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1、第三章热力学的基本知识教学用第1页，本讲稿共99页 热学是以研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影热学是以研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响，以及与物质其他运动形态之间的转化规律为任务的。响，以及与物质其他运动形态之间的转化规律为任务的。按照研究方法的不同，热学可分为两门学科，即按照研究方法的不同，热学可分为两门学科，即热力学和热力学和分子物理学分子物理学。热力学是研究物质热运动的宏观理论。它从基本实热力学是研究物质热运动的宏观理论。它从基本实验定律出发，通过逻辑推理和数学演绎，找出物质各种验定律出发，通过逻辑推理和数学演绎，找出物质各种宏观性质的关系，得出宏观过程进行的方向及过程的性宏
2、观性质的关系，得出宏观过程进行的方向及过程的性质等方面的结论。它具有高度的普适性与可靠性。但因质等方面的结论。它具有高度的普适性与可靠性。但因不涉及物质的微观结构，而将物质视为连续体，故不能不涉及物质的微观结构，而将物质视为连续体，故不能解释物质宏观性质的涨落解释物质宏观性质的涨落.所谓所谓热运动热运动即组成宏观物体的大量微观粒子的一种即组成宏观物体的大量微观粒子的一种永不停息的无规则运动。永不停息的无规则运动。第2页，本讲稿共99页 分子物理学是研究物质热运动的微观理论。它从物质由分子物理学是研究物质热运动的微观理论。它从物质由大量微观粒子组成这一基本事实出发，运用统计方法，把物大量微观粒子
3、组成这一基本事实出发，运用统计方法，把物质的宏观性质作为大量微观粒子热运动的统计平均结果，找质的宏观性质作为大量微观粒子热运动的统计平均结果，找出宏观量与微观量的关系，进而解释物质的宏观性质。在对出宏观量与微观量的关系，进而解释物质的宏观性质。在对物质微观模型进行简化假设后，应用统计物理可求出具体物物质微观模型进行简化假设后，应用统计物理可求出具体物质的特性；还可应用到比热力学更为广阔的领域，如解释涨质的特性；还可应用到比热力学更为广阔的领域，如解释涨落现象。落现象。在大学物理热学部分将介绍统计物理学的基本概念以在大学物理热学部分将介绍统计物理学的基本概念以及气体分子运动论的基本内容和作为热力
4、学物理基础的几个基及气体分子运动论的基本内容和作为热力学物理基础的几个基本定律。本定律。热力学和分子物理学的研究对象是相同的。它们从热力学和分子物理学的研究对象是相同的。它们从不同角度研究热运动，二者相辅相成，彼此联系又互相不同角度研究热运动，二者相辅相成，彼此联系又互相补充补充.第3页，本讲稿共99页一、理想气体的微观模型一、理想气体的微观模型 第一节第一节 理想气体的压强和能量理想气体的压强和能量对单个分子的力学性质的假设对单个分子的力学性质的假设分子可看作是质点分子可看作是质点分子作匀速直线运动分子作匀速直线运动碰撞是完全弹性碰撞碰撞是完全弹性碰撞对分子集体的统计假设对分子集体的统计假设
5、分子数密度处处相等；分子数密度处处相等；分子沿各个方向运动的几率均等分子沿各个方向运动的几率均等。第4页，本讲稿共99页二、理想气体压强公式二、理想气体压强公式1 1、压强的产生、压强的产生 单个分子碰撞器壁的作用力是不连续的、偶然的、不均匀单个分子碰撞器壁的作用力是不连续的、偶然的、不均匀的。从总的效果上来看，一个持续的平均作用力。的。从总的效果上来看，一个持续的平均作用力。单个分子单个分子多个分子多个分子平均效果平均效果密集雨点对雨密集雨点对雨伞的冲击力伞的冲击力大量气体分子对器壁持大量气体分子对器壁持续不断的碰撞产生压力续不断的碰撞产生压力气体分子气体分子器器壁壁第5页，本讲稿共99页x
6、yzA1A2vivixviyviz2 2、理想气体压强公式的简单推导、理想气体压强公式的简单推导单个分子对器壁的作用力单个分子对器壁的作用力边长为边长为x,y,z的长方形容器，其中含有的长方形容器，其中含有N个同类气体分子，每个分子质量均为个同类气体分子，每个分子质量均为m。单个分子的运动遵循牛顿力学的运动单个分子的运动遵循牛顿力学的运动定律，考虑第定律，考虑第i 个分子，速度个分子，速度它与器壁碰撞时受到器壁的作用力。它与器壁碰撞时受到器壁的作用力。在此力的作用下，在此力的作用下，i 分子在分子在x 轴上的轴上的动量由动量由mvix变为变为-mvix，x轴上的动量轴上的动量的增量为：的增量为
