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1、第四章第四章 热力学热力学大学物理大学物理多媒体教学课件多媒体教学课件Chapter 4 ThermodynamicsChapter 4 热力学热力学热力学和分子动理论（气体动理论是其中的一部分）热力学和分子动理论（气体动理论是其中的一部分）的研究对象都是宏观物体的热现象。的研究对象都是宏观物体的热现象。从物质的微观结构入手从物质的微观结构入手本章重点讨论本章重点讨论热力学第一、第二定律及其应用热力学第一、第二定律及其应用，并介，并介绍热力学函数：绍热力学函数：熵熵等。等。以宏观系统为对象以宏观系统为对象运用统计的方法运用统计的方法能量守恒和转换定律等能量守恒和转换定律等研究气体分子微观量的统
2、计研究气体分子微观量的统计平均值与宏观量之间的关系平均值与宏观量之间的关系研究宏观物理量之间的关研究宏观物理量之间的关系系更深刻地揭示了热现象的更深刻地揭示了热现象的规律及其微观本质。规律及其微观本质。来自实践的定律印证了理来自实践的定律印证了理论的正确性。论的正确性。分子动理论分子动理论热力学热力学Chapter 4 热力学热力学热力学的理论基础是热力学第一定律和热力学第二定律。热力学的理论基础是热力学第一定律和热力学第二定律。热力学第一定律热力学第一定律: : 包括热现象在内的能量守恒与转换定律包括热现象在内的能量守恒与转换定律热力学第二定律：实际过程进行的方向和限度问题热力学第二定律：实
3、际过程进行的方向和限度问题一、热力学系统一、热力学系统 孤立系统孤立系统 封闭系统封闭系统 开放系统开放系统与外界既无物质交换也无能量交换与外界既无物质交换也无能量交换 热学研究的对象，由大量分子原子组成，简称系统。热学研究的对象，由大量分子原子组成，简称系统。与外界只有能量交换没有物质交换与外界只有能量交换没有物质交换与外界既有物质交换也有能量交换与外界既有物质交换也有能量交换 系统以外的物质称为外界（环境）。系统以外的物质称为外界（环境）。由系统与外界（环境由系统与外界（环境 ）的关系：）的关系： 孤立系统孤立系统 封闭系统封闭系统 开放系统开放系统与外界既无物质交换也无能量交换与外界既无
4、物质交换也无能量交换 与外界只有能量交换没有物质交换与外界只有能量交换没有物质交换与外界既有物质交换也有能量交换与外界既有物质交换也有能量交换 由系统与外界（环境由系统与外界（环境 ）的关系：）的关系：二、平衡态二、平衡态OPV P V 图图 F12图中一个点对应一个平衡态图中一个点对应一个平衡态 平衡态平衡态 : 热力学系统如果与外界没热力学系统如果与外界没有能量交换，内部也不发生任何形式有能量交换，内部也不发生任何形式的能量转化，经过足够长的时间后，的能量转化，经过足够长的时间后，可达到宏观性质稳定的状态，这一状可达到宏观性质稳定的状态，这一状态称为态称为平衡态平衡态。（热动平衡）。（热动
5、平衡） P1 P2二、平衡态二、平衡态OPV P V 图图 F12图中一个点对应一个平衡态图中一个点对应一个平衡态 平衡态平衡态 : 热力学系统如果与外界没热力学系统如果与外界没有能量交换，内部也不发生任何形式有能量交换，内部也不发生任何形式的能量转化，经过足够长的时间后，的能量转化，经过足够长的时间后，可达到宏观性质稳定的状态，这一状可达到宏观性质稳定的状态，这一状态称为态称为平衡态平衡态。（热动平衡）。（热动平衡） P2三、热力学过程三、热力学过程系统的宏观状态随时间的变化过程称为热系统的宏观状态随时间的变化过程称为热力学过程，简称过程。力学过程，简称过程。 过程的发生必然导致平衡态的破坏
