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1、会计学1热学热学(rxu)热力学过程热力学过程第一页，共82页。第五章第五章热力学第一热力学第一(dy)定律定律TheFirstLawofThermodynamics历史背景：历史背景：历史背景：历史背景：19 19世纪世纪4040年代以前，自然科学的发展为能量转化年代以前，自然科学的发展为能量转化(zhunhu)(zhunhu)与守恒原理奠定了基础。与守恒原理奠定了基础。1 1力学方面力学方面(fngmin)(fngmin)的准备的准备 伽利略的斜面问题和摆的运动，伽利略的斜面问题和摆的运动，斯梯芬斯梯芬(Stevin，15481620)杠杆原理的研究，杠杆原理的研究，惠更斯完全弹性碰撞的研
2、究等；惠更斯完全弹性碰撞的研究等；伯努利伯努利(DanielBernoulli，17001782)的流体运动方程是流体运的流体运动方程是流体运动中的机械能守恒定律。动中的机械能守恒定律。第1页/共82页第二页，共82页。2化学、生物学方面的准备化学、生物学方面的准备法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡(A.L.Lavoisier，17431794)和拉普拉斯和拉普拉斯(P.S.M.Laplace，17491827)曾经研究过一个重要的生理现象，他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等。曾经研究过一个重要的生理现象，他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学
3、过程燃烧所发的热接近相等。德国化学家李比希德国化学家李比希(J.Liebig，18031873)的学生莫尔则进一步认为不同形式的的学生莫尔则进一步认为不同形式的“力力”（即能量）都是机械（即能量）都是机械“力力”的表现，他写道：的表现，他写道：“除了除了54种化学元素外，自然界还有一种种化学元素外，自然界还有一种(yzhn)动因，叫做力。力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些运动形式中的每一种动因，叫做力。力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些运动形式中的每一种(yzhn)可以得出一切其余形式。可以得出一切其余形式。”他明确地
4、表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。TheFirstLawofThermodynamics历史背景：历史背景：历史背景：历史背景：第2页/共82页第三页，共82页。4热学热学(rxu)方面的准备方面的准备3电磁学方面电磁学方面(fngmin)的准备的准备 在电与热的关系上，在电与热的关系上，18211821年塞贝克年塞贝克(Seebeck)(Seebeck)发现的温差电现象发现的温差电现象是是“自然力自然力”互相转化的又一重要例证。焦耳互相转化的又一重要例证。焦耳(jio r)(J.P.Joule(jio r)(J.P.Joule
5、，18181889)18181889)在在18401840年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现i2Ri2R定律，这是定律，这是能量转化的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意能量转化的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。义。TheFirstLawofThermodynamics历史背景：历史背景：历史背景：历史背景：第一类永动机研发的失败！第一类永动机研发的失败！第一类永动机研发的失败！第一类永动机研发的失败！第3页/共82页第四页，共82页。魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂魔
6、轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂(xunb)(xunb)实现永动，向下行方向的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂(xunb)(xunb)在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的悬臂(xunb)(xunb)在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。在重力作用下靠近转轮中
