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1、热学热学:研究热现象及其规律的学科研究热现象及其规律的学科热力学系统以外的物体称为外界。热力学系统以外的物体称为外界。例：若汽缸内气体为系统，其它为外界例：若汽缸内气体为系统，其它为外界1.1.热学的研究对象及内容热学的研究对象及内容 对象：对象：宏观物体（大量分子原子的系统）宏观物体（大量分子原子的系统）或物体系或物体系 称为称为热力学系统热力学系统。5.1 热学的基本概念热学的基本概念宏观：热现象是与温度有关的现象宏观：热现象是与温度有关的现象微观：热现象是与分子热运动有关的现象微观：热现象是与分子热运动有关的现象5.1.1 热力学系统热力学系统 平衡态平衡态第1页/共53页孤立系统孤立系
2、统和外界无质量、能量交换和外界无质量、能量交换封闭系统封闭系统和外界无质量交换、有能量交换和外界无质量交换、有能量交换开放系统开放系统和外界既有质量交换、也有能量交换和外界既有质量交换、也有能量交换2.2.热学的研究方法热学的研究方法 热力学热力学（thermodynamics）宏观基本实验规律宏观基本实验规律热现象规律热现象规律逻辑推理逻辑推理 统计力学统计力学（statisticalmechanics）对微观结构提出对微观结构提出模型、假设模型、假设统计方法统计方法热现象规律热现象规律热力学系统的分类热力学系统的分类:第2页/共53页 系统状态的描述：系统状态的描述：（1 1）宏观描述法）
3、宏观描述法 用一些可以直接测量的物理量（称为宏观量）用一些可以直接测量的物理量（称为宏观量）来描述系统的宏观性质来描述系统的宏观性质 例如：例如：p,V,T,等等（2）微观描述法微观描述法 给出系统中每个微观粒子的力学参量（称为给出系统中每个微观粒子的力学参量（称为微观量）来描述系统微观量）来描述系统例如：分子的质量例如：分子的质量、速度速度、直径、动量直径、动量微观量与宏观量有一定的内在联系。微观量与宏观量有一定的内在联系。第3页/共53页在不受外界影响的条件下在不受外界影响的条件下,热力学系统的宏观热力学系统的宏观性质不随时间改变的状态性质不随时间改变的状态,称为平衡态。称为平衡态。反之，
4、则反之，则为非平衡态。为非平衡态。平衡态平衡态：体系的温度、压强、密度等宏观量处处：体系的温度、压强、密度等宏观量处处相同，不随时间改变。相同，不随时间改变。3.3.平衡态平衡态（equilibriumstate）处在平衡态的大量分子仍在作热运动处在平衡态的大量分子仍在作热运动,而且因为而且因为碰撞碰撞,每个分子的速度经常在变。每个分子的速度经常在变。-动态平衡动态平衡平衡态是热学中的一个理想化状态。平衡态是热学中的一个理想化状态。第4页/共53页一组状态参量一组状态参量一个平衡态一个平衡态描述描述对应对应状态参量之间的函数关系称为状态参量之间的函数关系称为状态方程状态方程,记作记作:描写平衡
5、态下系统宏观属性的一组独立宏观量，称为描写平衡态下系统宏观属性的一组独立宏观量，称为状态参量状态参量（state parameter）例如：气体系统的例如：气体系统的 p、V、T第5页/共53页5.1.2 热力学第零定律热力学第零定律 温度的初级定义：温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的初级定义：温度是表征物体冷热程度的物理量。以上定义具有主观感觉色彩,不科学，不严密。冬天，两者温度一样，可是实际的感觉不一样！冬天，两者温度一样，可是实际的感觉不一样！第6页/共53页壁壁刚性不能移而且不能通过物质的物体。刚性不能移而且不能通过物质的物体。宏观物体相互接触能否达到热平衡依赖于用来宏观物体相互接
