熱學(xué)3 實(shí)驗(yàn)班.ppt

1、1 .第三，熱機(jī)的熱能(動(dòng)能)可轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(功)的機(jī)械能無序運(yùn)動(dòng)的能量機(jī)械能有序運(yùn)動(dòng)的能量熱機(jī)將無序運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為有序動(dòng)能的機(jī)械目的是， 將無序動(dòng)能轉(zhuǎn)化為有序動(dòng)能的規(guī)則1 .準(zhǔn)靜態(tài)過程的工作準(zhǔn)靜態(tài)過程研究準(zhǔn)靜態(tài)過程概念即非靜態(tài)過程：擴(kuò)散、不等溫傳熱、氣體自由膨脹。 2、準(zhǔn)靜態(tài)過程：等溫傳熱，3、注意(1)準(zhǔn)靜態(tài)過程在理想過程的現(xiàn)實(shí)生活中沒有嚴(yán)格的準(zhǔn)靜態(tài)過程，但是有很多近似的準(zhǔn)靜態(tài)過程。 (2)過程產(chǎn)生的原因：各處的t、p、組成()有差異。 a各處的差異小的準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)程，如果b各處的差異有限，則會(huì)有非靜態(tài)進(jìn)程。 (3)有關(guān)緩慢感性的例子：汽車內(nèi)燃機(jī)中氣體的周期運(yùn)動(dòng)可以視為緩慢。 煤氣經(jīng)驗(yàn)的過程

2、可以看作是準(zhǔn)靜態(tài)的過程。 非靜態(tài)進(jìn)程：當(dāng)然。 準(zhǔn)靜態(tài)過程的體積變化功的定義：在力學(xué)相互作用過程中，由于廣義位移的存在，系統(tǒng)和外部交換的能量。 (4)要點(diǎn)： (1)力學(xué)相互作用是指系統(tǒng)與外界的相互作用或電磁的或機(jī)械的。 (2)系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)一般會(huì)發(fā)生宏觀位移或失真，系統(tǒng)一般會(huì)有廣義位移)例：壓縮氣體系統(tǒng)。 加熱氣體系統(tǒng)(體積不變)。 5、體積變化功：系統(tǒng)體積變化產(chǎn)生的功。 (3)工作是過程量。 不能說系統(tǒng)的一個(gè)平衡狀態(tài)有多少工作。 過程量，狀態(tài)量： p，t，U (4)功的符號(hào)定義：外界對(duì)系統(tǒng)成功的系統(tǒng)對(duì)外界成功。 準(zhǔn)靜態(tài)過程體積變化功的修正計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)過程條件：外部給予系統(tǒng)的原功：注釋： (1)

3、中的量都是系統(tǒng)的狀態(tài)量。 很方便。 (2)任意形狀系統(tǒng)的元功也可以用這樣的形式表示。 (3)有限過程的體積變化功，帶橫線表示沿某一路徑的無限小變化。 啊(工作與變化無關(guān)的非狀態(tài)函數(shù))，6，(4)工作在PV圖中的意義。 PV圖上的一點(diǎn)表示PV圖上的任何曲線表示非靜態(tài)進(jìn)程是否顯示在PV圖上。 循環(huán)過程的工作在PV圖中有意義嗎？ 理想氣體等溫過程中工作的修正。 抑制(準(zhǔn)靜態(tài)過程)溫度t的摩爾理想氣體，經(jīng)由體積的等溫過程。 修改外部給予系統(tǒng)的工作。 7、修正計(jì)算：2.過程熱的定義：系統(tǒng)與外界通過溫差交換的能量，稱為外界向系統(tǒng)傳遞的熱量。 注意：1)熱量是過程量。 2 )系統(tǒng)和外界需要溫差。 3 )系統(tǒng)

