热学教案优秀PPT.ppt

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1、例子：扩散。例子：快速压缩气体例子：缓慢压缩气体。例子：等温传热。问题：如何推断系统的一个态是平衡态？回答：T，P，在各处相等。-平衡态，无过程问题：如何推断系统的一个态是近似平衡态？回答：-近平衡态，准静态过程1留意：准静态过程是一个志向过程留意：准静态过程是一个志向过程(志向模型志向模型)。现实生活中无严格的准静态过程，但是有很多近似的准现实生活中无严格的准静态过程，但是有很多近似的准静态过程。静态过程。类比：质点、点电荷、刚体、志向气体、志向流体、自类比：质点、点电荷、刚体、志向气体、志向流体、自由空间由空间(完全真空完全真空)，等等，都是志向模型。，等等，都是志向模型。关于缓慢的感性的

2、例子：汽车的内燃机中气体的周期运关于缓慢的感性的例子：汽车的内燃机中气体的周期运动可以看成是缓慢的。那么气体经验的过程可以看成是动可以看成是缓慢的。那么气体经验的过程可以看成是准静态过程。准静态过程。非静态过程：不言而喻。非静态过程：不言而喻。静态和非静态过程的弛豫时间说明静态和非静态过程的弛豫时间说明弛豫时间：系统从非平衡态演化到平衡态所花的时间。弛豫时间：系统从非平衡态演化到平衡态所花的时间。压强弛豫时间：压强弛豫时间：准静态过程：过程经验的时间远大于弛豫时间准静态过程：过程经验的时间远大于弛豫时间22 2 可逆与不行逆过程可逆与不行逆过程例子：例子：a a 与生命有关的过程。与生命有关的

3、过程。b b 由新到旧的过程。由新到旧的过程。3 c真空中的单摆(无空气阻力)发生的过程。d空气中的单摆(有空气阻力)发生的过程。e 气体的自发(自由)膨胀。可逆过程：系统经验某个过程(A过程)由初态变更为末态，假如找得到另外一个过程，使得系统和外界都复原。那么该过程(过程A)就是可逆过程。假如找不到另外一个过程，使得系统和外界都复原。那么该过程(过程A)就是不行逆过程。例子：前面的三个例子。例子：功转化为热的过程是不行逆的。此结论是不行以证明。它是一个定律(热力学其次定 律)4分析：5例子：热量由高温物体传到低温物体的过程是不行逆的。此结论不行以证明，它也是一个定律(热力学其次定 律)例子：

4、自由膨胀过程是不行逆的。此结论不行以证明，它是热力学其次定律。分析：压缩使系统复原。其他影响：功转化为热。例子：扩散过程是不行逆的。此结论不行以证明，它是热力学其次定律。结论：和热现象有关的全部的、实际的、宏观的过程都是不行逆的。和热现象有关的可逆过程(志向的过程)：无耗散的准静态过程是可逆过程。等温传热是可逆过程，不等温传热是不行逆过程。64.2 功和热量功和热量1 功的定义功的定义定义：在力学相互作用过程中系统和外界交换的定义：在力学相互作用过程中系统和外界交换的能量。能量。要点：要点：1）力学相互作用，指系统和外界的相互作用或）力学相互作用，指系统和外界的相互作用或者是电磁的或者是机械的

5、。者是电磁的或者是机械的。-不是传热的。不是传热的。功的显著特点：给系统做功，系统一般会有宏观功的显著特点：给系统做功，系统一般会有宏观位移或者变形发生位移或者变形发生(广义位移广义位移)。或者给系统做。或者给系统做功，系统一般有广义位移。功，系统一般有广义位移。例子：压缩气体做功，气体体积变更例子：压缩气体做功，气体体积变更-广义位移。广义位移。例子：重力给物体做功，物体位置变更例子：重力给物体做功，物体位置变更-广义位广义位移。移。例子：拉弹簧做功，弹簧发生形变例子：拉弹簧做功，弹簧发生形变-广义位移。广义位移。72)功是一个过程量。不能说系统的一个平衡态具有多少功。3)功的符号定义：外界