6、触能否达到热平衡依赖于用来分离它们的壁的性质。分离它们的壁的性质。绝热壁（石棉）绝热壁（石棉）导热壁（金属材料）导热壁（金属材料）在无机械及电的作用时，若两物体的状态能在无机械及电的作用时，若两物体的状态能自动发生改变，直到平衡为止，将具有这种性质自动发生改变，直到平衡为止，将具有这种性质的壁称为的壁称为导热壁导热壁，反之若两物体的状态不发生任，反之若两物体的状态不发生任何变化，称该种壁为何变化，称该种壁为绝热壁绝热壁。第7页/共53页 热平衡：热平衡：热接触的两个系统经过一段时间后，各自状态不再变化而达到的一共同状态热接触的两个系统经过一段时间后，各自状态不再变化而达到的一共同状态叫叫热平衡
7、态热平衡态。两系统称相互处于。两系统称相互处于热平衡热平衡。热力学第零定律热力学第零定律 1930年由英国科学家福勒年由英国科学家福勒(R.H.Fowler)正式提出，比热力学第一定律和热力正式提出，比热力学第一定律和热力学第二定律晚了学第二定律晚了80余年。虽然这么晚才建立热力学第零定律，但实际上之前人们余年。虽然这么晚才建立热力学第零定律，但实际上之前人们已经开始应用它了。已经开始应用它了。因为它是后面几个定律的基础，在逻辑上应该排在最前面，所以叫做热力学因为它是后面几个定律的基础，在逻辑上应该排在最前面，所以叫做热力学第零定律。第零定律。第8页/共53页 如果两个热力学系统中的每一个都和
8、第三个如果两个热力学系统中的每一个都和第三个热力学系统处于热平衡，那么，它们彼此也必定热力学系统处于热平衡，那么，它们彼此也必定处于热平衡。这个结论叫做处于热平衡。这个结论叫做热力学第零定律热力学第零定律。例如绝热壁导热壁第9页/共53页热力学第零定律为建立温度概念提供了实验基础热力学第零定律为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出，处在同一热平衡状态的所有的这个定律反映出，处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都热力学系统都具有一个共同的宏观特征具有一个共同的宏观特征，这个特征就是，这个特征就是由这些互为由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的
9、状态函数。状态函数。这个状态函数被定义为这个状态函数被定义为温度温度。进一步认识。进一步认识“温度温度”这一基本物理量实质是反映了系统的某种性质。这一基本物理量实质是反映了系统的某种性质。注意：注意：1、大量实验总结，不能逻辑推证；、大量实验总结，不能逻辑推证；如两个物体的温度如两个物体的温度相加。要么相等，要么不等。相加。要么相等，要么不等。2、借以建立温度概念。、借以建立温度概念。第10页/共53页温度的概念温度的概念热力学第零定律揭示出均相物系存在着一个新的平衡性质，称之为温度。概括为下述的温度定理：概括为下述的温度定理：“任一热力学的均相体系，在平衡态各自都存在一任一热力学的均相体系，
10、在平衡态各自都存在一个状态函数，称之为个状态函数，称之为温度温度（符号为（符号为T T）；它们具有这样）；它们具有这样的特性，对于一切互呈热平衡的均相系，其的特性，对于一切互呈热平衡的均相系，其温度温度彼相彼相此等此等”温度定理肯定了每个均相系都存在一个新的平衡性质温度以及它所具有的特性。第11页/共53页温度的标度（温标）温度的标度（温标）1 1）经验温标：以某物质的某一属性随冷热程度的变化为依据而确定的温标称）经验温标：以某物质的某一属性随冷热程度的变化为依据而确定的温标称为经验温标。为经验温标。经验温标除标准点外，其他温度并不完全一致。经验温标除标准点外，其他温度并不完全一致。如：水如：
11、水 冰点冰点 沸点沸点摄氏温标：摄氏温标：0 00 0C 100C 1000 0C C热力学温标：热力学温标：273.15K 373K273.15K 373K2 2）理想气体温标：以理想气体作测温物质）理想气体温标：以理想气体作测温物质3 3）热力学温标：不依赖任何具体物质特性的温标）热力学温标：不依赖任何具体物质特性的温标规定：水的三相点规定：水的三相点 T0=273.15K第12页/共53页温度计种类：电阻温度计、蒸汽压温度计、热电偶温度计、温度计种类：电阻温度计、蒸汽压温度计、热电偶温度计、光学温度计等光学温度计等水银温度计水银温度计酒精温度计酒精温度计第13页/共53页温度最低极限值：
12、温度最低极限值：0 K,0 K,极限值，不能达到极限值，不能达到第三定律第三定律第三定律第三定律。自然界最低极限值：自然界最低极限值：1K,1K,自然界最冷的温度（星际空间自然界最冷的温度（星际空间深处）。深处）。自然界最高温度：宇宙大爆炸时的温度为自然界最高温度：宇宙大爆炸时的温度为4 4万亿万亿。是太。是太阳中心区域温度的阳中心区域温度的2525万倍。万倍。几种环境温度量级：几种环境温度量级：1 1、人体正常的温度范围：、人体正常的温度范围：36-37.236-37.22 2、地球表面：、地球表面：-94.5-58-94.5-58 3 3、原子弹爆炸、原子弹爆炸50005000万万4 4、
13、氢弹爆炸：、氢弹爆炸：10001000万万第14页/共53页热力学第一定律热力学第一定律:是能量守恒与转化定律在热现象是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的特殊形式，领域内所具有的特殊形式，说明热力学能、热和功之间可以相互转化，但总的能量不变。也可以表述为：也可以表述为：第一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的。第一定律是人类经验的总结。第一定律是人类经验的总结。5.2 热力学第一定律热力学第一定律 第15页/共53页第一类永动机第一类永动机（first kind of perpetual motion mechine)一种既不靠外界提供能量，本身也不减少能一种既不靠外界提供能
14、量，本身也不减少能量，却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机，量，却可以不断对外作功的机器称为第一类永动机，它显然与能量守恒定律矛盾。它显然与能量守恒定律矛盾。历史上曾一度热衷于制造这种机器，均以失历史上曾一度热衷于制造这种机器，均以失败告终，也就证明了能量守恒定律的正确性。败告终，也就证明了能量守恒定律的正确性。第16页/共53页第一类永动机第一类永动机（first kind of perpetual motion mechine)奥恩库尔永动机滚珠永动机阿基米德螺旋永动机第17页/共53页功（功（work）Q和和W都不是状态函数，其数值与变化途径有关。都不是状态函数，其数值与变化途径有关
15、。体系吸热，体系吸热，Q0；体系放热，体系放热，Q0；体系对环境作功，体系对环境作功，W0。热和功的概念热和功的概念第18页/共53页热力学能热力学能（thermodynamicenergy）以前称为以前称为内能内能（internalenergy）,它是指体系内部能量的总和，包括它是指体系内部能量的总和，包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。热力学能是热力学能是状态函数状态函数，用符号，用符号E表示，它的绝对值表示，它的绝对值无法测定，只能求出它的变化值
16、。无法测定，只能求出它的变化值。E=Q+W对微小变化：对微小变化：dE=dQ+dW也可用也可用 E=Q-W表示，两种表达式完全等效，只表示，两种表达式完全等效，只是是W的取号不同。用该式表示的的取号不同。用该式表示的W的取号为：的取号为：环境对环境对体系作功，体系作功，W0。第19页/共53页 物理意义：物理意义：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.+系统吸热系统吸热系统放热系统放热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理想气体热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律的数学表达式:第20页/共53页准静态过程准静态过程 在过程进行的