7、心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。“魔轮魔轮魔轮魔轮”法国人法国人法国人法国人亨内考亨内考亨内考亨内考第4页/共82页第五页，共82页。“第一类永动机第一类永动机”第5页/共82页第六页，共82页。放放放放之之之之四四四四海海海海(s s h h i i)皆皆皆皆准准准准17751775年，法国科学院不再年，法国科学院不再年，法国科学院不再年，法国科学院不再(bzi)(bzi)受理关于永动机的发明。受理关于永动机的发明。受理关于永动机的发明。受理关于永动机的发
8、明。“永动机永动机”是违背了最基本的科学原理是违背了最基本的科学原理:物质守恒和能量守恒原理的。但古今中外始终有人还在搞什么物质守恒和能量守恒原理的。但古今中外始终有人还在搞什么“永动机永动机”的发明。的发明。这些人中有些是对科学的基本原理不清楚，以致白白浪费了时间和精力这些人中有些是对科学的基本原理不清楚，以致白白浪费了时间和精力(国民革命军将领黄维国民革命军将领黄维)；而更多的是别有用心的骗子，希望以永动机出名和获利；而更多的是别有用心的骗子，希望以永动机出名和获利(hul)，制造各种假的，制造各种假的“永动机永动机”来欺世盗名骗钱。来欺世盗名骗钱。第6页/共82页第七页，共82页。大约在
9、大约在280年前，有位德年前，有位德国国博士奥尔菲留斯发明了一个博士奥尔菲留斯发明了一个“永动机永动机”自动轮。自动轮。1717年，波兰国王把这位博士请到了波兰，并派了一位名叫格森年，波兰国王把这位博士请到了波兰，并派了一位名叫格森卡赛尔斯基的卡赛尔斯基的州长鉴定其真伪。这位州长为奥尔菲留斯创造了条件，把安装机器的房子与四周隔州长鉴定其真伪。这位州长为奥尔菲留斯创造了条件，把安装机器的房子与四周隔离。离。1717年年11月月12日日，自动轮安装完毕，开始转动。州长亲自锁上了门，贴上，自动轮安装完毕，开始转动。州长亲自锁上了门，贴上了封条，派了两名卫兵昼夜看守这座房子。两周以后州长亲自启封开锁，
10、看到轮子了封条，派了两名卫兵昼夜看守这座房子。两周以后州长亲自启封开锁，看到轮子还在转动，于是再次上锁加封，又过了还在转动，于是再次上锁加封，又过了40天。天。1728年年1月月4日日再次开封，轮子再次开封，轮子还在转。这位认真的州长还不放心，又观察还在转。这位认真的州长还不放心，又观察(gunch)了两个月，看到了轮子确实了两个月，看到了轮子确实“永动永动”。于是州长就给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书，从此以后奥尔菲留斯名声。于是州长就给奥尔菲留斯颁发了鉴定证书，从此以后奥尔菲留斯名声大噪，他周游欧洲列国展出他的自动轮，卖票赚了许多钱，并得到各国大人物的褒大噪，他周游欧洲列国展出他的自动轮，卖票赚
11、了许多钱，并得到各国大人物的褒奖和舆论界的赞扬。奖和舆论界的赞扬。消息传到俄国，彼得大帝对该发明极感兴趣，派了一位专使苏马赫找奥尔菲留消息传到俄国，彼得大帝对该发明极感兴趣，派了一位专使苏马赫找奥尔菲留斯谈判，想连人带机器买到俄国去。奥尔菲留斯开价是斯谈判，想连人带机器买到俄国去。奥尔菲留斯开价是10万卢布！苏马赫向彼得万卢布！苏马赫向彼得大帝汇报了两个情况：一是他看到轮子真的不停地转，二是介绍了法国和英国学者大帝汇报了两个情况：一是他看到轮子真的不停地转，二是介绍了法国和英国学者的看法，他们无论如何也不相信的看法，他们无论如何也不相信“永动机永动机”是真的，因为它从根本上是违背科学是真的，因
12、为它从根本上是违背科学原理的。因此，彼得大帝迟迟未下决心用原理的。因此，彼得大帝迟迟未下决心用10万卢布巨款去买这个自动轮，他想在万卢布巨款去买这个自动轮，他想在1725年亲自去欧洲看看，但后来由于他去世了，终归没有看到这个年亲自去欧洲看看，但后来由于他去世了，终归没有看到这个“永动机永动机”。科学界一直认为这绝对是一个大骗局。他们并不买那位波兰州长的帐。凭什么科学界一直认为这绝对是一个大骗局。他们并不买那位波兰州长的帐。凭什么他用眼睛看看就认为是事实，就发什么鉴定证书，真是岂有此理。科学家们公开指他用眼睛看看就认为是事实，就发什么鉴定证书，真是岂有此理。科学家们公开指责这是个大骗局，并且悬赏