6、给系统做功为正功；系统给外界做功为负功。4）系统经验的准静态过程时，功才可以计算。非静态过程的功，我们一般计算不出来，只能是试验测量。82 2 体积变更功体积变更功隐含：准静态过程隐含：准静态过程!包含外部量包含外部量准静态过程：准静态过程：外界给系统做的元功：外界给系统做的元功：评论：评论：1)1)中的量中的量都是系统的状态量。是很方都是系统的状态量。是很方便的。便的。2 2）随意形态系统的元功）随意形态系统的元功也可以表示为这样的形式。也可以表示为这样的形式。93）有限过程的体积变更功，4）功的在PV图中的意义。PV图上的一点代表：平衡态PV图上的随意一条曲线代表：准静态过程。非静态过程、

7、非平衡态能否在PV图上表示？循环过程的功在PV图上的意义？103 3 志向气体在几个特殊过程中功的计算志向气体在几个特殊过程中功的计算（1 1）等温过程。隐含）等温过程。隐含(准静态过程准静态过程)温度为温度为T T的的 摩尔志向气体，体积由摩尔志向气体，体积由 的等的等温过程。计算外界给系统的功。温过程。计算外界给系统的功。（2 2）等压过程。）等压过程。（3 3）等容过程。）等容过程。114 4 其他形式的功其他形式的功A 弹性棒系统的元功B 表面系统的元功表面张力系数:对一个表面而言单位长度上一部分给另外一部分的力.C 功的一般表达形式广延量:和系统的质量或者摩尔数成正比的量。强度量：和

8、系统的质量或者摩尔数无关的量。12例子：压强、温度、体积、摩尔数、内能、表面张力系数、弹簧的倔强系数。各是什么量5 功的意义 功是反应系统物性的量。可以说功和物态方程在某种程度上是等价的。6 热量系统和外界在非功过程交换的能量，称为热量留意：1）热量过程量。2）系统和外界必需有温度差，才能交换热量。3）系统和外界交换能量的方式只有两种：功，热量。4.3 热力学第确定律本质：能量转化和守恒定律在热学系统的表现。1 历史13 焦耳焦耳(1818-1889),(1818-1889),英国。热功当量14迈尔迈尔,德国德国(1814-1878).(1814-1878).医生，物理学家医生，物理学家 迈尔

9、曾是一位随船医生，在一次驶往迈尔曾是一位随船医生，在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，发觉热带地区血的颜色比温带地区的簇新红亮。发觉热带地区血的颜色比温带地区的簇新红亮。食物中含有的化学能，可转化为热能，食物中含有的化学能，可转化为热能，在热带状况下，机体中燃烧过程减慢，在热带状况下，机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的氧。因而留下了较多的氧。氧合血红蛋白为红色，脱氧血红蛋白为紫红色氧合血红蛋白为红色，脱氧血红蛋白为紫红色论有机体的运动与物质代谢关系论有机体的运动与物质代谢关系18451845 植物吸取了太阳能，把它转化为化学能。动物摄

10、取植物吸取了太阳能，把它转化为化学能。动物摄取植物，通过氧化把化学能转化为热和机械能。植物，通过氧化把化学能转化为热和机械能。15亥姆霍兹亥姆霍兹 德国 物理学家（18211894）力之守恒化学、力学、电磁学、热学162 2 内能内能内能：在热学参考系下，全部分子的无规则运动的能量内能：在热学参考系下，全部分子的无规则运动的能量之和。之和。热学参考系：使系统宏观静止的参考系热学参考系：使系统宏观静止的参考系关于能量，有两点值得强调：关于能量，有两点值得强调：（1 1）能量的确定值没有意义，能量的相对值才是有用）能量的确定值没有意义，能量的相对值才是有用的物理量。例如：系统的动能总是相对于一个特

11、定的参的物理量。例如：系统的动能总是相对于一个特定的参考系（或者坐标系）而言。考系（或者坐标系）而言。例如：某点的势能是没有意义的，两点的势能差才有例如：某点的势能是没有意义的，两点的势能差才有意义。意义。（2 2）对于一个系统，一般只考虑它可以被运用的能量。）对于一个系统，一般只考虑它可以被运用的能量。对于热学系统，只探讨在热学过程可以被运用的能量。对于热学系统，只探讨在热学过程可以被运用的能量。而不能被运而不能被运用的能量，在过程中保持为常数，因此可以省略。用的能量，在过程中保持为常数，因此可以省略。内能具体包含哪些能量内能具体包含哪些能量-普遍普遍 分子的动能分子的动能(包括平动、转动、