6、过程的发生必然导致平衡态的破坏任何实际过程都无法在任何实际过程都无法在P-V P-V 图上表示图上表示。OPVF12三、热力学过程三、热力学过程系统的宏观状态随时间的变化过程称为热系统的宏观状态随时间的变化过程称为热力学过程，简称过程。力学过程，简称过程。准静态过程准静态过程 系统在变化的过程中所经历的每系统在变化的过程中所经历的每一中间状态都无限接近平衡态一中间状态都无限接近平衡态准静态过程准静态过程 一个准静态过程对应一个准静态过程对应P- -V图中一条曲线图中一条曲线 过程的发生必然导致平衡态的破坏过程的发生必然导致平衡态的破坏任何实际过程都无法在任何实际过程都无法在P-V P-V 图上
7、表示图上表示。OPVF12准静态过程准静态过程 系统在变化的过程中所经历的每系统在变化的过程中所经历的每一中间状态都无限接近平衡态一中间状态都无限接近平衡态准静态过程准静态过程 一个准静态过程对应一个准静态过程对应P- -V图中一条曲线图中一条曲线说明：说明：（1）准静态过程是一个）准静态过程是一个理想过程理想过程。实际。实际过程在进行的过程在进行的 “ 足够缓慢足够缓慢 ” 时，系统在任一时，系统在任一时刻都无限接近平衡态，这样的过程才可能是时刻都无限接近平衡态，这样的过程才可能是准静态过程。准静态过程。足够缓慢：恢复平衡时间（弛豫时间）无足够缓慢：恢复平衡时间（弛豫时间）无限接近过程进行的
8、时间。限接近过程进行的时间。（2）只有平衡过程才能用只有平衡过程才能用PV图描述图描述状态状态1到状态到状态2气体对外界做功：气体对外界做功：VplpSlFdAddd四、功、热、内能四、功、热、内能 21ddVVVPAA气体对外界作元功为：气体对外界作元功为：以气体膨胀过程为例：以气体膨胀过程为例：ldF1、功功 (work)讨论：讨论： (1)(1) dA= pdV在在p-V图上对应曲线下图上对应曲线下窄条面积窄条面积, , （2 2）气体对外界做功与过程有关，气体对外界做功与过程有关，功功是是过程量。过程量。（如图沿着虚线与沿着（如图沿着虚线与沿着实线做功不同。）实线做功不同。）PV122
9、VO1VdVPA对应曲线下对应曲线下V1V2 间的间的面积面积。 两系统间由于温度不同所传递的能量的多少就叫两系统间由于温度不同所传递的能量的多少就叫热量热量，用，用Q表示，传递热量可以改变系统的状态。表示，传递热量可以改变系统的状态。(2)(2)做功、传热都是能量变化的量度，是做功、传热都是能量变化的量度，是过程量过程量。(1) Q=cM（T2-T1）c比热比热（J/kgK）；说明：说明：2 2、 热量热量 (heat)(heat)Q=c（T2-T1）=C（T2-T1） C摩尔热容摩尔热容（J/mol K） 做功：做功：通过宏观的有规则运动（如机械运动、电流运动）与系通过宏观的有规则运动（如
10、机械运动、电流运动）与系统内分子的无规则运动来完成的能量交换统内分子的无规则运动来完成的能量交换 ，亦称宏观功。，亦称宏观功。 传热：传热：通过接触面上分子的相互碰撞来完成的能量交换，不涉通过接触面上分子的相互碰撞来完成的能量交换，不涉及是否发生宏观位移，亦称微观功。及是否发生宏观位移，亦称微观功。 （3）做功与传热的区别：）做功与传热的区别：3、内能、内能 (internal energy) 热力学系统在一定的状态下，具有一定的能量，称为热力学热力学系统在一定的状态下，具有一定的能量，称为热力学系统的系统的内能内能。 （2 2）内能的变化只决定于初末两个状态，与所经历的过程无）内能的变化只决
11、定于初末两个状态，与所经历的过程无关，即内能是系统状态的单值函数关，即内能是系统状态的单值函数, ,E= =f( (T、V) )，是，是状态量。状态量。 （1 1）系统的）系统的内能内能就是系统中所有分子的热运动能量和分子间就是系统中所有分子的热运动能量和分子间相互作用的势能的总和。相互作用的势能的总和。说明说明：（3 3）理想气体的）理想气体的内能内能E= =f（T），），RTiME2 0Q 系统向外界放热；系统向外界放热；0A外界对系统做功；外界对系统做功；0E系统内能减少。系统内能减少。 这一包含热量在内的这一包含热量在内的能量守恒能量守恒表示式就是表示式就是热力学第一定律热力学第一定律