7、：第6页，本讲稿共99页所需的时间为所需的时间为2x/vix，在单位时间内，在单位时间内，i分子作用在分子作用在A1面的总冲量为面的总冲量为由牛顿第二定律知道由牛顿第二定律知道 i 分子对容器壁的作用力为分子对容器壁的作用力为大量分子对器壁的作用力大量分子对器壁的作用力压强压强第7页，本讲稿共99页利用统计平均的概念利用统计平均的概念平均值的定义平均值的定义等概率原理等概率原理：分子沿各个方向运动的机会均相等分子沿各个方向运动的机会均相等因为因为vvxvyvz第8页，本讲稿共99页所以所以理想气体的压强正比于气体分子的数密度和分子的平均平理想气体的压强正比于气体分子的数密度和分子的平均平动动能
8、；动动能；理想气体的压强公式理想气体的压强公式揭示了宏观量与微观量统计平均值之揭示了宏观量与微观量统计平均值之间的关系；间的关系；理想气体的压强公式理想气体的压强公式是力学原理与统计方法相结合得出的是力学原理与统计方法相结合得出的统计规律统计规律。分子平均动能分子平均动能第9页，本讲稿共99页描述系统整体特征和属性的物理量描述系统整体特征和属性的物理量。例如：气体质量、体积、压强、温度等。例如：气体质量、体积、压强、温度等。气体平衡态可用压强气体平衡态可用压强 P、体积、体积 V、温度、温度 T 描述，描述，P、V、T 称为气体的状态参量称为气体的状态参量。微观量：微观量：描述单个微观粒子运动
9、状态的物理量。描述单个微观粒子运动状态的物理量。例如：分子质量、位置、速度、动量、能量等。例如：分子质量、位置、速度、动量、能量等。宏观量：宏观量：附、宏观量与微观量附、宏观量与微观量第10页，本讲稿共99页设一个分子的质量为设一个分子的质量为m，质量为，质量为m的理想气体的分子数为的理想气体的分子数为N，1摩尔气体的质量为摩尔气体的质量为M，则，则m=Nm,M=NAm。代入理想气。代入理想气体的物态方程体的物态方程三、理想气体的能量公式三、理想气体的能量公式1、理想气体状态方程的分子形式、理想气体状态方程的分子形式分子数分子数密度密度k=R/NA=1.3810-23JK-1称为玻耳斯曼常量称
10、为玻耳斯曼常量（一）分子平均平动动能（一）分子平均平动动能第11页，本讲稿共99页2、理想气体分子的平均平动动能与温度的关系、理想气体分子的平均平动动能与温度的关系温度公式温度公式第12页，本讲稿共99页例例1、一容器内贮有氧气，压强为、一容器内贮有氧气，压强为P=1.013105Pa，温度，温度t=27，求（，求（1）单位体积内的分子数；（）单位体积内的分子数；（2）氧分子的质量；（）氧分子的质量；（3）分子的平均平动动能。分子的平均平动动能。解：解：（1）有有P=nkT（2）（3）第13页，本讲稿共99页 （二）（二）.自由度自由度 在力学中，在力学中，自由度自由度是指决定一个物体的空间位
11、置所需要是指决定一个物体的空间位置所需要的独立坐标数的独立坐标数.所谓独立坐标数是指描写物体位置所需的所谓独立坐标数是指描写物体位置所需的最少的坐最少的坐标数标数。自由度是描述物体运动自由程度的物理量。自由度是描述物体运动自由程度的物理量。第14页，本讲稿共99页例如：例如：轮船在海平面上行驶，要描轮船在海平面上行驶，要描写轮船的位置至少需要两维坐写轮船的位置至少需要两维坐标，则自由度为标，则自由度为 2。飞机在天空中飞翔，要描写飞机飞机在天空中飞翔，要描写飞机的空间位置至少需要三维坐标，则的空间位置至少需要三维坐标，则自由度为自由度为 3。但对于火车在轨道上行驶时自由但对于火车在轨道上行驶时
12、自由度是多少呢？度是多少呢？自由度是自由度是 1，由于受到轨道限制，由于受到轨道限制有一维坐标不独立。有一维坐标不独立。物体沿一维直线运动，最少只物体沿一维直线运动，最少只需一个坐标，则自由度数为需一个坐标，则自由度数为1。第15页，本讲稿共99页2.两个刚性质点两个刚性质点 描写其质心位置需描写其质心位置需3个平动自个平动自由度，由度，描写其绕描写其绕x、y轴转动需轴转动需2个转动自由个转动自由度，绕度，绕z轴的转动能量可不计，轴的转动能量可不计，总自由度数：总自由度数：1.一个质点一个质点 描写它的空间位置，需要描写它的空间位置，需要 3 个个平动自由度，平动自由度，3.三个或三个以上的刚
13、性质点三个或三个以上的刚性质点平动自由度平动自由度转动自由度转动自由度总自由度总自由度第16页，本讲稿共99页 对于理想气体在常温下，分子内各原子间的距离认对于理想气体在常温下，分子内各原子间的距离认为不变，只有平动自由度、转动自由度。为不变，只有平动自由度、转动自由度。2.2.气体分子自由度气体分子自由度1.单原子分子气体单原子分子气体例如：例如：He、Ne、Ar。其模型可用一个质点来代替。其模型可用一个质点来代替。平动自由度平动自由度转动自由度转动自由度总自由度总自由度2.双原子分子气体双原子分子气体例如：例如：氢气（氢气（H2）、氧气（）、氧气（O2）等为双原子分子气体。）等为双原子分子
