高中熱力學定律

1、熱力學定律,1.功和內能,焦耳的實驗 使系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)發(fā)生變化的兩個途徑是做功和傳熱. 與外界沒有熱交換的過程叫做絕熱過程. 焦耳的實驗說明 : 使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化時,做功的數量只由過程的始末狀態(tài)決定,而與做功的方式無關.,內能 功是能的變化的量度. 任何熱力學系統(tǒng)都存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量內能. 內能在兩個狀態(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 做功過程與內能的關系.,2.熱和內能,熱傳遞 沒有做功而使物體內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 對流

2、輻射,熱和內能 熱量是在單純傳熱過程中系統(tǒng)內能變化的量度. 內能在兩個狀態(tài)間的改變差值等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量，即U=Q熱傳遞過程與內能的關系. 熱量的概念只在涉及能量的傳遞時才有意義 : 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)內能是等效的 做功和熱傳遞的重要區(qū)別 : 做 功內能與其他形式能之間的轉化; 熱傳遞內能在物體之間或物體不同部分 之間的轉移.,3.熱力學第一定律 能量守恒定律,熱力學第一定律 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,物體與外界同時發(fā)生做功和熱傳遞,則U=Q+W. 熱力學第一定律 :

3、 一個熱力學系統(tǒng)的內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表示內能改變與熱量、功之 間的關系,是熱力學第一定律的數學形式,注意 物體吸熱Q0 物體放熱Q0 物體對外界做功W0 物體內能減少U0,取決于Q+W的值,能量守恒定律 俄國化學家蓋斯的發(fā)現能量守恒定律的先驅. 德國醫(yī)生J.R.邁爾的觀點第一個能量守恒的思想. 德國科學家H.亥姆霍茲的工作 能量守恒定律 : 能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為另一種形式,或者從一個物體轉移到別的物體,在轉化或轉移的過程其總量保持不變.,永動機不可能制成 不消耗任何能量,卻可以源源不斷地對外做功的機器叫做

4、第一類永動機. 第一類永動機違反了能量守恒定律,是不可能造成的.,4.熱力學第二定律,與熱現象有關的宏觀過程的方向性 熱傳遞現象的方向性 擴散現象的方向性 氣體膨脹現象的方向性 有摩擦的機械運動中能量轉化的方向性 一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的.,熱力學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,逆過程的進行,必須有第三者的介入或必須借助外界的幫助,這樣就會引起其他變化產生其他影響. 克勞修斯表述闡述的是熱傳遞的方向性.,熱力學第二定律的另一種表述 開爾文表述 熱機 凡是把內能轉變?yōu)闄C械能的

5、機器都叫做熱機.如 蒸汽機 內燃機汽油機,柴油機 汽輪機蒸汽輪機,燃氣輪機 噴氣發(fā)動機,熱機中熱量損失的途徑 : 漏氣、機體散失和摩擦,廢氣. 由于熱量損失,熱機輸出的機械功W總是小于燃料燃燒釋放的熱量Q.,熱機的效率 熱機輸出的機械功與燃料燃燒產生的熱量的比,叫做熱機的效率.,任何一部熱機都包含三個部分 : 高溫熱庫,如蒸汽機的鍋爐,內燃機的汽缸; 工作部分, 低溫熱庫,如冷凝器尾噴管,大氣等.,即使漏氣、機體散熱、摩擦造成的熱量散失可以減少,甚至不考慮時,工質吸收的熱量仍然不能全部變成功.因為總有一部分熱量要排放給低溫熱庫,即總有QW, ,由此,熱力學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,而不產生其他影響. 開爾文表述闡述的是機械能與內能轉化的方向性 : 機械能可以全部轉化為內能,內能卻無法全部用于做功而轉化成機械能.,熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述是等價的.兩種表述可以互相推導. 自然界中進行的涉及熱現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 : 一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的.這種不可逆性都是互相關聯的,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行的方向的說明,都可以作為熱力學第二定律的表述.,第二類永動機不可能制成 能從單一熱源吸收熱量,使之完全變?yōu)橛?/p>

7、用的功而不產生其他影響的熱機叫做第二類永動機. 第二類永動機雖然不違反熱力學第一定律,但是違反了熱力學第二定律,所以是不可能制成的.,5.熱力學第二定律的微觀解釋,熱力學第二定律的微觀解釋 一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行.,熵 系統(tǒng)宏觀態(tài)所對應的微觀態(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)一個宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)的數目,則就是該系統(tǒng)分子運動無序性的量度.用S表示熵,定義 S=kln 式中k是玻爾茲曼常數. 熵S也是系統(tǒng)分子運動無序性的量度.熵較大的宏觀態(tài)就是無序程度較大的宏觀態(tài).,熱力學第二定律的熵表述 在任何自然過程中,一個

8、孤立系統(tǒng)的熵永不減少. 由此,熱力學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,只是因為通向無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)出現的幾率就較大.,一個孤立系統(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.,熱力學第三定律 不可能通過有限的過程把一個物體冷卻到絕對零度. 或 絕對零度不可能達到,6.能源和可持續(xù)發(fā)展,能量耗散和品質降低 沒有辦法把流散到周圍環(huán)境的內能重新收集起來加以利用,這種現象叫做能量的耗散. 機械能、電能、化學能等都是集中度較高并且有序度較高的能量,它們變?yōu)閮饶芎?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能的轉化,是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉化