高中熱力學(xué)定律

1、熱力學(xué)定律,1.功和內(nèi)能,焦耳的實(shí)驗(yàn) 使系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化的兩個(gè)途徑是做功和傳熱. 與外界沒有熱交換的過程叫做絕熱過程. 焦耳的實(shí)驗(yàn)說明 : 使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化時(shí),做功的數(shù)量只由過程的始末狀態(tài)決定,而與做功的方式無關(guān).,內(nèi)能 功是能的變化的量度. 任何熱力學(xué)系統(tǒng)都存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量內(nèi)能. 內(nèi)能在兩個(gè)狀態(tài)間的改變差值等于外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功，即U=W 做功過程與內(nèi)能的關(guān)系.,2.熱和內(nèi)能,熱傳遞 沒有做功而使物體內(nèi)能改變的物理過程叫做熱傳遞. 熱傳遞發(fā)生的條件 : T0;熱傳遞過程中,熱量從高溫物體傳遞到低溫物體. 熱傳遞的三種方式 : 傳導(dǎo) 對流

2、輻射,熱和內(nèi)能 熱量是在單純傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度. 內(nèi)能在兩個(gè)狀態(tài)間的改變差值等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量，即U=Q熱傳遞過程與內(nèi)能的關(guān)系. 熱量的概念只在涉及能量的傳遞時(shí)才有意義 : 不能說物體具有多少熱量,只能說物體吸收或放出了多少熱量.,做功和熱傳遞 做功和熱傳遞對改變系統(tǒng)內(nèi)能是等效的 做功和熱傳遞的重要區(qū)別 : 做 功內(nèi)能與其他形式能之間的轉(zhuǎn)化; 熱傳遞內(nèi)能在物體之間或物體不同部分 之間的轉(zhuǎn)移.,3.熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律,熱力學(xué)第一定律 單純對系統(tǒng)做功 : U=W, 單純對系統(tǒng)傳熱 : U=Q; 一般情況下,物體與外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞,則U=Q+W. 熱力學(xué)第一定律 :

3、 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和.,公式U=Q+W表示內(nèi)能改變與熱量、功之 間的關(guān)系,是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形式,注意 物體吸熱Q0 物體放熱Q0 物體對外界做功W0 物體內(nèi)能減少U0,取決于Q+W的值,能量守恒定律 俄國化學(xué)家蓋斯的發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的先驅(qū). 德國醫(yī)生J.R.邁爾的觀點(diǎn)第一個(gè)能量守恒的思想. 德國科學(xué)家H.亥姆霍茲的工作 能量守恒定律 : 能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程其總量保持不變.,永動(dòng)機(jī)不可能制成 不消耗任何能量,卻可以源源不斷地對外做功的機(jī)器叫做

4、第一類永動(dòng)機(jī). 第一類永動(dòng)機(jī)違反了能量守恒定律,是不可能造成的.,4.熱力學(xué)第二定律,與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程的方向性 熱傳遞現(xiàn)象的方向性 擴(kuò)散現(xiàn)象的方向性 氣體膨脹現(xiàn)象的方向性 有摩擦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)中能量轉(zhuǎn)化的方向性 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的.,熱力學(xué)第二定律的一種表述 克勞修斯表述 熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體. 或 : 不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化,逆過程的進(jìn)行,必須有第三者的介入或必須借助外界的幫助,這樣就會(huì)引起其他變化產(chǎn)生其他影響. 克勞修斯表述闡述的是熱傳遞的方向性.,熱力學(xué)第二定律的另一種表述 開爾文表述 熱機(jī) 凡是把內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的

5、機(jī)器都叫做熱機(jī).如 蒸汽機(jī) 內(nèi)燃機(jī)汽油機(jī),柴油機(jī) 汽輪機(jī)蒸汽輪機(jī),燃?xì)廨啓C(jī) 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),熱機(jī)中熱量損失的途徑 : 漏氣、機(jī)體散失和摩擦,廢氣. 由于熱量損失,熱機(jī)輸出的機(jī)械功W總是小于燃料燃燒釋放的熱量Q.,熱機(jī)的效率 熱機(jī)輸出的機(jī)械功與燃料燃燒產(chǎn)生的熱量的比,叫做熱機(jī)的效率.,任何一部熱機(jī)都包含三個(gè)部分 : 高溫?zé)釒?如蒸汽機(jī)的鍋爐,內(nèi)燃機(jī)的汽缸; 工作部分, 低溫?zé)釒?如冷凝器尾噴管,大氣等.,即使漏氣、機(jī)體散熱、摩擦造成的熱量散失可以減少,甚至不考慮時(shí),工質(zhì)吸收的熱量仍然不能全部變成功.因?yàn)榭傆幸徊糠譄崃恳欧沤o低溫?zé)釒?即總有QW, ,由此,熱力學(xué)第二定律又可以表述如下 不可能從單一熱

6、庫吸收熱量,使之完全用于做功,而不產(chǎn)生其他影響. 開爾文表述闡述的是機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性 : 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻無法全部用于做功而轉(zhuǎn)化成機(jī)械能.,熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價(jià)的.兩種表述可以互相推導(dǎo). 自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性,定律揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性 : 一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的.這種不可逆性都是互相關(guān)聯(lián)的,由一種過程的不可逆性可以通過推理得知另一種過程的不可逆性.由此,對任何一類宏觀過程進(jìn)行的方向的說明,都可以作為熱力學(xué)第二定律的表述.,第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成 能從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)橛?/p>

7、用的功而不產(chǎn)生其他影響的熱機(jī)叫做第二類永動(dòng)機(jī). 第二類永動(dòng)機(jī)雖然不違反熱力學(xué)第一定律,但是違反了熱力學(xué)第二定律,所以是不可能制成的.,5.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋,熱力學(xué)第二定律的微觀解釋 一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行.,熵 系統(tǒng)宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的多少表征了系統(tǒng)宏觀態(tài)的無序程度,該無序程度決定著宏觀過程的演變方向. 若用表示系統(tǒng)一個(gè)宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目,則就是該系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度.用S表示熵,定義 S=kln 式中k是玻爾茲曼常數(shù). 熵S也是系統(tǒng)分子運(yùn)動(dòng)無序性的量度.熵較大的宏觀態(tài)就是無序程度較大的宏觀態(tài).,熱力學(xué)第二定律的熵表述 在任何自然過程中,一個(gè)

8、孤立系統(tǒng)的熵永不減少. 由此,熱力學(xué)第二定律又稱為熵增加原理. 系統(tǒng)有序的可能是存在著的,只是因?yàn)橥ㄏ驘o序的渠道比通向有序的渠道多得多,所以無序程度較大的宏觀態(tài)即熵較大的宏觀態(tài)出現(xiàn)的幾率就較大.,一個(gè)孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)演變,而熵值較大意味著較為無序,所以自發(fā)的宏觀過程總是向著無序程度更大的方向演變.,熱力學(xué)第三定律 不可能通過有限的過程把一個(gè)物體冷卻到絕對零度. 或 絕對零度不可能達(dá)到,6.能源和可持續(xù)發(fā)展,能量耗散和品質(zhì)降低 沒有辦法把流散到周圍環(huán)境的內(nèi)能重新收集起來加以利用,這種現(xiàn)象叫做能量的耗散. 機(jī)械能、電能、化學(xué)能等都是集中度較高并且有序度較高的能量,它們變?yōu)閮?nèi)能后,就成為更加分散并且無序度更大的能量. 各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化