14、气体。其模型可用两个刚性质点模型来代替。其模型可用两个刚性质点模型来代替。平动自由度平动自由度转动自由度转动自由度总自由度总自由度第17页，本讲稿共99页3.多原子分子气体多原子分子气体例如：例如：二氧化碳气体（二氧化碳气体（CO2）、水蒸气（）、水蒸气（H2O）、甲烷气）、甲烷气体（体（CH4）等为多原子分子气体。其模型可用多个刚性）等为多原子分子气体。其模型可用多个刚性质点来代替。质点来代替。平动自由度平动自由度转动自由度转动自由度总自由度总自由度3.3.分子动能按自由度均分的统计规律分子动能按自由度均分的统计规律每个平动自由度上分每个平动自由度上分配了一份配了一份kT/2的能量，的能量，
15、推广到转动等其它运动形式，得推广到转动等其它运动形式，得能量按自由度均分定理能量按自由度均分定理。在温度为在温度为T T的平衡态下，气体分子每个自的平衡态下，气体分子每个自由度的平均动能都相等，都等于由度的平均动能都相等，都等于 。第18页，本讲稿共99页平动动能平动动能转动动能转动动能使平动动能与转动动能达到相同，即每个自由度上也平使平动动能与转动动能达到相同，即每个自由度上也平均分配了均分配了kT/2能量。能量。由此可知，分子有由此可知，分子有 i 个自由度，其平均动能就有个自由度，其平均动能就有i 份份 kT/2 的能量的能量。分子平均总动能：分子平均总动能：由于分子的激烈碰撞（几亿次由
16、于分子的激烈碰撞（几亿次/秒），使平动动能与转动动秒），使平动动能与转动动能不断转换，能不断转换，说明：说明：1 1）该定理是统计规律，只适用于大量分子组成的系统。）该定理是统计规律，只适用于大量分子组成的系统。2 2）是由于大量分子无规则碰撞的结果。）是由于大量分子无规则碰撞的结果。能量按自由度均分原理：能量按自由度均分原理：在温度为在温度为T T的平衡态下，气的平衡态下，气体分子每个自由度的平均动能都相等，都于体分子每个自由度的平均动能都相等，都于 。第19页，本讲稿共99页（三）、能量按自由度均分原理（三）、能量按自由度均分原理分子平均平动动能：分子平均平动动能：且且在在 x 方向上平均
17、分配了方向上平均分配了 kT/2 的能量。的能量。同理：同理：在在x、y、z方向上均分配方向上均分配了一份了一份kT/2的能量，的能量，第20页，本讲稿共99页气体分子的能量气体分子的能量对于理想气体而言，分子间的作用力忽略不计，分子对于理想气体而言，分子间的作用力忽略不计，分子与分子间的势能为零。与分子间的势能为零。由于只考虑常温状态，分子内的原子间的距离可认为不变，由于只考虑常温状态，分子内的原子间的距离可认为不变，则分子内原子与原子间的势能也可不计。则分子内原子与原子间的势能也可不计。一个气体分子的能量为：一个气体分子的能量为：理想气体：理想气体：气体内能：所有气体分子的动能和势能的总和
18、。气体内能：所有气体分子的动能和势能的总和。理想气体内能：所有分子的动能总和。理想气体内能：所有分子的动能总和。1.一个分子的能量为一个分子的能量为:理想气体的内能理想气体的内能第21页，本讲稿共99页1.一个分子的能量为一个分子的能量为:2.1 mol气体分子的能量为气体分子的能量为:3.M 千千克气体的内能为：克气体的内能为：对于一定量的理对于一定量的理想气体，它的内想气体，它的内能只是温度的函能只是温度的函数而且与热力学数而且与热力学温度成正比。温度成正比。单原子分子气体单原子分子气体刚性双原子分子气体刚性双原子分子气体刚性多原子分子气体刚性多原子分子气体当温度变化当温度变化 T时时当温
19、度变化当温度变化dT时时思考：单位体积与单思考：单位体积与单位质量的内能又各为位质量的内能又各为多少？多少？第22页，本讲稿共99页四、道尔顿分压定律P=（n1+n2+nn)kT =P1+P2+pn第23页，本讲稿共99页 第二节 液体的表面现象第24页，本讲稿共99页第25页，本讲稿共99页树木为什么象抽水机一样，能将地下的水运送到树冠？第26页，本讲稿共99页 肥皂膜收缩把线拉成一个弧形 线被绷紧第27页，本讲稿共99页 一、表 面 张 力和表面能第28页，本讲稿共99页 液体和气体的分界处,液体表面分子受液体内部分子的引力作用,部分进入液体内部,使得表面层分子密度降低，间距增大,分子间相