13、责这是个大骗局，并且悬赏1000马克给揭穿骗局的人。马克给揭穿骗局的人。最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房子里修了一个夹最后骗局被博士先生的女仆揭穿了。原来这间安放自动轮的房子里修了一个夹壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就会转。轮子不是壁墙，只要有人在夹壁墙内牵动绳子，轮子就会转。轮子不是“永动永动”的，而是的，而是“人动人动”的。牵绳的人就是博士的弟弟和女仆。我们不知道那位女仆有没有得到的。牵绳的人就是博士的弟弟和女仆。我们不知道那位女仆有没有得到1000马克的赏金，但确实有人出了一本小册子，揭露了这个骗局，还公布了一张马克的赏金，但确实有人出了一本小册子，揭露了这
14、个骗局，还公布了一张图，人们一看就会明白无误。图，人们一看就会明白无误。第7页/共82页第八页，共82页。在我国，早在新中国成立之初，1949 年 4 月创刊的科学通报第一期上，中国科学院就已宣布“永动机”是不可能的，并且希望发明家们今后能将他们的发明热忱和精力转移(zhuny)到切合实际的方面上去。然而“永动机”的“发明家”仍是络绎不绝。最近，在全国各地传播着一个关于“永动机”的录像资料。这份录像前面有一段前言，是这样说的：我国青年科学家王某，一个名不见经传，没有受过系统高等教育的小人物在前人无数次失败的基础上，经过无数次地探索，不断地追求，以惊人的毅力，大无畏的精神敢于向科学上的传统观念挑
15、战，敢于向著名的科学权威挑战，在攻克了以水代油的能源新技术之后，又攻克了“永动机”这一世界尖端科学的新技术。这一世界尖端科学的新技术到底如何呢？首先，鉴定这一新技术的不是科学家，而是某市公安局副局长及其下属们。其次我们看到王某在公安局副局长面前将几块木板拼凑起来，中间卡了一个木轴，拨动后木轴就不断转动，这就是王某的“永动机”。录像显示这个“永动机”还能发电，电力可以使电视机、电冰箱、洗衣机工作，等等。但是问题在于，王某始终没有说清他家中幕前幕后的电线分布状态。另外，在这几块木板中，有一块木板早就做好了圆孔，可以卡入一个小电动机，所谓转动不停的木棍是联在小电动机上的。如果仔细点，人们就会发现，木
16、板孔内有电动机的电源接头。而奥妙就在这块木板之内，如果将此块木板劈开，真相就可大白。所谓的“永动机”和现时商店中卖的转动不停的案头装饰品没什么两样，那些装饰品的动力在于底座中的电池。而王某的“永动机”的电池正是在木板夹层之内。这是一个表演的骗局，但绝对骗不倒科学家和具有起码科学精神和科学方法的人们。王某在家中给公安局长表演得还是很“灵”的，可一但离开了“家”，表演就原形毕露了。他被请到了某研究院表演他的“永动机”，而研究院的领导们事先切断了全院的电源。这时，什么电冰箱、洗衣机、电视机全部无法启动，而且“永动机”空转也成了问题。这就使得王某先是满头大汗，最后只能鼠窜而去。这就是最新的“永动机”骗
17、局！它的本质是“骗”，而其社会功能则是一把尺子，一把衡量国民科学文化素质的尺子。第8页/共82页第九页，共82页。放放放放之之之之四四四四海海海海(s s h h i i)皆皆皆皆准准准准永动机之不可能，实质上是用否定的形式提出了能量守恒的基本永动机之不可能，实质上是用否定的形式提出了能量守恒的基本永动机之不可能，实质上是用否定的形式提出了能量守恒的基本永动机之不可能，实质上是用否定的形式提出了能量守恒的基本(jbn)(jbn)思想。思想。思想。思想。在在在在1818世纪末世纪末世纪末世纪末1919世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。世纪
18、初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。1919世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，对蒸汽机“出力出力出力出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相
19、互作出理论上的分析。所以热与机械功的相互作出理论上的分析。所以热与机械功的相互作出理论上的分析。所以热与机械功的相互(xingh)(xingh)转化得到了广泛的研究。转化得到了广泛的研究。转化得到了广泛的研究。转化得到了广泛的研究。第9页/共82页第十页，共82页。到到到到1919世纪上半叶，已有很多种能量世纪上半叶，已有很多种能量世纪上半叶，已有很多种能量世纪上半叶，已有很多种能量(nngling)(nngling)转化的形式被发转化的形式被发转化的形式被发转化的形式被发现：现：现：现：放放放放之之之之四四四四海海海海(s s h h i i)皆皆皆皆准准准准18451845年提出了年提出了
