热力学基础学习课件PPT电子教案.ppt
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1、雪花的形状与天空中的温度有关,3 8 针状,8 25 六角形或扇形,低于 30 凝成一簇一簇的棱柱,几个晶亮的棱柱聚在一起,就成为一朵美丽的雪花了。,蟒蛇的眼睛和鼻孔之间有能够感知温度变化的器官,金属和碳,可见光,暗红、赤红、黄、白、蓝白,第7章 热力学基础,本章内容:,7. 1 热学的研究对象和研究方法,7. 2 平衡态 理想气体状态方程,7. 3 功 热量 内能 热力学第一定律,7. 4 准静态过程中功和热量的计算,7. 5 理想气体的内能和 CV 、Cp,7. 6 热力学第一定律在典型准静态过程中 的应用,7. 7 绝热过程,7. 8 循环过程,7. 9 热力学第二定律,7. 10 可逆
2、与不可逆过程,7. 11卡诺循环 卡诺定理,7.1 热学的研究对象和研究方法,热学:,研究热现象的理论,宏观量,微观量,描述宏观物体特性的物理量;如温度、压强、体积、热容量、熵等。,描述微观粒子特征的物理量;如质量、速度、能量、动量等。,宏观理论(热力学),微观理论(统计物理学),热力学验证统计物理学,统计物理学揭示热力学本质,观察和实验,力学规律,统计平均方法,热力学,统计物理学,7.2 平衡态 理想气体状态方程,热力学系统,热力学所研究的具体对象,简称系统。,系统是由大量分子组成,如汽缸中的气体。,7.2.1 气体的状态参量,温度T 、压强p、体积V,温度是热力学所特有的,热力学温标T(与
3、测温物质无关),状态参量,描写系统运动状态的物理量,水的三相点:,温标,单位:开尔文 (K),摄氏温标 t,7.2.2 平衡态,宏观性质不变,不受外界影响,在没有外界影响的情况下,系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。,说明,(1) 不受外界影响是指系统与外界没有能量和粒子交换。如:,两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态,而不是平衡态;,处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度变化,但它是平衡态。,低温T2,高温T1,(3) 平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值 ( p, V, T ) 表示。,(4) 平衡态是一种理想状态。,(2) 平衡是热动平衡。,7.2.3 理想气体的状态方
4、程,气体的状态方程,其中,理想气体的状态方程,(克拉珀龙方程),混合气体的理想气体的状态方程,(1) 理想气体的宏观定义。,(3) 实际气体在压强不太高,温度不太低的条件 下, 可当作理想气体处理。,说明,(2) 状态方程只与状态有关, 与过程无关。,系统的一个平衡态可在 ( p, V ) 上可用一 个点表示。,7.3 功 热量 内能 热力学第一定律,7.3.1 功 热量 内能,1. 功与内能的关系,对系统作绝热功:,结论:若初末态一定,则 绝热功相同。,1,2,内能:系统中存在一种与热运动状 态相关的能量内能。,内能是系统状态的函数,2. 热量与内能的关系,T,传递热量亦可以改变热力学系统的
5、状态,热量是物体之间存在温差时传递的内能,内能是系统状态的单值函数, E=E(状态), 是状态量。,(2) 功和热量是过程量, 不属于任何系统。,(3) 功和热量的比较。,说明,7.3.2 热力学第一定律,外界与系统之间不仅作功, 而且传递热量, 则有,系统从外界吸收的热量,一部分使其内能增加,另一部分 则用以对外界作功。( 热力学第一定律),系统吸热 :,系统对外作功 :,;外界对系统作功 :,;系统放热 :,对于无限小的状态变化过程,热力学第一定律可表示为,(2) 第一类永动机是不可能实现的,这是热力学第 一定律的另一种表述形式。,热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的 能量守恒与转换定
6、律。,说明,7.4 准静态过程中功和热量的计算,7.4.1 准静态过程,系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。,1. 热力学过程:,1,2,2. 准静态过程:,在过程进行的每一时刻,系统都无限地接近平衡态。,无限缓慢进行的过程是准静态过程, 准静态过程是理想过程,准静态过程在状态图上可用一条曲线表示, 如图.,过程进行时间 t 弛豫时间,例如实际汽缸的压缩过程, = 10 -3 10 -2s,4. 实际过程的处理,准静态过程,3. 准静态过程的特点:可用状态参量的变化描述过程。,热力学第一定律可表示为,功是一个过程量, 见图,1,2,7.4.2 准静态过程中功的计算,V1,V
7、2,适合于任何的准静态过程,7.4.3 准静态过程中热量的计算 热容,比热容,摩尔热容,注意:,1. 摩尔热容:,摩尔热容是过程量与具体过程有关.,例:绝热过程、等温过程,2. 定容摩尔热容 CV 和定压摩尔热容 Cp,定容摩尔热容 CV,定压摩尔热容 Cp,3. 热量计算,(一般情况下 C x 是温度的函数),若 C x 与温度无关, 则,7.5 理想气体的内能和CV , Cp,7.5.1 理想气体的内能,1. 实验装置:,膨胀前后温度计的读数未变,内能是状态的函数, 函数的具体形式怎样? E (气体状态参量),焦耳实验(英国物理学家焦耳在1845年通过试验研究了这个问题),2.实验结果:,
8、温度一样,3.分析:,气体自由膨 胀过程中,理想气体,焦耳定律,明说,(1) 焦耳实验室是在1845年完成的. 温度计精度为: 0.01 。,水的热容比气体热容大的多, 因而水的温度可能有变化, 由于温度计精度不够而未能测出。,(4)目前温度计(铂电阻)的精度可达到万分之一的变化。,通过改进实验或其它实验方法(焦耳汤姆孙实验) 证实仅理想气体有上述结论。,(2) 真实气体的内能与体积有关的微观解释:,由于分子间存在相互作用力,存在有相互作用势能。,绝热系统, 气体自由膨胀 气体温度升高?下降?,(3)焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。,根据热力学第一定律, 有,解,因为初、末两态是平衡态, 所以
9、有,如图, 一绝热密封容器, 体积为V0, 中间用隔板分成相等的两部分. 左边盛有一定量的氧气, 压强为 p0, 右边一半为真空。,例,求,把中间隔板抽去后, 达到新平衡时气体的压强,绝热过程,自由膨胀过程,7.5.2 理想气体的摩尔热容CV 、Cp 和内能的计算,1. 定容摩尔热容和定压摩尔热容(CV , Cp ),E = E (气体状态参量) = E ( T ),压强不变时, 将状态方程两边对T 求导, 有,迈耶公式,比热容比,为什么? CpCV,2. 理想气体内能的计算,单原子分子,双原子刚性分子,多原子刚性分子,7.6 热力学第一定律对理想气体在典型准静态过程中的应用,结论,1. 热力
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