20、互表现为引力这样就使得液体表面有一种收缩的趋势第29页，本讲稿共99页 液体表面有收缩到最小的趋势，这种使液体表面收缩的力称为表面张力。注:不仅在周界上有表面张力存在,而且在液面上的任何地方都有表面张力存在,否则液面将无法收缩第30页，本讲稿共99页fAfBAB表面张力的方向：与分界线垂直并与液体表面相切。表面张力大小：第31页，本讲稿共99页 液体的表面张力系数表面张力系数与液体的性质有关影响因素:温度 杂质温度升高时表面张力系数减小杂质:表面活性物质 使表面张力系数减小 表面非活性物质 使表面张力系数增大第32页，本讲稿共99页表面张力系数的测定L第33页，本讲稿共99页表面能L第34页，
21、本讲稿共99页得到表示增加单位表面积后所增加的表面能表示单位长度上的表面张力第35页，本讲稿共99页 打开阀门后,气体是从A到B,还是从B到A,或者是不发生流动?第36页，本讲稿共99页二、弯曲液面的附加压强第37页，本讲稿共99页球形液滴的附加压强以半滴液滴为研究对象,分析其受力情况 F1另半滴液滴所产生的压力 F2表面张力 F3外界气体产生的压力第38页，本讲稿共99页由于液滴处于稳定状态所以这三个力应平衡即因为所以即第39页，本讲稿共99页球形液滴附加压强第40页，本讲稿共99页附加压强指液体内外压强差液面为凸面时R取正，液面为凹面时R负第41页，本讲稿共99页球形液膜的附加压强第42页
22、，本讲稿共99页讨论:液膜半径R越大,附加压强越小,即液膜内部压强越小第43页，本讲稿共99页 打开阀门后,大泡越来越大,小泡越来越小,直至最后破灭第44页，本讲稿共99页（一）润湿与不润湿现象三、液体和固体接触处的表面现象第45页，本讲稿共99页液体与固体接触处的表面现象 附着层：和固体接触处的液体表面层。其厚度为分子力有效作用距离。附着层内的分子与液体内部的分子受力情况不同:内聚力:液体分子的吸引力 附着力:固体分子的吸引力第46页，本讲稿共99页 内聚力 附着力 液体与固体接触面有尽量缩小的趋势 不润湿现象 比如水银在玻璃上聚拢成液珠就是不润湿现象第47页，本讲稿共99页 附着力内聚力
23、附着层有伸展的趋势 润湿现象 比如水在玻璃上就是润湿现象第48页，本讲稿共99页通常用接触角来描述润湿和不润湿现象 接触角:在固体和液体接触处液体表面的切线(指向液体内部）与固体接触面之间的夹角 =0 完全润湿 0/2 润湿 /2 不润湿 =完全不润湿第49页，本讲稿共99页 （二）毛 细 现 象第50页，本讲稿共99页 将毛细管插入液体中，如果液体润湿管壁，液体在管中升高；如果液体不润湿管壁，则液体在管中下降。液体在润湿的毛细管中上升、在不润湿的毛细管中下降的现象，称为毛细现象。第51页，本讲稿共99页因为所以而所以又因为(r为毛细管内径)所以得到第52页，本讲稿共99页 公式说明：毛细管中
24、液面上升的高度与表面张力系数成正比，与毛细管的内径成反比，管径越细液面上升越高。因此可以利用此式来测量表面张力系数第53页，本讲稿共99页讨论：1.对于润湿管壁的液体，0，液面上升。2.对于不润湿管壁的液体，/2，所以h0，液面下降。第54页，本讲稿共99页毛细现象应用：植物靠着毛细现象输运养料和水分。利用棉花来吸水。外科手术中用的缝线是经过蜡处理的丝线。血液在毛细管中的流通。第55页，本讲稿共99页例题:将一毛细管插入水中，其末端在水面下10cm处。设在完全润湿条件下，水在管中可上升到比水面高4cm，试求将下端吹成一半球形气泡时,压强应比大气压高多少？分析：做出示意图第56页，本讲稿共99页
25、解:因为是完全润湿,所以接触角=0因此当把下端吹成半球气泡时又因为所以第57页，本讲稿共99页 液体在细管中流动时,如果管中有气泡,液体的流动将受到阻碍。气泡多时可发生阻塞，这种现象称为气体栓塞。（三）气 体 栓 塞第58页，本讲稿共99页p左 p右 pp(1)液柱不动p左p右p+pp(2)p,液柱不动 第59页，本讲稿共99页pp+p+2p+3(3)p=,液柱开始移动 因此,如果没有足够的压强差,液体将难以流动，形成气体栓塞。第60页，本讲稿共99页临床上要避免气体栓塞：静脉注射、输液、输血时要防止气泡进入；人员从高压环境中脱离时应有缓冲时间，避免血管中气泡形成；第61页，本讲稿共99页 小
26、 结表面张力 表面能球形液滴附加压强毛细现象第62页，本讲稿共99页内能内能 、热力学第一定律、热力学第一定律、理想气体的等体过程、等压过程、理想气体的等体过程、等压过程、摩尔热容摩尔热容第三节热力学第一定律第三节热力学第一定律第63页，本讲稿共99页热力学基础热力学基础热力学是研究热现象的宏观理论热力学是研究热现象的宏观理论根据实验总结出来的热根据实验总结出来的热力学定律，用严密的逻辑推理的方法，研究宏观物体的热力力学定律，用严密的逻辑推理的方法，研究宏观物体的热力学性质。学性质。热力学不涉及物质的微观结构，它的主要理论基础是热力学热力学不涉及物质的微观结构，它的主要理论基础是热力学定律。定
