大学物理概论热力学student资料.pptx
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1、4-1 热力学的基本概念4-1-1 热力学系统 在热力学中把要研究的宏观物体(气体、液体、在热力学中把要研究的宏观物体(气体、液体、固体)称为固体)称为热力学系统热力学系统 简称简称系统系统。外界:外界:系统以外与系统有着相互作用的环境系统以外与系统有着相互作用的环境孤立系统孤立系统:与外界不发生任何能量和物质交换的与外界不发生任何能量和物质交换的热力学系统。热力学系统。封闭系统:封闭系统:与外界只有能量交换而没有物质交换与外界只有能量交换而没有物质交换的系统。的系统。物态参量:物态参量:物态参量:物态参量:描述热力学系统物态的物理量描述热力学系统物态的物理量描述热力学系统物态的物理量描述热力
2、学系统物态的物理量。描述气体的物态参量:描述气体的物态参量:压强压强、体积体积和和温度温度垂直作用在单位容器壁面积上垂直作用在单位容器壁面积上的气体压力的气体压力。压强(压强(p):):国际单位制单位:国际单位制单位:帕斯卡(帕斯卡(1 Pa=1 N/m2)1标准大气压标准大气压=1.01325105(Pa)体积(体积(V):):气体分子自由活动的空间气体分子自由活动的空间。国际单位制单位:国际单位制单位:米米3(m3)温度(温度(T):):温度是表征在热平衡物态下系温度是表征在热平衡物态下系统宏观性质的物理量统宏观性质的物理量。两热力学系统相互接触,而与外界没有热量交两热力学系统相互接触,而
3、与外界没有热量交换,当经过了足够长的时间后,它们的冷热程度不换,当经过了足够长的时间后,它们的冷热程度不再发生变化,则我们称两系统达到了再发生变化,则我们称两系统达到了热平衡热平衡。热力学第零定律:热力学第零定律:如果两个系统分别与第三个系统如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,则这两个系统彼此也处于热平衡达到热平衡,则这两个系统彼此也处于热平衡。ABCAB C温度的宏观定义:温度的宏观定义:温度的宏观定义:温度的宏观定义:表征系统热平衡时宏观性质的物理量。表征系统热平衡时宏观性质的物理量。温标温标 温度的数值表示法温度的数值表示法。摄氏温标:摄氏温标:t 热力学温标:热力学温标:T K 水
4、的冰点水的冰点 0 水的沸点水的沸点 100 绝对零度:绝对零度:T=0 K t=-273.15 水三相点水三相点(气态、液态、固态的共存状态)(气态、液态、固态的共存状态)273.16 K华氏温标:华氏温标:FO4-1-2 平衡态 准静态过程平衡态:平衡态:一个孤立系统,其宏观性质在经过一个孤立系统,其宏观性质在经过充分长的时间后保持不变(即其物态参量不充分长的时间后保持不变(即其物态参量不再随时间改变)的物态再随时间改变)的物态。注意:注意:如果系统与外如果系统与外界有能量交换,即使界有能量交换,即使系统的宏观性质不随系统的宏观性质不随时间变化,也不能断时间变化,也不能断定系统是否处于平衡
5、定系统是否处于平衡态。态。热力学过程:热力学过程:热力学系统的物态随时间发生热力学系统的物态随时间发生变化的过程变化的过程。p准静态过程:准静态过程:状态变化过程进行得状态变化过程进行得非常缓慢,以至于过程中非常缓慢,以至于过程中的每一个中间状态都近似的每一个中间状态都近似于平衡态。于平衡态。准静态过程的过程准静态过程的过程曲线可以用曲线可以用p-V 图来描图来描述,图上的每一点都表述,图上的每一点都表示系统的一个平衡态。示系统的一个平衡态。(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO(pC,VC,TC)4-2 热力学第一定律4-2-1 改变系统内能的两条途径 热功当量内能:内能:系统内分子