4、從外界吸熱是正的，系統(tǒng)向外界散熱是負(fù)的。 4 )系統(tǒng)和外部交換能量的方式只有工作w、熱傳遞q 2種。 8、能量守恒定律(熱力學(xué)第一定律)永遠(yuǎn)成立的3個(gè)守恒定律：能量守恒、動(dòng)量守恒、電荷守恒。 系統(tǒng)從初始平衡狀態(tài)1變?yōu)樽罱K平衡狀態(tài)2，在此過程中從外部向系統(tǒng)傳輸q，使系統(tǒng)工作。 系統(tǒng)初始狀態(tài)的內(nèi)能，系統(tǒng)最終狀態(tài)的內(nèi)能，如果是9，在這個(gè)過程中必須滿足能量守恒定律：對(duì)于一個(gè)原始過程，第一類永久動(dòng)機(jī)是不能實(shí)現(xiàn)的。 不從外部獲得能量，總是向外部輸出功能的機(jī)器。 3 .理想氣體絕熱準(zhǔn)靜態(tài)過程的特征是怎樣研究的？ 大家已經(jīng)有足夠的知識(shí)研究這個(gè)問題。 研究方法：微細(xì)胞法。 該過程的特征：1)理想氣體： 3 PV

5、=NkT，U(1/2)kTaN 2)能量轉(zhuǎn)換和保存： )絕熱過程：4)準(zhǔn)靜態(tài)過程：解：10，整理得到。 物體對(duì)熱的容納能力。 物體上升的每單位溫度吸收的熱量越多，對(duì)該熱量的收容能力越大。定義：系統(tǒng)在特定過程中吸收的熱量除以系統(tǒng)上升的溫度。 注意： (1)熱容量為過程量。 (2)摩爾熱容量。 物質(zhì)系統(tǒng)1摩爾的若干容量(3)比熱。 單位質(zhì)量體系熱容量的例子：沿海地區(qū)的氣候和沙漠地區(qū)的氣候不同。 例：理想氣體在等容過程中的熱容量是多少？ 例如：理想氣體在等壓過程中的熱容量有多少，12、物質(zhì)的等容熱容量理想氣體的等容熱容量U(1/2)kTaN，13、物質(zhì)的等壓熱容量理想氣體的等壓熱容量PV=NkT，U

6、=(1/2)kTaN 2)絕熱過程特征的其他表現(xiàn)形式：4.熱機(jī)為熱能(內(nèi)能) 可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械1 )構(gòu)成熱機(jī)的要素和熱機(jī)熱學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)a工作裝置b工作物質(zhì)c熱源(2個(gè)以上的熱源)機(jī)械工作的特征：循環(huán)過程。 研究方法1 :機(jī)器如何(工程師的工作)研究方法2 :機(jī)器的熱學(xué)性質(zhì)(我們關(guān)心的)問題：如何對(duì)熱機(jī)的熱學(xué)性質(zhì)做出反應(yīng)回答：工作物質(zhì)的循環(huán)過程對(duì)熱機(jī)的熱學(xué)性質(zhì)做出反應(yīng)。 工作物質(zhì)的循環(huán)過程代表整個(gè)熱機(jī)。15、蒸汽機(jī)、16、內(nèi)燃機(jī)循環(huán)過程視頻、17、1、18、2 )觀察熱機(jī)工作原理(卡諾循環(huán)、卡諾熱機(jī))的工作物質(zhì)：理想氣體。 卡諾循環(huán)：是由兩個(gè)絕熱過程和兩個(gè)等溫過程組成的可逆循環(huán)過程。 圖： A B