27、律。本章的内容是热力学第一定律和热力学第二定律。本章的内容是热力学第一定律和热力学第二定律。第64页，本讲稿共99页一、热力学系统、内能、热量和功一、热力学系统、内能、热量和功一、气体物态参量一、气体物态参量1、系统与外界、系统与外界热力学系统（简称系统）热力学系统（简称系统）在热力学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子在热力学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的物体或物体系称为组成的物体或物体系称为热力学系统热力学系统。系统的外界（简称外界）系统的外界（简称外界）能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体，能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体，称为称为外界外界。第65
28、页，本讲稿共99页2、气体的物态参量、气体的物态参量把用来描述系统宏观状态的物理量称为把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量状态参量。气体的宏观状态可以用气体的宏观状态可以用V、P、T 描述描述体积体积V 几何参量几何参量压强压强p力学参量力学参量温度温度T热力学参量热力学参量3、说明、说明气体的气体的p、V、T 是描述大量分子热运动集体特征的物理量，是是描述大量分子热运动集体特征的物理量，是宏宏观量观量，而气体分子的质量、速度等是描述个别分子运动的物理，而气体分子的质量、速度等是描述个别分子运动的物理量，是量，是微观量微观量。第66页，本讲稿共99页二、二、p、V、T 的单位的单位1、气
29、体的体积、气体的体积V气体的体积气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。对于密闭容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。对于密闭容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。单位：单位：m32、压强、压强p压强压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。上单位面积所受到的正压力。p=F/S单位：单位：1Pa=1N.m-2标准大气压标准大气压 1atm=76cm.Hg=1.013105Pa3、温度、温度T温度的高低反映分子热运动激温度的高低反映分子热运动激烈程度。烈程度。
30、(1)热力学温标热力学温标T，单位：，单位：K(2)摄氏温标摄氏温标t，单位：，单位：0C00C水的三相点温度水的三相点温度1000C水的沸腾点温度水的沸腾点温度(3)华氏温标华氏温标F，单位单位0F320F 水的三相点温度水的三相点温度2120F水的沸腾点温度水的沸腾点温度关系：关系：T=273.15+tF=9t/5+32第67页，本讲稿共99页三、理想气体的物态方程三、理想气体的物态方程1、物态方程、物态方程在在p、V、T 三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一个状态参量是其它两个状态参量的函数，如个状态参量是其它两个状态参量的函数，如 T=T
31、(P,V)一定量气体处于平衡态时的物态方程一定量气体处于平衡态时的物态方程2、理想气体的定义、理想气体的定义在温度不太低在温度不太低(与室温相比与室温相比)和压强不太大和压强不太大(与大气压相比与大气压相比)时，时，有三条实验定律有三条实验定律Boyle-Mariotte定律定律 等温过程中等温过程中 pV=const Gay-Lussac定律定律 等体过程中等体过程中 p/T=const Charles定律定律 等压过程中等压过程中 V/T=const Avogadro定律：定律：在同样的温度和压强下，相同体积的气体含在同样的温度和压强下，相同体积的气体含有相同数量的分子。在标准状态下，有相
32、同数量的分子。在标准状态下，1摩尔任何气体所占有的摩尔任何气体所占有的体积为体积为22.4升。升。理想气体的定义：理想气体的定义：在任何情况下都遵守上述三个实验定律和在任何情况下都遵守上述三个实验定律和Avogadro定律的气体称为定律的气体称为理想气体理想气体。第68页，本讲稿共99页3、理想气体的物态方程、理想气体的物态方程形式形式1m气体质量气体质量M 气体摩尔质量气体摩尔质量R=8.31Jmol-1K-1摩尔气体常量摩尔气体常量形式形式2第69页，本讲稿共99页四、内能四、内能热力学系统的能量取决于系统的状热力学系统的能量取决于系统的状态态内能内能。说明说明1、理想气体的内能仅是温度的