17、每一瞬间，体系都接近于平衡状态，以致在任意选取的短时间dt内，状态参量在整个系统的各部分都有确定的值，整个过程可以看成是由一系列极接近平衡的状态所构成，这种过程称为准静态过程。准静态过程是一种理想过程，实际上是办不准静态过程是一种理想过程，实际上是办不到的。上例无限缓慢地压缩和无限缓慢地膨胀过到的。上例无限缓慢地压缩和无限缓慢地膨胀过程可近似看作为准静态过程。程可近似看作为准静态过程。第21页/共53页Vpp2p105.2.1、等体过程等体过程-气体体积始终保持不变气体体积始终保持不变1、过程特征、过程特征3、热力学第一定律表述、热力学第一定律表述热一的表达式为（热一的表达式为（吸热吸热）内能
18、内能功功2、P-V图图说明吸收的热全部用于增加热力学能说明吸收的热全部用于增加热力学能。第22页/共53页5.2.2等压过程等压过程-气体压强始终保持不变气体压强始终保持不变1、过程特征、过程特征V1V2V02、P-V图图3、热力学第一定律表述、热力学第一定律表述说明说明:吸收的热吸收的热=热力学能热力学能+对外所做的功对外所做的功。第23页/共53页5.2.3等温过程等温过程-气体温度始终保持不变气体温度始终保持不变2、P-V图图1、过程特征、过程特征3、热力学第一定律表述、热力学第一定律表述0V1V2Vpp1p2说明说明:吸收的热吸收的热=对外所做的功对外所做的功（能量转换）（能量转换）。
19、第24页/共53页物质的热容：热力学系统温度升高物质的热容：热力学系统温度升高dT，所吸收的热量，所吸收的热量为为dQ与过程有关与过程有关 可以可以0=00摩尔热容摩尔热容规定物质的数量为规定物质的数量为1 mol的热容。的热容。单位为：单位为：。摩尔定体热容摩尔定体热容CV,m：摩尔定压热容摩尔定压热容Cp,m：i表示自由度表示自由度单原子分子：？，双原子分子：？，多原子分子？单原子分子：？，双原子分子：？，多原子分子？第25页/共53页例：例：0.032kg的氧气温度由的氧气温度由20升高至升高至100，问在等，问在等体和等压过程中各吸收多少热量？体和等压过程中各吸收多少热量？比热容比比热
20、容比解解:由由i=5,摩尔质量摩尔质量0.032kg/mol等体过程：等体过程：等压过程：等压过程：第26页/共53页5.2.4绝热过程绝热过程-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。系统和外界无热量交换进行的过程为绝热过程（系统和外界无热量交换进行的过程为绝热过程（重要特征重要特征）dQ=0,Q=0理想气体状态方程理想气体状态方程热力学第一定律热力学第一定律(1)、(2)两式微分得：两式微分得：(3)、(4)两式联立，消去两式联立，消去dT可得：可得：第27页/共53页利用理想气体状态方程，由此还可以得到整理，分离变量，得上式积分得或理想气体绝热理想气体绝热方程方程第2
21、8页/共53页过程等容等压等温绝热四种准静态过程第29页/共53页5.2.5 5.2.5 循环过程循环过程 系统经过一系列状态变化后，又回到原来的状态的过程叫循环过程，系统经过一系列状态变化后，又回到原来的状态的过程叫循环过程，简称循环。简称循环。VPVP正循环正循环逆循环逆循环第30页/共53页介绍一个具体的热机介绍一个具体的热机-蒸汽机蒸汽机内燃机内燃机高温热源低温热源热机Al热机的效率热机的效率5.2.5.15.2.5.1热机热机工作物质做正循环的机器叫做热机。如蒸汽机和内燃机工作物质做正循环的机器叫做热机。如蒸汽机和内燃机VP正循环正循环l热机必须有工作物质、高温热源（锅炉）、低温热源