6、热运动的动能和分子之间的相互系统内分子热运动的动能和分子之间的相互作用势能之总和作用势能之总和:理想气体内能:理想气体内能:理想气体的内能只与分子热运动理想气体的内能只与分子热运动的动能有关,是温度的单值函的动能有关,是温度的单值函 数数。热量热量(Q):系统之间由于热相互作用而传递的能量系统之间由于热相互作用而传递的能量。焦耳用于测定热功当焦耳用于测定热功当量的实验装置。量的实验装置。注意:注意:功和热量都是过程功和热量都是过程量,而内能是物态量,通量,而内能是物态量,通过做功或传递热量的过程过做功或传递热量的过程使系统的物态(内能)发使系统的物态(内能)发生变化。生变化。热功当量:热功当量
7、:1 cal =4.186 J 4-2-2 热力学第一定律的数学描述热力学第一定律:热力学第一定律:包括热现象在内的能量守恒包括热现象在内的能量守恒定律定律。Q 表示系统吸收的热量,表示系统吸收的热量,W 表示系统所做的功,表示系统所做的功,E 表示系统内能的增量。表示系统内能的增量。热力学第一定律微分式:热力学第一定律微分式:符号规定:符号规定:1.系统吸收热量系统吸收热量Q为正,系统放热为正,系统放热Q为负。为负。2.系统对外做功系统对外做功W为正,外界对系统做功为正,外界对系统做功W为负。为负。3.系统内能增加系统内能增加 E为正,系统内能减少为正,系统内能减少 E为负。为负。第一类永动
8、机:第一类永动机:不需要外界提供能量,但可以不需要外界提供能量,但可以连续不断地对外做功的机器。连续不断地对外做功的机器。热力学第一定律:热力学第一定律:“不可能制造出第一类永动机。不可能制造出第一类永动机。”4-2-3 准静态过程中热量、功和内能(1)(1)准静态过程中功的计算准静态过程中功的计算(pB,VB,TB)(pA,VA,TA)pVO dVVAVBdl结论:结论:系统所做的功在数值上等于系统所做的功在数值上等于p-V-V 图上过程曲图上过程曲线以下的面积线以下的面积。(2 2)准静态过程中热量的计算)准静态过程中热量的计算 热容量:热容量:物体温度升高物体温度升高1 K 所需要吸收的
9、热量所需要吸收的热量。比热:比热:单位质量的物质热容量单位质量的物质热容量。单位:单位:单位:单位:摩尔热容量:摩尔热容量:1 mol 物质的热容量。物质的热容量。微过程的热量计算式:微过程的热量计算式:热量计算式:热量计算式:(3 3)准静态过程中内能变化的计算)准静态过程中内能变化的计算 内能:内能:结论:结论:理想气体的内能只是温度的单值函数理想气体的内能只是温度的单值函数。内能增量:内能增量:注意:注意:内能是物态量,内能的增量与过程无关,因内能是物态量,内能的增量与过程无关,因此上式适合于任意过程此上式适合于任意过程。4-3 热力学第一定律的应用 4-3-1 热力学的等值过程 1.1
10、.等体过程等体过程 QpVV0等体过程等体过程:气体在物态变气体在物态变化过程中体积保持不变化过程中体积保持不变。V=恒量恒量,dV=0等体过程的热力学第一定律等体过程的热力学第一定律:结论:结论:在等体过程中,系统吸收的热量完全用来在等体过程中,系统吸收的热量完全用来增加自身的内能增加自身的内能。吸收热量:吸收热量:内能增量:内能增量:等体过程系统做功:等体过程系统做功:等体过程的热力学第一定律等体过程的热力学第一定律:为定容摩尔热容为定容摩尔热容(i 为分子的自由度数)为分子的自由度数)2.2.等压过程等压过程 等压过程等压过程:气体在物态变气体在物态变化过程中压强保持不变化过程中压强保持
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