12、。0Q 系统从外界吸热；系统从外界吸热；0A 系统对外界做功；系统对外界做功；0E系统内能增加；系统内能增加；对一个无限小的状态变化过程对一个无限小的状态变化过程 热力学第一定律适用于任何热力学系统所进行的任意过程。热力学第一定律适用于任何热力学系统所进行的任意过程。2112VVVpEAEEQd)(说明：说明：（1 1）（2 2）（3 3）（4 4）第一类永动机不可能实现。第一类永动机不可能实现。 即系统从外界吸收热量等于系统内能的增量和对外做功之和。即系统从外界吸收热量等于系统内能的增量和对外做功之和。AEQddd五、热力学第一定律五、热力学第一定律+12EE系统吸热系统吸热系统放热系统放热
13、内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第一定律的符号规定第一定律的符号规定QA(6) (6) 实验经验总结，自然界的普遍规律实验经验总结，自然界的普遍规律 .例题例题4-1 4-1 某系统吸热某系统吸热800J800J，对外做功，对外做功500J500J，由状态，由状态A A沿路沿路径径1 1变到状态变到状态B B，气体的内能改变了多少？如果系统沿路径，气体的内能改变了多少？如果系统沿路径2 2由状态由状态B B回到状态回到状态A A时，外界对系统做功时，外界对系统做功300J300J，气体放出热量，气体放出热量多少？多少？解解: :由热力学第
14、一定律由热力学第一定律Q = E + AA1B E = Q A = 800500 = 300JB2AQ = E + A = 300300 =600J放出热量放出热量内能增加内能增加A AB B1 12 2O OPV一、理论基础一、理论基础RTMpV（1）（理想气体的理想气体的共性共性）21dVVVpEQVpEQddd（2）解决过程中能解决过程中能量转换的问题量转换的问题)(TEE （3）（理想气体的状态函数理想气体的状态函数） （4） 各等值过程的特性各等值过程的特性 .二、二、 等体过程等体过程 定义定义：系统从初态到末态变化过程中体积始终保持不变的过系统从初态到末态变化过程中体积始终保持不
15、变的过程称为程称为等体过程等体过程(isochoric process). . 等体过程中，系统对外不作功，吸收的热量全用于增加等体过程中，系统对外不作功，吸收的热量全用于增加内能。内能。（Q为正，为正，E 增；增；Q 为负，为负，E 减减 ） 热一律应用：热一律应用： 特征：特征：d dV=0(d=0(dA=0)=0)V恒量恒量P PV V图：图：平行于平行于P P 轴一条直线，等容线。轴一条直线，等容线。 过程方程过程方程：P/T= =恒量。恒量。（有限过程（有限过程）1 1、 等体过程等体过程A=0=0Vp)()(12122TTRiMEEQVV VP1P2RidTdEdTdQCVV2 2
16、 2、等体摩尔热容、等体摩尔热容即：理想气体的等体摩尔热容是一个只与分子自由度有关的量。即：理想气体的等体摩尔热容是一个只与分子自由度有关的量。)(12TTCMEV 适应于所有过程适应于所有过程 一摩尔气体在体积不变时，温度改变一摩尔气体在体积不变时，温度改变1K 时所吸收或放出的时所吸收或放出的热量称为热量称为等体摩尔热容等体摩尔热容(molar heat capacity at constant volume)。)()(12122TTRiMEEQV三、三、 等压过程等压过程1 1、等压过程、等压过程 定义：定义： 系统压强在状态变化过程中始终保持不变的过程系统压强在状态变化过程中始终保持不变的过程称为称为等压过程等压过程(isobaric process) 。)()(1212VVpTTCMV热一律应用：热一律应用：特征：特征： d dP P=0 =0 ， P P = =恒量。恒量。P PV V图：图：平行于平行于V 轴的直线，轴的直线，等压线等压线。过程方程：过程方程：V/T=恒量恒量（有限过程（有限过程）VpEQVVp21d)(12TTCMVV1P)(12TTRCMVVpV2AR