20、年提出了年提出了2525种运动形式相互种运动形式相互种运动形式相互种运动形式相互(xingh)(xingh)转化的形式。转化的形式。转化的形式。转化的形式。法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡法国的拉瓦锡曾经研究过一个重要的生理现象，豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等；曾经研究过一个重要的生理现象，豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等；曾经研究过一个重要的生理现象，豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等；曾经研究过一个重要的生理现象，豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的
21、热接近相等；18211821年年年年塞贝克塞贝克塞贝克塞贝克发现的温差电现象是发现的温差电现象是发现的温差电现象是发现的温差电现象是“自然力自然力自然力自然力”互相转化的又一重要例证，焦耳在互相转化的又一重要例证，焦耳在互相转化的又一重要例证，焦耳在互相转化的又一重要例证，焦耳在18401840年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现年研究了电流的热效应，发现i i22RR定律，这是能量转化的一个定量关系定律，这是能量转化的一个定量关系定律，这是能量转化的一个定量关系定律，这是能量转化的一个定量关系.埃瓦特埃瓦特埃瓦特埃瓦特(PeterEwartPeter
22、Ewart，1767-18421767-1842)对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力机械动力机械动力机械动力”之间的关系作了研究之间的关系作了研究之间的关系作了研究之间的关系作了研究;丹麦工程师和物理学家丹麦工程师和物理学家丹麦工程师和物理学家丹麦工程师和物理学家柯尔丁柯尔丁柯尔丁柯尔丁(L.ColdingL.Colding，1815-18881815-1888)对热、功之间的关系也作过研究：从事过摩擦生热的实验对热、功之间的关系也作过研究：从事过摩擦生热的实验对热、功之间的关系也作
23、过研究：从事过摩擦生热的实验对热、功之间的关系也作过研究：从事过摩擦生热的实验.第10页/共82页第十一页，共82页。确立能量转化和守恒定律的三大确立能量转化和守恒定律的三大确立能量转化和守恒定律的三大确立能量转化和守恒定律的三大(sn(sn d)d)功臣功臣功臣功臣a.a.孜孜不倦孜孜不倦孜孜不倦孜孜不倦(z z b jun)(z z b jun)的实验物理的实验物理的实验物理的实验物理学家学家学家学家从从1840到到1879年年Joule进行了多种多样的实验，致力于精确测定功与热相互转化的数值关系进行了多种多样的实验，致力于精确测定功与热相互转化的数值关系热功当量。热功当量。他于他于185
24、0年发表年发表(fbio)了实验结果，其热功当量相当于了实验结果，其热功当量相当于4.157Jcal-1。能量转化与守恒定律的实验基础能量转化与守恒定律的实验基础能量转化与守恒定律的实验基础能量转化与守恒定律的实验基础 第11页/共82页第十二页，共82页。迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，作为随船医生，在给生病的船员放血迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，作为随船医生，在给生病的船员放血迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，作为随船医生，在给生病的船员放血迈尔在一次驶往印度尼西亚的航行中，作为随船医生，在给生病的船员放血(fngxu)(fngxu)(fngxu)(fngxu)时，发现静脉血不象生活
25、在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。这现象引起了迈尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。时，发现静脉血不象生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。这现象引起了迈尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机
