖知:2021/5/9292021/5/930例：有bmol理想氣體，其定容摩爾熱容為3R/2，若按如圖所示的無(wú)摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程由C狀態(tài)變到Z狀態(tài)，求它對(duì)外所做的功和吸收的熱量。2021/5/931第三節(jié)熱力學(xué)第二定律一、循環(huán)過(guò)程1.定義：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化后又回到初始狀態(tài)的過(guò)程叫循環(huán)過(guò)程。準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程對(duì)應(yīng)于圖中的閉合曲線順時(shí)針：正循環(huán)逆時(shí)針：逆循環(huán)OpV正逆參與循環(huán)的物質(zhì)稱為工作物質(zhì)。2021/5/9322.循環(huán)過(guò)程的特征熱力學(xué)第一定律：3.正循環(huán)及其效率dOpVabcV1V2正功負(fù)功凈功AT1T2整個(gè)過(guò)程吸的凈熱整個(gè)過(guò)程對(duì)外做的凈功d和取絕對(duì)值由于所以2021/5/933熱機(jī)的能量轉(zhuǎn)換:從高溫?zé)嵩次鼰幔赡懿恢挂粋€(gè)）向低溫?zé)嵩捶艧幔赡懿恢挂粋€(gè)）對(duì)外做功效果代價(jià)熱機(jī)效率:熱機(jī)及其效率熱機(jī)：利用工作物質(zhì)的正循環(huán)不斷把熱轉(zhuǎn)化為功的裝置。2021/5/934實(shí)例：蒸汽機(jī)的循環(huán)Q1Q2A1A22021/5/9354.逆循環(huán)及致冷系數(shù)OPV逆abcV1V2凈功dT1T2Q1Q2A=Q1-Q2和取絕對(duì)值由于所以外界對(duì)系統(tǒng)做的凈功2021/5/936能量轉(zhuǎn)換：從低溫?zé)嵩次鼰幔ㄐЧ┩饨鐚?duì)系統(tǒng)做功

（代價(jià)）向高溫?zé)嵩捶艧嶙⒁猓哼@里的Q2僅是循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)從冷庫(kù)吸收的熱量——衡量致冷的效力致冷機(jī)及致冷系數(shù)致冷機(jī)：利用工作物質(zhì)的逆循環(huán)獲取低溫的裝置。致冷系數(shù)2021/5/937實(shí)例：電冰箱Q1A2021/5/938（1）高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩词窍鄬?duì)的。注意：對(duì)于熱機(jī)和致冷機(jī)：正循環(huán)中，把熱量傳遞給工作物質(zhì)的熱源叫高溫?zé)嵩?；反之就是低溫?zé)嵩础Ｄ嫜h(huán)與正循環(huán)正好相反。（2）熱量逆循環(huán)（3）功正循環(huán)逆循環(huán)正循環(huán)2021/5/939季節(jié)作用低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩葱Ч奶於炖浔茫ˋ)熱泵（A)房間大氣大氣房間室內(nèi)降溫（對(duì)房間致冷)室內(nèi)升溫(對(duì)大氣致冷)介紹：空調(diào)機(jī)的循環(huán)—

致冷機(jī)與熱泵原理的結(jié)合壓縮機(jī)作功，吸熱傳向高溫?zé)嵩碅Q2Q1夏天AQ2Q1冬天2021/5/940二、卡諾循環(huán)

18世紀(jì)末19世紀(jì)初，蒸汽機(jī)的效率很低，不能滿足資本主義大工業(yè)的需要。提高熱機(jī)效率，解決動(dòng)力問(wèn)題就成了當(dāng)時(shí)的首要任務(wù)。法國(guó)工程師卡諾認(rèn)為：“要最完整地研究由熱得到動(dòng)力的道理，必須不依賴于任何特定機(jī)構(gòu)和任何特殊的工作物質(zhì)，必須使所進(jìn)行的討論不僅適合于蒸汽機(jī)，而且可以應(yīng)用于一切可以想象的熱機(jī)，不管它們用的什么物質(zhì)，也不管它們?nèi)绾蝿?dòng)作”。在此思想的指導(dǎo)下，提出了一個(gè)十分重要的循環(huán)--卡諾循環(huán)。2021/5/9411.卡諾循環(huán)及其特點(diǎn)：卡諾正循環(huán)或卡諾逆循環(huán)與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q能量（兩個(gè)等溫過(guò)程）2）

不與其它熱源交換能量（兩個(gè)絕熱過(guò)程）如何在P-V

圖中表示？特點(diǎn):簡(jiǎn)單：只需要兩個(gè)熱源重要：可以組成任何一種循環(huán)卡諾循環(huán)：工質(zhì)只與兩個(gè)恒溫?zé)嵩唇粨Q能量的循環(huán)過(guò)程。2021/5/942高溫T1低溫T2高溫T1低溫T2Q1Q2A=Q1-Q2Q2A