33、、理想气体的内能仅是温度的函数函数2、热力学系统内能的变化是通、热力学系统内能的变化是通过系统与外界交换热量或外界对过系统与外界交换热量或外界对系统作功来实现的系统作功来实现的3、系统内能的增量只与系统起、系统内能的增量只与系统起始与终了位置有关，而与系统所始与终了位置有关，而与系统所经历的过程无关经历的过程无关第70页，本讲稿共99页五、五、热量热量1、例子、例子外界向系统传递热量，系统内能增大：加热水外界向系统传递热量，系统内能增大：加热水系统向外界传递热量，系统内能减小。系统向外界传递热量，系统内能减小。2、定义、定义系统与外界之间由于存在系统与外界之间由于存在温度差温度差而传递的能量叫
34、做而传递的能量叫做热量热量。3、本质、本质外界与系统相互交换热量。分子热运动外界与系统相互交换热量。分子热运动分子热运动分子热运动说明说明热量传递的多少与其传递的方式有关热量传递的多少与其传递的方式有关热量的单位：热量的单位：焦耳焦耳第71页，本讲稿共99页六、六、功功当气体作无摩擦的准静态膨胀或压缩时，当气体作无摩擦的准静态膨胀或压缩时，为了维持气体的平衡态，外界的压强必然为了维持气体的平衡态，外界的压强必然等于气体的压强。等于气体的压强。系统对外界所作的系统对外界所作的功等于功等于pVpV 图上过图上过程曲线下面的面积程曲线下面的面积说明说明系统所作的功与系统的始末状态有关，而系统所作的功
35、与系统的始末状态有关，而且还与路径有关，是一个过程量。且还与路径有关，是一个过程量。气体膨胀时，系统对外界作功气体膨胀时，系统对外界作功 气体压缩时，外界对系统作功气体压缩时，外界对系统作功作功是改变系统内能的一种方法作功是改变系统内能的一种方法本质：通过宏观位移来完成的：机械运动本质：通过宏观位移来完成的：机械运动分子热运动分子热运动VOPdVV1V2第72页，本讲稿共99页二、二、热力学第一定律热力学第一定律第73页，本讲稿共99页（一）、热力学第一定律（一）、热力学第一定律1、内容、内容系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分
36、使系统对外界作功一部分使系统对外界作功2、本质、本质热力学第一定律是包括热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒定律热现象在内的能量守恒定律，对，对任何物质的任何过程都成立。任何物质的任何过程都成立。对于微小过程对于微小过程第74页，本讲稿共99页3、说明、说明符号规定：符号规定：热量热量Q：正号正号系统从外界吸收热量系统从外界吸收热量负号负号系统向外界放出热量系统向外界放出热量功功 W：正号正号系统对外界作功系统对外界作功负号负号外界对系统作功外界对系统作功内能内能E：正号：正号系统能量增加系统能量增加负号负号系统能量减小系统能量减小计算中，各物理量的单位是相同的，在计算中，各物理量的单位是
37、相同的，在SI制中为制中为J三、热力学第一定律的另一种表述三、热力学第一定律的另一种表述1、第一类永动机、第一类永动机不需要外界提供能量，也不需要消耗系统不需要外界提供能量，也不需要消耗系统的内能，但可以对外界作功。的内能，但可以对外界作功。2、热力学第一定律的另一种表述、热力学第一定律的另一种表述第一类永动机是不可能造成的第一类永动机是不可能造成的。第一类永动机第一类永动机违反了能量守违反了能量守恒定律，因而恒定律，因而是不可能实现是不可能实现的的第75页，本讲稿共99页（二）（二）准静态过程准静态过程1、热力学过程、热力学过程当系统的状态随时间变化时，当系统的状态随时间变化时，我们就说系统
38、在经历一个我们就说系统在经历一个热力热力学过程学过程，简称，简称过程过程。推进活塞压缩汽缸内推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体的气体时，气体的体积、密度、温度或压积、密度、温度或压强都将变化强都将变化2、非静态过程、非静态过程在热力学过程的发生时，在热力学过程的发生时，系统往往由一个平衡状系统往往由一个平衡状态经过一系列状态变化态经过一系列状态变化后到达另一平衡态。如后到达另一平衡态。如果中间状态为非平衡态，果中间状态为非平衡态，则此过程称则此过程称非静态过程非静态过程。为从平衡态破坏到新平为从平衡态破坏到新平衡态建立所需的时间称衡态建立所需的时间称为为弛豫时间弛豫时间。第76页，本讲稿共9