7、 C D A認(rèn)識(shí)到熱源：的等溫過程一定是熱源的溫度為等溫過程的溫度。 熱機(jī)的工作原理AB過程：結(jié)論：該過程系統(tǒng)必須從外部熱源() 吸收熱CD過程19，結(jié)論：該過程系統(tǒng)為外部熱源()熱ABCDA循環(huán)過程為ABCDA循環(huán)曲線包圍的面積結(jié)論：該循環(huán)過程可從高溫?zé)嵩次諢?，可將該熱的一部分轉(zhuǎn)換為工作的ABCDA 結(jié)論在PV圖中，每個(gè)時(shí)變循環(huán)過程都表現(xiàn)為熱機(jī)。 注意：該循環(huán)具有無限熱源3 )熱機(jī)的效率熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為功的能力。 對(duì)于只有兩個(gè)熱源的熱機(jī)，20，效率定義： (關(guān)于一個(gè)循環(huán))討論： a效率的另一種表現(xiàn)形式：?jiǎn)栴}：熱機(jī)效率等于或解析：效率為1時(shí)。 即，等價(jià)于沒有熱源T2。 這個(gè)循環(huán)只有一個(gè)熱源T

8、1。 這永遠(yuǎn)不可能。 b多熱源循環(huán)過程的效率的定義： (1個(gè)循環(huán))從所有高溫?zé)嵩次盏臒崃恐汀?所有低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃恐汀?4 )卡諾熱機(jī)效率的具體校正計(jì)算。 21、修訂如下： 12個(gè)過程： 34個(gè)過程：效率：22個(gè)，(4)絕熱過程： 41個(gè)絕熱過程： 23個(gè)絕熱過程：討論：提高熱機(jī)效率的手段： a提高高溫?zé)嵩礈囟取?b降低低溫?zé)嵩吹臏囟葴p少c摩擦減少d泄漏熱。 5 )修正汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，23，1，24，效率(1) 23過程，修正方法1 :熱容量的定義，方法2 :熱力學(xué)第一定律，(2)41過程，(3)修正汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率：() (輸送過程)輸送的物理量：熱傳導(dǎo)能量擴(kuò)散粒子； 粘性宏觀動(dòng)量

9、。 1 .只討論近平衡非平衡過程的運(yùn)輸現(xiàn)象。 例如：在與熱傳導(dǎo)說明：的差較小的情況下，宏觀小微觀大的任何小區(qū)域都可以近似地看作平衡狀態(tài)(局部平衡狀態(tài))。 是整個(gè)系統(tǒng)還是非平衡狀態(tài)。 整個(gè)系統(tǒng)幾乎是平衡的非平衡狀態(tài)。 27、微觀大?。哼@個(gè)小區(qū)域仍然含有很多分子，可以構(gòu)成熱學(xué)系統(tǒng)的宏觀?。哼@個(gè)小區(qū)域幾乎可以視為平衡狀態(tài)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的空間不均勻性作出反應(yīng)。2三個(gè)運(yùn)輸現(xiàn)象的宏觀規(guī)律1 )粘性現(xiàn)象的宏觀規(guī)律(牛頓粘性規(guī)律)的例子：雨從上空落到地面的過程受到粘性力。 雨從幾萬米的上空下來，到達(dá)地面的速度如何：水中運(yùn)動(dòng)的物體受到粘性力。 粘性力是物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力固體在固體表面運(yùn)動(dòng)的摩擦力，固體

10、(流體)在流體中運(yùn)動(dòng)的摩擦力(1)是最簡(jiǎn)單情況下的粘性規(guī)律(穩(wěn)態(tài)層流)層流：只研究流體的層流流動(dòng)。 相鄰質(zhì)點(diǎn)的軌跡線相互稍有差異，不同流體的軌跡線相互不混合。 /水管中的水流、層流。 反例：湍流、28、雨粒落下問題的研究假設(shè)雨粒從h高處落到地面，求出雨粒落到地面時(shí)的速度結(jié)論：雨粒在落下過程中，受到與落下方向相反的粘性力。29、圖穩(wěn)定層流：各層流速不變的層流。 例如圖，30，接近平衡的非平衡狀態(tài)(2)牛頓粘性規(guī)律力的方向，力的正方向和宏觀速度方向一致，研究了流速快的層受力。 31、牛頓粘性規(guī)律的另一種表現(xiàn)形式：綜合觀察上層增加的(負(fù)的)定向動(dòng)量上層增加的(正的)定向動(dòng)量下層增加的(正的)定向動(dòng)量

