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1、物理热力学基础第1页，本讲稿共53页1.热力学系统：热力学系统：热力学研究的对象（物体或物体组），热力学研究的对象（物体或物体组），其它均称为外界。其它均称为外界。系统的分类：系统的分类：与外界有功，有热交换与外界有功，有热交换:与外界有功，无热交换与外界有功，无热交换:与外界无功，无热交换与外界无功，无热交换:一般系统一般系统绝热系统绝热系统封闭（孤立）系统封闭（孤立）系统一一 系统状态和过程系统状态和过程2第2页，本讲稿共53页2.平衡态平衡态不受外界影响的系统，其宏观性质不受外界影响的系统，其宏观性质 （P、V、T）不随外界变化的状态。）不随外界变化的状态。3.热力学过程热力学过程状态随
2、时间变化的过程，过程分类：状态随时间变化的过程，过程分类：（1）按系统与外界的关系分类按系统与外界的关系分类:自发过程：无外界帮助，系统的状态改变。自发过程：无外界帮助，系统的状态改变。非自发过程：有外界帮助，系统的状态改变。非自发过程：有外界帮助，系统的状态改变。非平衡态非平衡态 到到平衡态平衡态平衡态到平衡态到非平衡态非平衡态3第3页，本讲稿共53页（2）按过程中经历的各个状态的性质分类按过程中经历的各个状态的性质分类:准静态过程（平衡过程）：准静态过程（平衡过程）：初态、每个中间态、终态初态、每个中间态、终态 都可近似地看成是平衡态都可近似地看成是平衡态的过程。的过程。非静态过程（非平衡
3、过程）：非静态过程（非平衡过程）：只要有一个状态不是平衡态，整个过程就是非静态过只要有一个状态不是平衡态，整个过程就是非静态过程。程。34第4页，本讲稿共53页（3）按过程的特征分类按过程的特征分类:等容过程：等容过程：d V=0 等压过程：等压过程：d P=0 等温过程：等温过程：d T=0 绝热过程：绝热过程：d Q=0，Q=0 循环过程：循环过程：d E=0 E终态终态 =E初态初态等值过程等值过程5第5页，本讲稿共53页10 实际的热力学过程是非平衡过程。实际的热力学过程是非平衡过程。注意：注意：例：压缩过程例：压缩过程6第6页，本讲稿共53页2 20 0 平衡过程是无限缓慢地进行的，
4、是理想化的抽象。平衡过程是无限缓慢地进行的，是理想化的抽象。7第7页，本讲稿共53页30 平衡过程可在平衡过程可在 PV 图上表示出来。图上表示出来。PV 图上一个点，表图上一个点，表示一个示一个 状态。状态。PV 图上一条线，表示一个图上一条线，表示一个 过程。过程。非非平衡态，平衡态，非非平衡过程平衡过程不能不能在在PV 图上表示！图上表示！平衡平衡平衡平衡128第8页，本讲稿共53页二二 内能内能内能内能:由热运动状态决定的一种能量。由热运动状态决定的一种能量。内能是描述热力学系统状态的物理量。内能是描述热力学系统状态的物理量。内能是系统状态的单值函数。内能是系统状态的单值函数。对于理想
5、气体对于理想气体-温度的单值函数温度的单值函数当状态变化时，内能的变化为当状态变化时，内能的变化为-与过程无关与过程无关9第9页，本讲稿共53页功的几何意义：功的几何意义：1V2V12PVdV功在数值上等于功在数值上等于p V 图上图上过程曲线下的面积。过程曲线下的面积。一一 功功（过程量）（过程量）10第10页，本讲稿共53页功的正负：功的正负：系统体积增大，做正功；系统体积增大，做正功；系统体积减小，做负功。系统体积减小，做负功。11第11页，本讲稿共53页(1)(1)体积功体积功只适用于准静态过程。只适用于准静态过程。(3)(3)功是过程量，功不是功是过程量，功不是状态函数。状态函数。(
6、4)(4)作作功功是是能能量量传传递递和和转转换的一种方式。换的一种方式。说明说明(2)(2)宏观功，通过系统的宏观位移实现宏观功，通过系统的宏观位移实现是系统外物体的有规则是系统外物体的有规则 运动与系统内分子无规运动与系统内分子无规则运动之间的转换。则运动之间的转换。12第12页，本讲稿共53页 已知理想气体在一个准静态过程中压强已知理想气体在一个准静态过程中压强 p 与体积与体积V 满足关系式满足关系式 ，其中，其中 ，C 均为常数。均为常数。求：求：例例1 当理想气体的体积从当理想气体的体积从V1膨胀膨胀到到V2时，系统对外界所做的功。时，系统对外界所做的功。根据题设根据题设解：解：有