39、9页3、准静态过程、准静态过程如果一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历的之如果一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历的之中间状态，可以近似当作平衡态，则此过程为中间状态，可以近似当作平衡态，则此过程为准静态过程准静态过程。准静态过程只有在进行的准静态过程只有在进行的“无限缓慢无限缓慢”的条件下才可能的条件下才可能实现。实现。对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。说明：说明：系统的准静态变化过程系统的准静态变化过程可用可用pV pV 图上的一条曲线图上的一条
40、曲线表示，称之为表示，称之为过程曲线过程曲线。第77页，本讲稿共99页三、热力学第一定律对理三、热力学第一定律对理想气体的应用想气体的应用第78页，本讲稿共99页特点：特点：理想气体的体积保持不变，理想气体的体积保持不变，V=const过程曲线：过程曲线：在在PV图上是一条平行于图上是一条平行于p 轴的直线，轴的直线，叫叫等体线等体线。内能、功和热量的变化内能、功和热量的变化特征：特征：系统对外界不作功，系系统对外界不作功，系统吸收的热量全部用来统吸收的热量全部用来增加系统的内能。增加系统的内能。过程方程：过程方程：（一）等体过程（一）等体过程第79页，本讲稿共99页2、定体摩尔热容、定体摩尔
41、热容定义定义1mol理想气体在等体过程中，温度升高理想气体在等体过程中，温度升高1K时所时所吸收的热量，称为该物质的吸收的热量，称为该物质的定体摩尔热容定体摩尔热容。等体过程的热量公式等体过程的热量公式系统吸收热量系统吸收热量系统放出热量系统放出热量气体内能的增量气体内能的增量第80页，本讲稿共99页特点：特点：理想气体的压强保持不变，理想气体的压强保持不变，p=const过程曲线：过程曲线：在在PV 图上是一条平行于图上是一条平行于V 轴的直线，轴的直线，叫叫等压线等压线。内能、功和热量的变化内能、功和热量的变化特征：特征：系统吸收的热量一部分系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，用来增加
42、系统的内能，另一部分使系统对外界另一部分使系统对外界作功。作功。过程方程：过程方程：（二）等压过程（二）等压过程第81页，本讲稿共99页2、定压摩尔热容、定压摩尔热容定义定义1mol理想气体在等压过程中，温度升高理想气体在等压过程中，温度升高1K时所时所吸收的热量，称为该物质的吸收的热量，称为该物质的定压摩尔热容定压摩尔热容。等压过程的热量公式等压过程的热量公式系统吸收热量系统吸收热量系统放出热量系统放出热量气体内能的增量气体内能的增量第82页，本讲稿共99页3、关于摩尔热容的讨论、关于摩尔热容的讨论Mayer公式公式推导推导理想气体的定压摩尔热容比定体摩尔热容大一个恒量理想气体的定压摩尔热容
43、比定体摩尔热容大一个恒量R在等体过程中，气体吸收的热量全部用来增加系统的内能在等体过程中，气体吸收的热量全部用来增加系统的内能等压过程中，气体吸收的热量，一部分用来增加系统的内能，等压过程中，气体吸收的热量，一部分用来增加系统的内能，还有一部分用于气体膨胀时对外界作功还有一部分用于气体膨胀时对外界作功气体升高相同的温度，在等压过程吸收的热量要比在等温过气体升高相同的温度，在等压过程吸收的热量要比在等温过程中吸收的热量多。程中吸收的热量多。第83页，本讲稿共99页摩尔热容比摩尔热容比气体气体理论值理论值实验值实验值CV,mCP,mCV,mCP,mHe12.4720.781.6712.6120.9
44、51.66Ne12.5320.901.67H220.7820.091.4020.4728.831.41N220.5628.881.40O221.1629.611.40H2O24.9333.241.3327.836.21.31CH427.235.21.30CHCl363.772.01.13第84页，本讲稿共99页三、比热容三、比热容1、热容：、热容：使物质温度升高使物质温度升高1K所需要的热量称为该物质的所需要的热量称为该物质的热容热容。2、比热容：、比热容：单位质量的热容称为单位质量的热容称为比热容比热容。第85页，本讲稿共99页特点：特点：理想气体的温度保持不变，理想气体的温度保持不变，T=
45、const过程曲线：过程曲线：在在PV图上是一条双曲线，叫图上是一条双曲线，叫等温线等温线。过程方程：过程方程：pV内能、功和热量的变化内能、功和热量的变化系统从外界系统从外界吸收的热量，吸收的热量，全部用来对全部用来对外作功。外作功。（三）等温过程（三）等温过程第86页，本讲稿共99页特点：特点：系统与外界没有热量交换的过程，系统与外界没有热量交换的过程，Q=0。内能和功的变化内能和功的变化特征：特征：在绝热过程中，系统对外界所作的功是由于系统内能在绝热过程中，系统对外界所作的功是由于系统内能的减少来完成的。的减少来完成的。（四）绝热过程（四）绝热过程第87页，本讲稿共99页2、绝热方程、绝