22、（冷凝器）热机必须有工作物质、高温热源（锅炉）、低温热源（冷凝器）第31页/共53页氨A 实例：电冰箱的工作原理实例：电冰箱的工作原理-(工质：氨、氟利昂工质：氨、氟利昂-“搬运工搬运工”)(工质：氨、氟利昂)工作物质做逆循环的机器叫做制冷机。如冷冻机。工作物质做逆循环的机器叫做制冷机。如冷冻机。5.2.5.2 5.2.5.2 制冷机制冷机第32页/共53页高温热源低温热源制冷机致冷机：在外界作功的条件下，从低温热源吸收热量传向致冷机：在外界作功的条件下，从低温热源吸收热量传向高温热源高温热源。定义：致冷系数单位数量的单位数量的功功能从低温热源能从低温热源提取的热量提取的热量来说明致冷的性能。
23、来说明致冷的性能。VP逆循环逆循环第33页/共53页一直敞开冰箱门一直敞开冰箱门能制冷整个房间能制冷整个房间吗？吗？思考：思考：打开冰箱凉快一下打开冰箱凉快一下第34页/共53页问题：问题：循环类型很多，哪种循环的效率最高？循环类型很多，哪种循环的效率最高？如何提高热机的效率？如何提高热机的效率？最大可能的效率是多少？最大可能的效率是多少？萨迪萨迪.卡诺（卡诺（Sadi.Carnot,1796-1832），其父），其父拉萨尔拉萨尔.卡诺是法国的著名人物，萨迪卡诺是法国的著名人物，萨迪.卡诺从父卡诺从父亲那里学习了物理、数学等知识。后来先后进入亲那里学习了物理、数学等知识。后来先后进入巴黎工艺学
24、院和工兵学校学习。专心研究热机理巴黎工艺学院和工兵学校学习。专心研究热机理论。论。1832年年8月月24日因霍乱病逝，终年日因霍乱病逝，终年36岁。岁。第35页/共53页卡诺在卡诺在1824年提出要研究两个重要问题，年提出要研究两个重要问题，“热机的效率与工热机的效率与工作物质有无关系作物质有无关系”，“热机效率是不是有一个限度热机效率是不是有一个限度”瀑布的动力依赖于他的高度和水量，热的动力依赖于所用瀑布的动力依赖于他的高度和水量，热的动力依赖于所用热质的量和热质的下落高度热质的量和热质的下落高度卡诺利用类比方法得到结论，蒸汽机必须工作于高温热源和卡诺利用类比方法得到结论，蒸汽机必须工作于高
25、温热源和低温热源之间，提出了一个理想热机模型和一个理想的循环模型低温热源之间，提出了一个理想热机模型和一个理想的循环模型卡诺采用了类比、科学抽象和理想模型的思维方法。卡诺采用了类比、科学抽象和理想模型的思维方法。1824年，卡诺研究了一种理想循环，并从理论上证明了他的效年，卡诺研究了一种理想循环，并从理论上证明了他的效率最高，从而指出了提高热机效率的途径，这种循环叫卡诺循率最高，从而指出了提高热机效率的途径，这种循环叫卡诺循环，循环工作的热机叫卡诺机。环，循环工作的热机叫卡诺机。第36页/共53页1.定义：定义：由两个由两个等温过程等温过程和两个和两个绝热过程绝热过程组成的准静态组成的准静态循
26、环过程为循环过程为卡诺循环卡诺循环。按卡诺循环工作的热机为按卡诺循环工作的热机为卡卡诺诺机机。2.2.卡诺机的热机效率卡诺机的热机效率povT1T2abcdab等温等温膨胀吸热膨胀吸热为：为：由等温过程求吸热由等温过程求吸热Q1和放热和放热Q2:cd等温等温压缩放热压缩放热为：为：5.2.6卡诺循环第37页/共53页代入热机效率一般公式：代入热机效率一般公式：利用绝热过程方程，整理化简：利用绝热过程方程，整理化简：bc绝热膨胀：绝热膨胀：da绝热压缩：绝热压缩：上面两式相除上面两式相除卡诺循环效率卡诺循环效率povT1T2abcd第38页/共53页提高高温热源的温度现实些提高高温热源的温度现实
27、些1.理论指导作用理论指导作用讨论：讨论：2.理论说明低温热源温度理论说明低温热源温度T2 0，说明热机效率，说明热机效率 现代热电厂的汽轮机利用的水蒸气温度达到580C，冷凝水温度为30C，按卡诺循环计算=1-T1/T2=64.5%。实际情况差很多，最高为36%。卡诺循环效率卡诺循环效率第39页/共53页例、一可逆卡诺热机低温热源的温度为70C，效率为40；若将效率提高到50，则高温热源温度需提高几度？第40页/共53页解决与热现象有关过程方向性问题。独立于热力学第一定律的基本定律。一、热力学第二定律的表述1、开尔文表述：不可能制造一种循环动作的热机，只从一个热源吸收热量，使之完全变成有用的