26、体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。时，发现静脉血不象生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。这现象引起了迈尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。时，发现静脉血不象生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是象动脉血那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。这现象引起了迈
27、尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它象机械能一样可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧。他已认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。历史上第一个发表历史上第一个发表(fbio)论文，阐述能量守恒原理的是德国人迈耶论文，阐述能量守恒原理的是德国人迈耶(Mayer)。b.b.善于善于善于善于(shny)(shny)总结的自然博物学家总结的自然博物学家总结的自然博物学家总结的自然博物学家迈耶迈耶迈耶迈耶1842-18471842-1847年间确立了能量守恒定律年间确立了能量守恒定律年间确立了能量守恒定律年间确立了能
28、量守恒定律.第12页/共82页第十三页，共82页。n n18421842年迈尔提出了机械能与热能间转换的原理年迈尔提出了机械能与热能间转换的原理年迈尔提出了机械能与热能间转换的原理年迈尔提出了机械能与热能间转换的原理(yunl(yunl)，n n 焦耳是通过大量严格的定量实验去精确测定热功当焦耳是通过大量严格的定量实验去精确测定热功当焦耳是通过大量严格的定量实验去精确测定热功当焦耳是通过大量严格的定量实验去精确测定热功当量量量量,从而证明能量守恒概念的；从而证明能量守恒概念的；从而证明能量守恒概念的；从而证明能量守恒概念的；n n而迈耶则从哲学思辨方面阐述能量守恒概念。而迈耶则从哲学思辨方面阐
29、述能量守恒概念。而迈耶则从哲学思辨方面阐述能量守恒概念。而迈耶则从哲学思辨方面阐述能量守恒概念。善于总结的自然善于总结的自然善于总结的自然善于总结的自然(zrn)(zrn)博物学家博物学家博物学家博物学家迈迈迈迈耶耶耶耶第13页/共82页第十四页，共82页。n n 德国生理学家、物理学家德国生理学家、物理学家德国生理学家、物理学家德国生理学家、物理学家HelmholtzHelmholtz赫姆霍兹，发赫姆霍兹，发赫姆霍兹，发赫姆霍兹，发展了迈耶和焦耳的工作，讨论了当时的力学的、展了迈耶和焦耳的工作，讨论了当时的力学的、展了迈耶和焦耳的工作，讨论了当时的力学的、展了迈耶和焦耳的工作，讨论了当时的力
30、学的、热学的、电学的、化学的各种科学成就。热学的、电学的、化学的各种科学成就。热学的、电学的、化学的各种科学成就。热学的、电学的、化学的各种科学成就。n n 他严谨地认证他严谨地认证他严谨地认证他严谨地认证(rnzhng)(rnzhng)了如下规律：了如下规律：了如下规律：了如下规律：n n 在各种运动中的能量是守恒的。在各种运动中的能量是守恒的。在各种运动中的能量是守恒的。在各种运动中的能量是守恒的。n n 第一次以数学方式提出了能量守恒与转化定律。第一次以数学方式提出了能量守恒与转化定律。第一次以数学方式提出了能量守恒与转化定律。第一次以数学方式提出了能量守恒与转化定律。c c c c.亥
31、姆霍兹亥姆霍兹亥姆霍兹亥姆霍兹概括出能量转化概括出能量转化概括出能量转化概括出能量转化(zhunhu)(zhunhu)和守恒定律的三大功臣和守恒定律的三大功臣和守恒定律的三大功臣和守恒定律的三大功臣第14页/共82页第十五页，共82页。能量能量(nngling)转化与守恒定律是自然界基本规律之一。恩格斯对这一规律的发现给予崇高的评价，把它和达尔文进化论及细胞学说并列为三大自然发现。转化与守恒定律是自然界基本规律之一。恩格斯对这一规律的发现给予崇高的评价，把它和达尔文进化论及细胞学说并列为三大自然发现。纪纪纪纪念念念念为为为为实实实实现现现现(s sh h x xi i n n)永永永永动动动动