46、热方程推导：对绝热过程，由热力学第一定律推导：对绝热过程，由热力学第一定律对于理想气体对于理想气体考虑考虑将上式与理想气体的状将上式与理想气体的状态方程结合即可得另外态方程结合即可得另外两式。两式。第88页，本讲稿共99页绝热过程计算功的方法绝热过程计算功的方法将绝热方程将绝热方程 代入代入 得得第89页，本讲稿共99页绝热线和等温线绝热线和等温线绝热线绝热线等温线等温线斜率斜率斜率斜率因为因为 =CP,m/CV,m 1，所以所以绝热线比等温线更绝热线比等温线更陡陡第90页，本讲稿共99页热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循
47、的规律，但并未限定过程进行的方向。中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。观察与实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过观察与实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，或者说是有方向性的。程都是不可逆的，或者说是有方向性的。对这类问题的解释需要一个独立于热力学第一定律的新对这类问题的解释需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即的自然规律，即热力学第二定律热力学第二定律。四、热力学第二定律四、热力学第二定律第91页，本讲稿共99页（一）可逆过程和不可逆过程（一）可逆过程和不可逆过程1、引入：、引入：热传递：热传递：正过程正过程热量从高温物体热量从高温物体低温物体，成立
48、低温物体，成立逆过程逆过程热量从低温物体热量从低温物体高温物体，不成立高温物体，不成立热功转换：热功转换：正过程正过程功功热量，成立热量，成立逆过程逆过程热量热量功，不成立功，不成立热力学的过程是有方向的。热力学的过程是有方向的。2、定义：、定义：在系统状态的变化过程中，系统由一个状态出发经过某一过程在系统状态的变化过程中，系统由一个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全它能使系统和外界完全恢复原来的状态恢复原来的状态（即系统回到原来状态，同时原过程对外界引（即系统回到原来状态，同时原过程对外界引起的一切影响）则这样的过程称
49、为起的一切影响）则这样的过程称为可逆过程可逆过程；反之，如果用任；反之，如果用任何曲折复杂的方法都何曲折复杂的方法都不能使系统和外界完全恢复原来的状态不能使系统和外界完全恢复原来的状态，则这样的过程称为则这样的过程称为不可逆过程不可逆过程。第92页，本讲稿共99页3、可逆过程的条件、可逆过程的条件过程要无限缓慢地进行，即属于过程要无限缓慢地进行，即属于准静态过程准静态过程；过程无耗散（没有摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功）。过程无耗散（没有摩擦力、粘滞力或其它耗散力作功）。即只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能是可逆即只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能是可逆的。的。自然界中真实存在的过程都是按
50、一定方向进行的，都是不自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。例如：可逆的。例如：l理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。l热传导过程是不可逆的。热传导过程是不可逆的。第93页，本讲稿共99页（二）热力学第二定律（二）热力学第二定律1、热力学第二定律的两种表述、热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的克劳修斯表述（热力学第二定律的克劳修斯表述（1850）：）：不可能把热量从低温物体自动地传到高温物体而不引起其不可能把热量从低温物体自动地传到高温物体而不引起其他变化。他变化。克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。克