Q1=A+Q2

卡諾循環(huán)過(guò)程：正循環(huán)正循環(huán)逆循環(huán)2021/5/9432.理想氣體的卡諾循環(huán)1)卡諾正循環(huán)的效率等溫過(guò)程：絕熱過(guò)程：p2021/5/944一般地，對(duì)于一個(gè)由個(gè)分過(guò)程構(gòu)成的循環(huán)有：注意：2021/5/945等溫過(guò)程：絕熱過(guò)程：2)

逆循環(huán)致冷系數(shù)p2021/5/946注意：2021/5/947注意：對(duì)一切循環(huán)適用只對(duì)卡諾循環(huán)適用2021/5/948練習(xí)1:20-16已知:求:

2021/5/949解：1-2:2-3:絕熱膨脹2021/5/950等溫壓縮3-1:2021/5/951練習(xí)2.解：進(jìn)行如圖循環(huán)過(guò)程求：2021/5/952(2)效率2021/5/953(3)

與A內(nèi)能相同的點(diǎn)必與A在同一條等溫線上，而過(guò)A的等溫線必然與CD相交。設(shè)交點(diǎn)為F，則所以，與A內(nèi)能相同F(xiàn)點(diǎn)的狀態(tài)為：2021/5/954注意是T-V

圖練習(xí)3.注意是T-V

圖2021/5/955總吸熱總放熱2021/5/956三、熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律：能量轉(zhuǎn)換和守恒定律凡違反熱力學(xué)第一定律的過(guò)程都不可能發(fā)生?！谝活愑绖?dòng)機(jī)不可能成功!是否不違反熱力學(xué)第一定律的過(guò)程就一定能發(fā)生？功熱轉(zhuǎn)換熱傳導(dǎo)擴(kuò)散…...能量轉(zhuǎn)換有一定方向和限度1.自然現(xiàn)象的不可逆性（1）可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程定義：設(shè)系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)程2021/5/957為可逆過(guò)程為不可逆過(guò)程自然界中存在大量不可逆過(guò)程：例如生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程、日月星辰的運(yùn)行過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等。大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都是不可逆的。2021/5/9582.熱力學(xué)第二定律的兩種典型表述及其等效性從熱機(jī)角度（熱功轉(zhuǎn)換角度）說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換的方向和限度。*

不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。或：*

唯一效果是熱功轉(zhuǎn)化的過(guò)程是不可能實(shí)現(xiàn)的。*

單熱源熱機(jī)是不可能制成的。TQA*1.開爾文表述(K)2021/5/959注意理解：

熱力學(xué)第一定律和第二定律是互相獨(dú)立的。比較:第一類永動(dòng)機(jī)：第二類永動(dòng)機(jī)：不耗能，只做功違反熱力學(xué)第一定律違反熱力學(xué)第二定律2021/5/960

熱力學(xué)第二定律并不意味著熱不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣﹃P(guān)鍵詞：“無(wú)其它影響”熱完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而且使系統(tǒng)和外界均復(fù)原是不可能的。例：理想氣體等溫膨脹不違反熱力學(xué)第二定律2021/5/961

熱力學(xué)第二定律指出了熱功轉(zhuǎn)換的方向性功自發(fā)熱100%

轉(zhuǎn)換熱非自發(fā)功不能100%

轉(zhuǎn)換

熱力學(xué)第二定律與能源危機(jī)能量做功的能力下降，能量品質(zhì)下降。熱力學(xué)第二定律:熱力學(xué)第一定律:能量轉(zhuǎn)換并守恒，何來(lái)能源危機(jī)？2021/5/962從致冷機(jī)角度（熱傳導(dǎo)角度）說(shuō)明能量轉(zhuǎn)換的方向和限度。*熱量不能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化?；颍?

第二類永動(dòng)機(jī)是不可能成功的。*QA=0Q2.

克勞修斯表述(C)2021/5/963注意理解:

熱力學(xué)第二定律指出了熱傳導(dǎo)方向性：高溫自動(dòng)低溫低溫非自動(dòng)高溫（外界做功）

熱力學(xué)第二定律并不意味著熱量不能從低溫物體傳到高溫物體關(guān)鍵詞：“自動(dòng)”

即熱量從低溫物體傳到高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行，不產(chǎn)生其它影響。例：電冰箱2021/5/9643.兩種表述的等效性（1）正定理：如果K成立，C一定成立逆定理：如果C成立，K一定成立（2）否定理：如果K不成立，C一定不成立逆否定理：如果C不成立，K一定不成立用反證法證明后兩項(xiàng)可以證明，熱力學(xué)第二定律的兩種表述是完全等效的。2021/5/965

假設(shè)K表述不成立。則存在單熱源熱機(jī)，可以將熱量完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它影響