32、机机机机奋奋奋奋斗斗斗斗 而而而而失失失失败败败败的的的的人人人人们们们们放放放放之之之之四四四四海海海海(s s h h i i)皆皆皆皆准准准准历史背景：历史背景：历史背景：历史背景：第15页/共82页第十六页，共82页。5.15.1热力学过程热力学过程热力学过程热力学过程5.25.2功功功功5.35.3热量热量热量热量5.45.4热力学第一热力学第一热力学第一热力学第一(dy)(dy)定律定律定律定律5.55.5热容量热容量热容量热容量 焓焓焓焓5.65.6气体的内能气体的内能气体的内能气体的内能焦耳焦耳焦耳焦耳-汤姆逊实验汤姆逊实验汤姆逊实验汤姆逊实验5.8循环循环(xnhun)过程和
33、卡诺循过程和卡诺循环环(xnhun)5.75.7热力学第一定律对理想气体热力学第一定律对理想气体热力学第一定律对理想气体热力学第一定律对理想气体(lxinqt)(lxinqt)的应用的应用的应用的应用TheFirstLawofThermodynamics第16页/共82页第十七页，共82页。5.1热力学过程热力学过程(guchng)一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程(guchng)(guchng)二、热力学过程的分类二、热力学过程的分类二、热力学过程的分类二、热力学过程的分类(fnli)(fnli)、表示、表示、表示、表示第17页/共82页第十八页，共82页。一、热力学过
34、程一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程(guchng)(guchng)1 1 1 1、定义、定义、定义、定义(dngy)(dngy)(dngy)(dngy)：热力学系统的状态随时间变化，称系统经历热力学系统的状态随时间变化，称系统经历热力学系统的状态随时间变化，称系统经历热力学系统的状态随时间变化，称系统经历(jngl)(jngl)了一个热力学过程了一个热力学过程了一个热力学过程了一个热力学过程 。p1,T1,V1p2,T2,V2vacuum第18页/共82页第十九页，共82页。描述热力学过程描述热力学过程(guchng)的一个重要指标的一个重要指标！2 2、驰豫时间、驰豫时间、驰豫时间
35、、驰豫时间(shjin)(shjin)：当当外外界界条条件件变变化化时时，系系统统原原来来的的平平衡衡态态被被破破坏坏，系系统统本本身身由由于于分分子子热热运运动动和和碰碰撞撞而而产产生生的的输输运运过过程程力力图图(lt)(lt)消消除除外外界界作作用用造造成成的的不不平平衡衡，而而在在外外界界决决定定的的新新条条件件下下达达到到新新的的平平衡衡，这这需需要要一一定定的的时时间间以以 表示。表示。压压强强 温度温度外界条件变化的时间间隔外界条件变化的时间间隔 t与驰豫时间与驰豫时间 的相对快慢的相对快慢!第19页/共82页第二十页，共82页。5.15.1热力学过程热力学过程热力学过程热力学过
36、程(guchng)(guchng)一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程(guchng)(guchng)二、热力学过程的分类二、热力学过程的分类二、热力学过程的分类二、热力学过程的分类(fn(fnli)li)、表示、表示、表示、表示1.1.非静态过程非静态过程非静态过程非静态过程2.2.准静态过程准静态过程准静态过程准静态过程（Quasi-staticprocess）第20页/共82页第二十一页，共82页。当当当当 t t t ，初态初态初态初态-终态终态终态终态系列系列系列系列(xli)(xli)平衡态（平衡态（平衡态（平衡态（pVTpVT）无摩擦的准静态无摩擦的准静态无摩
37、擦的准静态无摩擦的准静态(jngti)(jngti)过程过程过程过程（内参量等于外参量）（内参量等于外参量）（内参量等于外参量）（内参量等于外参量）第23页/共82页第二十四页，共82页。!一种理想的状态一种理想的状态(zhungti)变变化过程。化过程。！在状态图上表示！在状态图上表示(biosh)：一系列点所联结成：一系列点所联结成的实线。的实线。第24页/共82页第二十五页，共82页。（1）一个个先后移走）一个个先后移走砝码，并且只有新平砝码，并且只有新平衡态建立衡态建立(jinl)以以后才移走下一个砝码，后才移走下一个砝码，就是（就是（）。）。例例1.1.从活塞上移走砝码从活塞上移走砝
38、码(f m)(f m)的实验的实验:图示：活塞图示：活塞(husi)上上非常小砝码非常小砝码mgp=mg/Ap ，(I)()的过程可看作准静态过程的过程可看作准静态过程,第25页/共82页第二十六页，共82页。例例例例1.1.从活塞上移走砝码从活塞上移走砝码从活塞上移走砝码从活塞上移走砝码(f(f m m)的实验的实验的实验的实验:（2 2）全部砝码水平地移到右搁板）全部砝码水平地移到右搁板）全部砝码水平地移到右搁板）全部砝码水平地移到右搁板(b b n)n)上，这就是上，这就是上，这就是上，这就是()。为非静态为非静态(jngti)过程。过程。在振荡过程中不满足在振荡过程中不满足力学平衡条件