12、振动包括平动、转动、振动)+分子内部的振动势能分子内部的振动势能 +分子间的势能分子间的势能17-原子核内的能量，不能被运用，省略。-系统整体运动的能量，不是内能，解除。(系统的整体平动、转动的动能)-对于志向气体，分子间势能在任何过程中始终保持为常数，可以省略。例子：单原子分子志向气体的内能。每个分子的动能之和。-热学坐标系。例子：刚性双(多)原子分子志向气体的内能。每个分子的平动动能之和，每个分子的转动动能之和。例子：非刚性双(多)原子分子志向气体的内能。每个分子的平动动能之和，每个分子的转动动能之和。每个分子的振动动能之和，每个分子的振动势能之和。例子：前面的例子都为非志向气体时。都要包

13、含分子间的势能之和。18总结：系统的内能=系统的总能量-系统整体运动的能量(-过程中不能用到的能量(在过程中保持为常数的能量)。内能不是一种新的能量形式。一般物理中涉及的能量只有两种：动能和势能。内能只是热学系统分子的动能和势能之和而已。19内能的另外一种引入方式绝热过程外界给系统作的功与具体的绝热过程无关。而只与系统的初末态有关。必定可以引入一个状态函数类比：重力做功和路径(过程)无关。只与物体的初末位置有关。20必定可以引入态函数(重力势能)内能概念要点：1）态函数，或者状态量。问题：从绝热过程引入了内能的概念，那么内能的存在和绝热过程有关吗？2）只定义了内能的相对值。3）我们从数量上去定

14、义能量，而不是从本质上去定义。根源于我们对能量概念的一些困惑、争议。何为能量？21试答：能量是物质的一种性质、属性。分析：1电子烟灭之后，光子产生之前，是否有能量？是否有物质？什么物质？2 宇宙起源于一次大爆炸。爆炸之前，如没有物质，那么有能量否？爆炸之前，如有物质，那么是什么物质？爆炸之前，如有寻常物质，那么还爆炸做什么？223 3 热力学第确定律热力学第确定律1 1）外界和系统交换能量有两种方式）外界和系统交换能量有两种方式2 2）那么系统由状态）那么系统由状态1 1经过任何过程变更到状态经过任何过程变更到状态2 23 3）热一的意义、要点。）热一的意义、要点。A A 能量转化和守恒定律在

15、热学系统的运用。能量转化和守恒定律在热学系统的运用。B B 外界给系统作工为正，外界给系统传热为正。外界给系统作工为正，外界给系统传热为正。C C ，是过程量。是过程量。U U是状态量。是状态量。D D 第一类永动机不行能实现。第一类永动机不行能实现。不给机器输入能量，而机器可以源源不断地给外界作不给机器输入能量，而机器可以源源不断地给外界作工。工。问题：一般而言作工的机器的特点？问题：一般而言作工的机器的特点？23 循环过程E 热确定律适用于任何过程。4.4 热容量与焓1 等容热容量24意义：1）。是把V看成常数，U对T求导数。2）。对于等容过程：物体在等容过程吸取的热量等于物体内能的增加。

16、2 定压热容量1）定义焓：要点：a）H是状态量，或者态函数。b)H的量纲是能量。c）H是广延量。d)态函数的随意函数是态函数2）定压热容量25由热确定律得：意义：1）。是把P看成常数，H对T求导数。2）。对于等压过程：26等压过程吸取的热量系统焓的增加。例子：1个大气压下，100度的水和水蒸汽的单位质量的焓分别为419.06 和2676.3 。计算此时水的汽化热。4.5 第确定律对气体的运用1 一般气体的内能。内能热运动动能(T)+分子内部的振动势能(T)分子间的势能(V)。2 志向气体的内能 a）一般理解志向气体 忽视分子间的作用力，无分子间势能27b）焦耳定律志向气体的自由膨胀过程：试验测

17、量结果：试验分析：试验结论：志向气体的内能和V无关，只是T的函数。定义志向气体：满足 。满足道尔顿分压定律。满足阿伏加德罗定律。满足焦耳定律的气体。283 3 热确定律对志向气体的运用热确定律对志向气体的运用A A 等容热容量与内能等容热容量与内能 理气理气 理气理气B B 等压热容量与焓等压热容量与焓 理气理气29同理：理气C 志向气体的迈耶公式：304 4 志向气体的几个特殊过程的特点志向气体的几个特殊过程的特点(1)(1)等体过程等体过程 等体特点等体特点 理气理气 定义：定义：（2 2）等压过程：）等压过程：等压特点：等压特点：定义定义 理气：理气：31（3 3）等温过程等温过程等温等