7、有,13第13页，本讲稿共53页二二 热热 量量（过程量过程量）系统和外界之间存在温差而发生的能量传递系统和外界之间存在温差而发生的能量传递.热量传递叫做微观功热量传递叫做微观功.传热：传热：通过分子间的相互作用来完成，是系统通过分子间的相互作用来完成，是系统外、内分子无规则运动之间的转换。外、内分子无规则运动之间的转换。14第14页，本讲稿共53页单位单位摩尔摩尔热容热容:热力学系统热力学系统吸收热量吸收热量 ，使，使温度升高温度升高 ，其，其摩尔摩尔热容为热容为:比热：比热：m kg 热力学系统热力学系统吸收热量吸收热量 ，使温，使温度升高度升高 ，其，其比比热容为热容为:单位单位15第1
8、5页，本讲稿共53页（1）都是都是过程量：与过程有关；过程量：与过程有关；（3）功与热量的物理本质不同功与热量的物理本质不同.1 cal=4.18 J ，1 J=0.24 cal功与热量的异同功与热量的异同（2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；等效性：改变系统热运动状态作用相同；只有在状态变化过程中才有意义，状态不变，无功、只有在状态变化过程中才有意义，状态不变，无功、热可言。热可言。16第16页，本讲稿共53页作机械功改变系统作机械功改变系统 状态的焦耳实验状态的焦耳实验AV作电功改变系统作电功改变系统 状态的实验状态的实验17第17页，本讲稿共53页三三 热力学第一定律热力学第一定律
9、系统系统从外界吸收的热量，从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外界做功另一部分使系统对外界做功.12*18第18页，本讲稿共53页+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外界对系统做功第一定律的符号规定第一定律的符号规定19第19页，本讲稿共53页（1）能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律.第一类永动机是不第一类永动机是不可能制成的可能制成的.（2）实验经验总结，适用于气、液、固，自然界实验经验总结，适用于气、液、固，自然界的普遍规律的普遍规律.注意注意第一类永动机：即不从外界吸收
10、能量，而不断第一类永动机：即不从外界吸收能量，而不断对外作功的机械。对外作功的机械。20第20页，本讲稿共53页（3）热热功转换不是直接进行的，而是间接的，功转换不是直接进行的，而是间接的，内能是传递工具。内能是传递工具。外界对系统作功，使内能增外界对系统作功，使内能增加，再通过内能降低，系统加，再通过内能降低，系统放热。放热。系统吸热后，先使内能增加，再通系统吸热后，先使内能增加，再通过降低内能对外作功。过降低内能对外作功。21第21页，本讲稿共53页准静态过程准静态过程微变过程微变过程22第22页，本讲稿共53页 理想气体准静态过程过程的热量、功和理想气体准静态过程过程的热量、功和内能的计
11、算内能的计算.（1）功的计算）功的计算（理想气体的（理想气体的共性共性）或根据或根据23第23页，本讲稿共53页（2）内能的计算）内能的计算或根据或根据（3）内能的计算）内能的计算或根据或根据24第24页，本讲稿共53页一一 等体过程等体过程 摩尔摩尔定体热容定体热容由热力学第一定律由热力学第一定律特性特性 常量常量过程方程过程方程 常量常量25第25页，本讲稿共53页单位单位 摩尔摩尔定体热容定体热容:理想气体在等体过理想气体在等体过程中吸收热量程中吸收热量 ，使温度升高，使温度升高 ，其，其摩尔摩尔定体热容为定体热容为:26第26页，本讲稿共53页由热力学第一定律由热力学第一定律理想气体理
12、想气体 内能通用式内能通用式27第27页，本讲稿共53页 等等体体升升压压 12 等等体体降降压压 1228第28页，本讲稿共53页12二二 等压过程等压过程 摩尔摩尔定压热容定压热容过程方程过程方程 常量常量特性特性 常量常量 功功A 摩尔气体常量等于摩尔气体常量等于1mol理想气体在温理想气体在温度升高度升高1k时对外所做的功时对外所做的功29第29页，本讲稿共53页 摩尔摩尔定压热容定压热容:理想气体在等压理想气体在等压过程中吸收热量过程中吸收热量 ，温度升高，温度升高 ，其摩，其摩尔尔定压定压热容为：热容为：30第30页，本讲稿共53页 可得摩尔可得摩尔定压定压热容和摩尔热容和摩尔定体