39、力学平衡条件第26页/共82页第二十七页，共82页。该过程该过程该过程该过程(guchng)(guchng)(guchng)(guchng)是否是准静态过程是否是准静态过程是否是准静态过程是否是准静态过程(guchng)?(guchng)?(guchng)?(guchng)?由于在热传导过程中，由于在热传导过程中，固体温度处处不同，固体温度处处不同，它不满足热学它不满足热学(rxu)平衡条件平衡条件故不是准静态过程。故不是准静态过程。例2：热量(rling)传递过程。使物体温度从使物体温度从T1变为变为T0的准静态过程？的准静态过程？第27页/共82页第二十八页，共82页。要求要求要求要求(y
40、oqi)T Ti(yoqi)T Ti(yoqi)T Ti(yoqi)T Ti，其温度依次其温度依次(yc)递增递增T使物体温度使物体温度(wnd)从从T1变为变为T0的准静态过程的准静态过程第28页/共82页第二十九页，共82页。在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的任一中在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的任一中在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的任一中在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的任一中间状态，氮气与氧气的成分都处处间状态，氮气与氧气的成分都处处间状态，氮气与氧气的成分都处处间状态，氮气与氧气的成分都处处(chch)(chch)(chch)(ch
41、ch)不均匀，不均匀，不均匀，不均匀，系统不满足化学平衡系统不满足化学平衡(huxupnghng)(huxupnghng)条件条件.又如，两种液体相互混合、固体又如，两种液体相互混合、固体(gt)溶解于水、渗透等过程溶解于水、渗透等过程第29页/共82页第三十页，共82页。既然准静态过程要求经历的每一个中间状态都是平衡态，故只有系统内部各部分之间及系统与外界之间都始终同时满足力学、热学、化学平衡条件的过程才是准静态过程。既然准静态过程要求经历的每一个中间状态都是平衡态，故只有系统内部各部分之间及系统与外界之间都始终同时满足力学、热学、化学平衡条件的过程才是准静态过程。而在实际过程中的而在实际过
42、程中的“满足满足”常常是有一定程度常常是有一定程度(chngd)(chngd)的近似的。的近似的。第30页/共82页第三十一页，共82页。只要系统内部各部分间只要系统内部各部分间(或系统与外界间或系统与外界间)的压强差的压强差p、温度差、温度差T ，以及同一成分在各处的分子数密度之差，以及同一成分在各处的分子数密度之差n,分别满足分别满足 p p，T T,n t 第31页/共82页第三十二页，共82页。5.15.1热力学过程热力学过程热力学过程热力学过程(guchng)(guchng)一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程一、热力学过程(guchng)(guchng)二、热力学过程二、热力
43、学过程二、热力学过程二、热力学过程(guchng)(guchng)的的的的分类分类分类分类 第32页/共82页第三十三页，共82页。5.15.1热力学过程热力学过程热力学过程热力学过程5.25.2功功功功5.35.3热量热量热量热量5.45.4热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律5.55.5热容量热容量热容量热容量 焓焓焓焓5.65.6气体的内能气体的内能气体的内能气体的内能(ninn)(ninn)焦耳焦耳焦耳焦耳-汤姆汤姆汤姆汤姆逊实验逊实验逊实验逊实验5.8循环循环(xnhun)过程和卡诺循环过程和卡诺循环(xnhun)5.75.7热力学第一定律热力学第一定律热力学第一