18、温 理气：理气：等温等温 理气理气（4 4）志向气体的准静态绝热过程）志向气体的准静态绝热过程A A 物态方程物态方程B B 志向气体准静态绝热过程的特点志向气体准静态绝热过程的特点 普适普适 理气理气 绝热绝热 准静态过程准静态过程32理气：不定积分 得 33设 那么 理气在绝热过程满足的方程。因为C 志向气体等温过程和绝热过程在PV图上的表示。等温过程准静态绝热过程 34问题：假设图中1条曲线是等温，另一条是绝热过程，问哪条是等温，哪条是绝热。解决：等温线的斜率：绝热线的斜率：35D D 准静态绝热过程温度的变更准静态绝热过程温度的变更(1(1）理气）理气 结论：结论：膨胀膨胀 压缩压缩（

19、2 2）一般气体）一般气体 不具有上边的性质不具有上边的性质 普适普适 绝热绝热理气：理气：非理气：非理气：36（5 5）志向气体的多方过程）志向气体的多方过程A A 定义：志向气体满足定义：志向气体满足 的过程称为的过程称为多方过程。多方过程。探讨探讨 m=1 m=1 等温；等温；m=0 m=0 等压；等压；m=m=无穷大无穷大 等容；等容；绝热。绝热。问题：求志向气体在多方过程的热容量。问题：求志向气体在多方过程的热容量。普适普适 理气理气 准静态过程准静态过程 37整理得探讨：a），；b）c)m=1,;d)，多方负热容过程。？为何如此 吸热 降温 放热 升温 38例子 恒星演化 幼年恒星

20、，收缩 势能降低势能 放出热量热运动动能增加（）例子：见书 4.7。志向气体经验的过程。(1)当系统体积扩大一倍时，系统对外作工多少？(2)该过程的热容量？解：（1）（2）39理气 准静态理气 特定过程40小节小节6 6 热机热机1 1 热机的特点热机的特点定义：源源不断地把热能转化为功的机器，称为热机。蒸汽机41蒸汽机42 内燃机431）构成热机的要素和热机热学性质的表现 a 作工装置 b 工作物质 c 热源(2个以上的热源)机器工作的特点：循环过程。探讨方法1：机械如何构成(工程师的工作)探讨方法2：机器的热学性质(我们所关切的)问题：什么反应了热机的热学性质？回答：工作物质的循环过程反应

21、热机的热学性质。那么工作物质的循环过程就代表了整个热机。2)热机的工作原理44工作物质：志向气体循环过程：A B C D A。假设：AB等温过程 温度 T1；CD等温过程 温度T2;BC和DA是绝热过程。热源：AB 和 CD过程，系统要和外界交换热量。那么必定要和外界热源接触。每一个等温线就表示系统要和一个热源接触。具体探讨此循环过程：(1)AB过程 结论：此过程系统要从外界热源吸取热量45(2)CD过程结论：此过程系统要给外界传热 。(3)ABCDA循环过程 就是ABCDA循环曲线围的面积结论：此循环过程，从高温热源T1吸取热量 ，把此热量一部分转化为功 ，另外一部分在低温热源T2放出 。所

22、以ABCDA循环代表一个热机。结论:PV图上，随意的一个顺时针循环过程都代表一个热机。46例子：右图留意：此循环过程有无穷多个热源。2 热机的效率热机把热能转化为功的实力。对于只有2个热源的热机定义：对于一个循环而言探讨：a 越小，热机效率越高。问题：热机效率能否等于1？分析：假如效率等于1，那么 。也就是热源T2等效于没有。那么此循环过程只有1个热源T1。这恒久也不行能。b 对于有多个热源的循环。47定义：其中 是指在全部高温热源吸取的热量之和 是指在全部低温热源放出的热量之和3 卡诺热机卡诺（17961832年）法国军事工程师、物理学家卡诺循环：由两个绝热过程和两个等温过程组成的循环。计算

23、卡诺循环的效率：12过程 48(2)34过程(3)效率(4)绝热过程 41过程：23过程：49提高热机效率的手段：a 提高高温热源温度；b降低低温热源温度；c削减摩擦；d削减漏热。例子：已知志向气体经验如图所示的循环过程，试计算该过程的效率。分析：知道 和 就可以计算效率。解：23过程，吸热过程 41过程，放热过程 效率：12过程，绝热 34过程，绝热50那么：例子：已知志向气体经验如图所示的循环过程，试计算该过程的效率。绝热容积压缩比定压容积压缩比分析：知道 和 就可以计算效率。解：23过程，吸热?41过程，放热？51效率：12过程，绝热 34过程，绝热23过程，等压 524 4 制冷机制冷