11、，定向動(dòng)量從上層流向下層。 動(dòng)量的輸送。 動(dòng)量流密度：將每單位時(shí)間通過每單位面積的橫截面輸送的動(dòng)量滿足牛頓粘性規(guī)則的流體稱為牛頓流體(水)。 不滿意的非牛頓流體(血漿)。 (3)氣體粘性的微觀機(jī)制(常壓下的氣體)結(jié)論： a宏觀動(dòng)量在各局部平衡狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)宏觀動(dòng)量的傳輸. b相鄰局部平衡狀態(tài)之間宏觀動(dòng)量的輸送機(jī)制。 熱運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，32，33，運(yùn)動(dòng)量輸送機(jī)制：熱運(yùn)動(dòng)-交通工具宏觀運(yùn)動(dòng)量-貨物，34，(4)泊肅葉定理方法1 :維分析，35，方法2 :牛頓粘性定理推導(dǎo)(1)力學(xué)平衡條件： (2) rr dr薄圓柱層，dt時(shí)間流出的流體體積(dt時(shí)間內(nèi)從管整體流出的液體的體積為36、1、37、(3)斯托克斯

12、定律的目的：固體小球在液體或氣體中受到的粘合力，或者液體小球是氣體的研究法則內(nèi)容例1 :將雨的半徑設(shè)為r，將空氣的粘性設(shè)為。 求雨滴落到地面的速度的水的密度=1000kg/立方米水滴半徑空氣粘度，38，例2 :測(cè)量液體粘度的方法，39，2 )擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀規(guī)則定義：由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，粒子從數(shù)密度高的地方向數(shù)密度低的地方移動(dòng)的現(xiàn)象。 /氣體向真空的膨脹過程。 是擴(kuò)散嗎？ 例：相互擴(kuò)散，例：自擴(kuò)散的特征：無分子集團(tuán)的宏觀遷移，至少需要兩種物質(zhì)。 菲克定律分子流密度：每單位時(shí)間的單位面積分子數(shù)，40，氣體擴(kuò)散的微觀機(jī)制接近平衡的非平衡狀態(tài)3 )熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的宏觀定律熱傳導(dǎo)與其他熱傳導(dǎo)方式的區(qū)別熱傳導(dǎo)方

13、式：對(duì)流、輻射、熱傳導(dǎo)a對(duì)流的特征：需要介質(zhì)，介質(zhì)有宏觀運(yùn)動(dòng)。 暖氣為什么放在房間下面？/空調(diào)為什么放在房間上面？b輻射的特征：不需要介質(zhì)(為什么)。 原因：放射(光子系統(tǒng))本身就是物質(zhì)。 /太陽光，用火爐烤火。 c熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)：需要介質(zhì)，介質(zhì)無宏觀運(yùn)動(dòng)。 例如：右圖，41，熱傳導(dǎo)的傅里葉定律熱流密度：根據(jù)每單位時(shí)間流過單位面積的熱量熱傳導(dǎo)系數(shù)材料的性質(zhì)決定熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)制a氣體b固體，42，接近平衡的非平衡狀態(tài)3氣體分子的平均自由程：接近分子碰撞平衡的非平衡狀態(tài)近似說明3個(gè)輸送現(xiàn)象。 沖突在運(yùn)輸過程中很重要的例子：為什么遠(yuǎn)距離打開香水瓶，聞香水的氣味需要很長時(shí)間？擴(kuò)散過程分析：距離10米，分