44、定律热力学第一定律(dngl)(dngl)对理想气体的应用对理想气体的应用对理想气体的应用对理想气体的应用TheFirstLawofThermodynamics 第33页/共82页第三十四页，共82页。5.2功功(准静态准静态(jngti)过过程程)力学力学(lxu)_机械功：机械功：力对物体作功力对物体作功物体的运动状态发生变化物体的运动状态发生变化物体的机械能发生变化物体的机械能发生变化电场电场(dinchng)功、磁场功功、磁场功作功作功物体的物体的电磁状态改变电磁状态改变物体的物体的热运动状态改变热运动状态改变第34页/共82页第三十五页，共82页。5.25.2功功功功(准静态准静态准
45、静态准静态(jngti)(jngti)过过过过程程程程)一、流体一、流体一、流体一、流体(lit)(lit)体体体体积功积功积功积功二、功的认识二、功的认识二、功的认识二、功的认识(rnshi)(rnshi)三三三三、其它形式的功、其它形式的功、其它形式的功、其它形式的功第35页/共82页第三十六页，共82页。由于气体体积由于气体体积由于气体体积由于气体体积(t(t j)j)减小了减小了减小了减小了 Sdl Sdl，即即即即 dV=-Sdl dV=-Sdl 所以上式又可写成所以上式又可写成所以上式又可写成所以上式又可写成活塞活塞气缸气缸(q n)(q n)中无摩擦移动中无摩擦移动,截面积为截面
46、积为S S，气缸，气缸(q n)(q n)中封有流体。中封有流体。1.1.1.1.无限小过程无限小过程无限小过程无限小过程(guchng)(guchng)(guchng)(guchng)一一一一、流体体积功、流体体积功、流体体积功、流体体积功 外界对气体所作元功为：外界对气体所作元功为：第36页/共82页第三十七页，共82页。n n 在无摩擦在无摩擦在无摩擦在无摩擦(mc)(mc)(mc)(mc)的准静态过程中，的准静态过程中，的准静态过程中，的准静态过程中，n n在无限小的过程中外界对气体所作元功的表达式为在无限小的过程中外界对气体所作元功的表达式为在无限小的过程中外界对气体所作元功的表达式
47、为在无限小的过程中外界对气体所作元功的表达式为 n n 系统系统(xtng)(xtng)对外作元功的表达式为对外作元功的表达式为符号符号符号符号(fho)(fho)规则：规则：规则：规则：外界对气体所作元功外界对气体所作元功外界对气体所作元功外界对气体所作元功气体体积的变化气体体积的变化气体体积的变化气体体积的变化（+膨胀膨胀膨胀膨胀-压缩）压缩）压缩）压缩）(a a)(b b)第37页/共82页第三十八页，共82页。2.2.宏观有限宏观有限宏观有限宏观有限(yuxin)(yuxin)过程过程过程过程V1-V1-V2V2外界外界(wiji)对气体所作功为：对气体所作功为：(适适适适用用用用范范
48、范范围围围围到到到到固固固固体体体体)准准准准静静静静态态态态过过过过程程程程体体体体积积积积功功功功的的的的公公公公式式式式系统对外界系统对外界(wiji)所作功为：所作功为：第38页/共82页第三十九页，共82页。图中 V 到 V+dV 区间(q jin)内曲线下的面积=元功就是从就是从 V1 V1 到到 V2 V2 区间内曲线区间内曲线(qxin)(qxin)下的面积。下的面积。3.3.体积功的几何体积功的几何体积功的几何体积功的几何(jh)(jh)表现表现表现表现第39页/共82页第四十页，共82页。(1)(1)理想气体理想气体(l(l xi xi n n q t q t)等温膨胀过程
49、等温膨胀过程 4.4.体积体积体积体积(tj)(tj)功的计功的计功的计功的计算算算算准静态准静态(jngti)(jngti)等温过程中作等温过程中作的功的功:第40页/共82页第四十一页，共82页。准静态准静态(jngti)(jngti)等温过程中作等温过程中作的功的功:n n因为因为因为因为(yn wi)(yn wi)等温膨胀时，等温膨胀时，等温膨胀时，等温膨胀时，n n V2 V2 V1 V1，n n A A 0 0，说明，说明，说明，说明利用利用(lyng)p1V1=p2V2的关系，的关系，第41页/共82页第四十二页，共82页。(2)(2)(2)(2)准静态等压加热准静态等压加热准静
50、态等压加热准静态等压加热(ji r)(ji r)(ji r)(ji r)过程中的功过程中的功过程中的功过程中的功 然后使气体然后使气体然后使气体然后使气体(qt(qt)与一系列的温度分别为与一系列的温度分别为与一系列的温度分别为与一系列的温度分别为 TTi TTi设想气缸导热设想气缸导热(dor),(dor),被活塞封有的气体压强始终保持恒量。被活塞封有的气体压强始终保持恒量。2T2第42页/共82页第四十三页，共82页。(2)(2)准静态等压加热准静态等压加热准静态等压加热准静态等压加热(ji r)(ji r)过程中的功过程中的功过程中的功过程中的功第43页/共82页第四十四页，共82页。（