13、定体热容的关系热容的关系 摩尔热容比摩尔热容比 31第31页，本讲稿共53页三个量：三个量：32第32页，本讲稿共53页12W等等 压压 膨膨 胀胀 AA12W等等 压压 压压 缩缩33第33页，本讲稿共53页三三 等温过程等温过程12特征特征 常量常量过程方程过程方程常量常量内能内能QQ（等温过程演示）（等温过程演示）34第34页，本讲稿共53页作功作功由热力学第一定律由热力学第一定律吸热吸热35第35页，本讲稿共53页12等温等温膨胀膨胀W12W等温等温压缩压缩 A A36第36页，本讲稿共53页12四四 绝热过程绝热过程与外界无热量交换的过程与外界无热量交换的过程特征特征由热力学由热力学
14、第一定律第一定律（绝热过程演示）（绝热过程演示）37第37页，本讲稿共53页由热力学第一定律有由热力学第一定律有12A在绝热过程中，在绝热过程中，P、V、T三个参量同时改变。三个参量同时改变。38第38页，本讲稿共53页若已知若已知 及及由由 可得可得39第39页，本讲稿共53页 绝热过程方程的推导绝热过程方程的推导12分离变量得分离变量得40第40页，本讲稿共53页绝绝 热热 方方 程程C1C2C3常量常量41第41页，本讲稿共53页12W绝热绝热膨胀膨胀12W绝热绝热压缩压缩 A A42第42页，本讲稿共53页 绝热线和等温线绝热线和等温线绝热绝热过程曲线的斜率过程曲线的斜率常量常量A43
15、第43页，本讲稿共53页 绝热线的斜率大于等温线的斜率绝热线的斜率大于等温线的斜率.等温等温过程曲线的斜率过程曲线的斜率常量常量ABC常量常量44第44页，本讲稿共53页 绝热线的斜率大于等温线的斜率绝热线的斜率大于等温线的斜率.气体从同一状态气体从同一状态A分别分别经绝热和等温过程膨经绝热和等温过程膨胀胀 VABC常量常量绝热过程绝热过程 A0所以所以 E0，即，即T降低降低45第45页，本讲稿共53页 由相同的初态由相同的初态 a 作同作同样的体积膨胀时，绝热样的体积膨胀时，绝热过程的压强比等温过程过程的压强比等温过程的压强减少得多些。的压强减少得多些。等温：等温：绝热：绝热：绝热绝热等温
16、等温 系统作等温膨胀所系统作等温膨胀所作的功比绝热膨胀的功作的功比绝热膨胀的功要多。要多。46第46页，本讲稿共53页 例例2 设有设有 5 mol 的氢气，最初温度的氢气，最初温度 ，压强压强 ，求下列过程中把氢气压缩，求下列过程中把氢气压缩为原体积的为原体积的 1/10 需作的功需作的功:（1）等温过程等温过程（2）绝热过程绝热过程（3）经这两过程后，气体的经这两过程后，气体的压强各为多少？压强各为多少？12常量常量47第47页，本讲稿共53页 解解 （1）等温过程等温过程（2）氢气为双原子气体氢气为双原子气体由表查得由表查得 ，有，有 已知：已知：12常量常量48第48页，本讲稿共53页
17、（3）对等温过程对等温过程对绝热过程，对绝热过程，有有12常量常量49第49页，本讲稿共53页 例例3 一汽缸中贮有氮气，质量为一汽缸中贮有氮气，质量为1.25kg，在标准大气压下缓慢的加热，使温度升高在标准大气压下缓慢的加热，使温度升高1K。试求气体膨胀时所作的功；气体内能的增量；试求气体膨胀时所作的功；气体内能的增量；气体所吸收的热量（活塞的质量以及它与气缸气体所吸收的热量（活塞的质量以及它与气缸壁的摩擦均可略去）壁的摩擦均可略去）。已知已知 等压膨胀过程等压膨胀过程质量质量摩尔质量摩尔质量自由度自由度50第50页，本讲稿共53页解解51第51页，本讲稿共53页过过程程 特征特征 过程方程过程方程 能量转换能量转换方式方式 内能增量内能增量E E 对外作功对外作功A A 吸收热量吸收热量Q Q 摩尔热容摩尔热容 等等体体 0等等压压 等等温温 0绝绝热热 00理想气体热力学过程有关公式对照表理想气体热力学过程有关公式对照表 52第52页，本讲稿共53页为什么？为什么？练习练习分别写出单原子分子，双原子分子和多原子分别写出单原子分子，双原子分子和多原子分子的定压摩尔热容，定容摩尔热容，及比分子的定压摩尔热容，定容摩尔热容，及比热容比热容比讨论讨论作业作业P52 22，23，2453第53页，本讲稿共53页