14、子熱運(yùn)動(dòng)平均速度400米/秒，時(shí)間10/4000.025秒。但是，所需時(shí)間估計(jì)為60秒。 差是3000倍。 為什么？ 因?yàn)楸仨毧紤]分子之間的沖突。 見后圖，43，如何研究分子碰撞？ 關(guān)于分子沖突我們想知道那些信息嗎？ 問題：不知道某個(gè)時(shí)刻的分子在哪里與哪個(gè)分子發(fā)生沖突，沖突后的速度如何，也不在意。 牛頓力學(xué)研究手段。 我不在乎分子沖突的具體問題。 關(guān)注分子碰撞的哪些信息？關(guān)注分子碰撞的平均效應(yīng)、分子碰撞的統(tǒng)一規(guī)律。 反應(yīng)為碰撞截面、平均碰撞頻率、平均自由行程。 熱學(xué)的研究手段1 )碰撞斷面可以說是反應(yīng)分子間相互作用力的強(qiáng)弱的物理量。 定義：44，問題：這個(gè)碰撞截面是a分子的，b分子的，a對(duì)b分

15、子的，b對(duì)a分子的碰撞截面的問題： a和b之間的相互作用力變大，碰撞截面怎樣變化？盧瑟福實(shí)驗(yàn)概念的延長例：有效直徑分別是d1，d2的兩個(gè)剛性分子碰撞，求其碰撞截面45、分子間平均碰撞頻率定義：平均每單位時(shí)間某分子與其他分子的平均碰撞次數(shù)。 假設(shè)由分子2組成的氣體系統(tǒng)，分子數(shù)密度為n，現(xiàn)在分子1進(jìn)入該系統(tǒng)，設(shè)分子1相對(duì)于分子2的平均相對(duì)速度為分子2相對(duì)于分子1的碰撞截面。 求出分子2的平均碰撞頻率。 (近似的方法)例：如上所述，如果分子1是分子2氣體系中的某個(gè)分子。 求出平均碰撞頻率，46，平均自由程自由程：某分子連續(xù)碰撞2次之間所走的路程。 為什么稱為自由程：分子間作用力為短距離力，2次碰撞間

16、分子為自由，不受力的作用。 特點(diǎn)：偶然，對(duì)隨機(jī)效果作出反應(yīng)。 平均自由程：平均來說，分子連續(xù)兩次碰撞之間所走的路程。 理解： (1)被認(rèn)為是某分子的自由行程在無限多重沖突中的平均值。 (2)也可以認(rèn)為是無限多數(shù)分子在一次沖突中的平均值。 (3)平均來說，任何分子都會(huì)走的路程發(fā)生沖突。 (4)反應(yīng)是必然的、統(tǒng)一的、集體的效應(yīng)。 決定運(yùn)輸中允許運(yùn)輸?shù)呢浳镔|(zhì)量或平均自由程，相當(dāng)于監(jiān)督運(yùn)輸過程的執(zhí)法機(jī)構(gòu)。 47、48、平均自由行程運(yùn)輸過程的監(jiān)督管理部門，對(duì)于通過某一斷面的運(yùn)輸，平均自由行程決定了貨物的質(zhì)量。 平均自由行程決定了裝載在哪里，裝載在哪里。 總結(jié)：在所有運(yùn)輸現(xiàn)象中，宏觀運(yùn)輸現(xiàn)象由各局部平衡狀態(tài)完成，貨物從一個(gè)局部平衡狀態(tài)運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)局部平衡狀態(tài)。 在所有的運(yùn)輸現(xiàn)象中，相鄰的兩個(gè)局部平衡態(tài)的運(yùn)輸機(jī)制：交通工具熱運(yùn)動(dòng)貨物分別為分子的宏觀動(dòng)量、分子、分子的能量運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)管部門平均自由程(分子間碰撞)，49，例如：求平衡態(tài)的簡(jiǎn)單氣體的平均自由程，將氣體壓力設(shè)為p，將溫度設(shè)為t，將碰撞截面設(shè)為t 解： a平均而言，某分子在單位時(shí)間內(nèi)的路徑