28、功，其他物体不发生任何变化（功变热不可逆）。第第二二类类永永动动机机：从从单单一一热热源源吸吸收收热热量量，并并将将之之全全部部转转化化为为功功而不产生其他变化的热机。而不产生其他变化的热机。5.3 热力学第二定律第41页/共53页热热力力学学第第二二定定律律是是关关于于自自然然过过程程方方向向的的一一条条基基本本的的普普遍遍定定律律，它它是是较较热热力力学学第第一一定定律律层层次次更更深深的的定律。定律。2、克劳修斯表述：热量不能自动地从低温物体传到高温物体（热传导不可逆）二、两种表述的等价性违背克劳修斯表述则必违背开尔文表述。第42页/共53页三、可逆过程和不可逆过程可逆过程：任何一个系统
29、状态变化过程若能使系统沿着相反方向经过与原来完全一样的中间状态再回到原状态而不引起其他变化。说明：1）系统复原；2）外界复原。不可逆过程：若一过程产生的效果无论用任何复杂的方法，在不引起其他变化的条件下，都不能回复原态。第43页/共53页开氏表述的实质开氏表述的实质功变热不可逆功变热不可逆克氏表述的实质克氏表述的实质热传导不可逆热传导不可逆功变热功变热不可逆不可逆热传导热传导不可逆不可逆开氏、克氏开氏、克氏表述等效性表述等效性实质：一切与热现象有关的实际宏观过程都实质：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。是不可逆的。热力学第二定律的实质第44页/共53页五、卡诺定理可逆机的效率都相同(
30、在T1、T2间工作)一切非可逆机的效率小于可逆机的效率提高热机效率的方法第45页/共53页熵：一个重要状态函数，其变化指明了自发过程进行的方向。克劳修斯不等式等号对应于可逆过程，不等号对应于不可逆过程。熵的微分定义式函数，我们将此态函数定义为熵。即函数，我们将此态函数定义为熵。即第46页/共53页 对于从状态A到状态B的可逆过程有：系统处于B态和A态的熵差等于沿A、B之间任意一可逆路径R（如图中的R1和R2）的热温商的积分。熵具有可加性，系统的熵等于各子系统熵之和。-熵的积分定义式-单位 J K-1第47页/共53页对于包含不可逆过程的循环，有热力学第二定律的表达式第48页/共53页二、熵增加
31、原理对绝热过程，d Q=0熵增加原理:在绝热过程中,熵永不减少。任何自发不可逆过程总是向熵增加方向进行。应用举例：热传导过程：当热量从高温物体传到低温物体时，第49页/共53页当热量从低温物体传向高温物体时，由于D D S 0，此过程是不能发生的。热功转换过程：设热机在一个循环中，从热源吸收热量Q 并全部转化为功。故此过程不能进行。第50页/共53页熵是态函数:熵有相加性;绝热不可逆过程熵增加;熵是系统混乱度的量度，在平衡态时达最大。不可逆过程实质：不可逆过程实质：熵的微观意义和玻尔兹曼公式第51页/共53页分类基本原理现象解释宏观理论热力学第零定律-温度热力学第三定律-绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零，或者绝对零度(T=0)不可达到。各种温度计，自然界最低和最高温度，几种环境下的温度量级热力学第一定律-能量守恒定律不能实现的第一类永动机，钻木取火，汽车发动机原理，蒸汽机，电冰箱热力学第二定律-热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体不能实现的第二类永动机。微 观理 论气体动理论（微观结构、统计）热胀冷缩、孔明灯、热气球、拔火罐、飘香四溢、大气层高度、PM2.5第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页