24、机1 1）工作原理工作原理 A DC A DC 等温过程等温过程 ，吸热，吸热B BAB BA等温过程，放热等温过程，放热C DCBADC DCBAD循环过程循环过程结论：此循环过程从低温热源结论：此循环过程从低温热源T2T2，吸取热量，吸取热量 ，外，外界给系统作工界给系统作工 ，在把它们全部转化为热量在高，在把它们全部转化为热量在高温热源温热源T1T1放出。放出。推广：推广：PVPV图上随意的逆时针循环图上随意的逆时针循环都是制冷机都是制冷机2)2)制冷系数制冷系数 53定义：3)可逆卡诺制冷机的制冷系数：a BA过程：b DC过程：54制冷系数：AD绝热 CB绝热可逆热机：无耗散的准静态

25、的顺时针可逆循环。可逆制冷机：无耗散的准静态的逆时针可逆循环。55小节小节7 7 焦耳焦耳-汤姆孙效应汤姆孙效应 此效应是获得低温的一种重要手段。此效应是获得低温的一种重要手段。1 1 回顾获得低温的一些手段：回顾获得低温的一些手段：a a 和更低温度的物体接触，热传递；和更低温度的物体接触，热传递；b b 制冷机；制冷机；c c志向气体准静态绝热膨胀；志向气体准静态绝热膨胀；d d汽化，液化，相汽化，液化，相变；变；e e节流过程。节流过程。2 2 节流过程节流过程1)1)概念概念绝热条件下，气体通过多空塞绝热条件下，气体通过多空塞由高压端流向低压端的过程。由高压端流向低压端的过程。节流过程

26、。节流过程。2)2)节流过程的特点节流过程的特点56初态 P1,V1,T1,U1末态 P2,V2,T2,U2运用热确定律结论:节流过程的初态和末态的焓相等。问题:节流过程是准静态过程吗？问题:节流过程是可逆过程吗？问题：节流过程是等焓过程吗？573）探讨的重点：节流过程前后温度的变更。焦耳-汤姆孙系数 降温，节流制冷效应，正节流效应。升温；温度不变4）探讨的手段，试验。首先确定左边气体的压强 和温度 然后，变更右边的压强 且测量右边的温度 再变更右边的压强 接着。另外1组试验 初态58TP 图初态1定的一组试验 形成的曲线是等焓曲线。各段的节流效果如何？全部各组试验得到的信息：节流制冷区域节流

27、致温区域转换曲线3 探讨志向气体通过节流过程温度会发生什么变更？59结论：志向气体在节流过程后，温度不变。4 节流过程在制冷中的运用A 蒸汽压缩式制冷机(冰箱、空调)60思索题：思索题：1 可逆过程必需满足哪两个条件？可逆过程必需满足哪两个条件？2 能否说系统含有热量，系统含有功？能否说系统含有热量，系统含有功？3 广延量乘强度量广延量乘强度量=？广延量乘广延量？广延量乘广延量=？强度量乘强度量强度量乘强度量=？广延量除广延量？广延量除广延量=？节流过程在节流过程在TP图上画的是等焓线，等焓线上的图上画的是等焓线，等焓线上的点是平衡态的集合，那么节流过程是可逆过程。点是平衡态的集合，那么节流过

28、程是可逆过程。对否？对否？计算系统从计算系统从1态变更为态变更为2态的热量：态的热量：系统和外界无功、热量、粒子交换。那么系统系统和外界无功、热量、粒子交换。那么系统发生的任何过程都是等内能、等焓的。对否？发生的任何过程都是等内能、等焓的。对否？等压下搅拌绝热容器中的液体，使其升温，该等压下搅拌绝热容器中的液体，使其升温，该过程没有从外界吸热，所以是等焓的。对否？过程没有从外界吸热，所以是等焓的。对否？8 任何可逆热机的效率都可以表示为：任何可逆热机的效率都可以表示为：619 系统经过一个正循环后，系统本身没有变更；系统经过一个正循环后，系统没有变更，外界也没变更；系统经过一个正循环，再沿相反方向经过一个逆循环，系统和外界都没任何变更。62