热力学基础马文蔚顺序.ppt

热 学,热学：研究物质热现象的规律及其应用。 研究方法： 由观察和实验入手，总结出热现象规律，构成热现象的宏观理论，叫做热力学； 从物质的微观结构出发（即以分子、原子的运动和它们之间的相互作用出发），应用统计方法去研究热现象的规律，构成热现象的微观理论，叫做统计物理学。,第八章 热力学基础,物理模型：理想气体、准静态过程 基本概念：平衡态、热量、功、内能 基本定律：热力学第零定律、第一定律、 第二定律,一、平衡态,热力学系统（热力学研究的对象）： 大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。,外界：热力学系统以外的物体或环境。,系统分类（按系统与外界交换特点）：,孤立系统：与外界既无能量又无物质交换 封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换 开放系统：与外界既有能量交换又有物质交换,系统分类（按系统所处状态）：,平衡态系统 非平衡态系统,热平衡态: 在无外界的影响下，不论系统初始状态如何，经过足够长的时间后，系统的宏观性质不随时间改变的稳定状态。,平衡条件: (1) 系统与外界在宏观上无能量和物质的交换 (2) 系统的宏观性质不随时间改变。,非平衡态: 不具备两个平衡条件之一的系统。,说明：,平衡态是一种热动平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞， 每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间 改变。 平衡态是一种理想状态,二 、对热力学系统的描述：,1. 宏观量状态参量 平衡态下描述宏观属性的相互独立的物理量。 压强 p：作用于容器器壁上单位面积的正压力。单位：Pa 体积 V：气体所能达到的空间。单位：m3 温度 T：表征物体的冷热程度 。 温标：温度的数值表示方法。 摄氏温标:t 热力学温标:T K,2. 微观量 描述系统内个别微观粒子特征的物理量。 如分子的质量、 直径、速度、动量、能量 等。 微观量与宏观量有一定的内在联系。,若 A 和 B、B 和 C 分别热平衡，则 A 和 C 一定热平衡。,处在相互热平衡状态的系统拥有某一共同的宏观物理性质 温度,热力学第零定律,三、理想气体状态方程,理想气体： 在任何情况下都遵守玻意耳、盖.吕萨克及查理定律的气体，称为理想气体。 一般真实气体，如氮、氧、氢、氦等，在温度不太低，压强不太大时，都可以近似看做理想气体。理想气体是真实气体的一个理想模型。,理想气体,理想气体状态方程：当系统处于平衡态时，各个状态参量之间的关系式。,8-1 准静态过程 功和热量,热力学系统（热力学研究的对象）： 大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。,外界：热力学系统以外的物体或环境。,系统分类（按系统与外界交换特点）：,孤立系统：与外界既无能量又无物质交换 封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换 开放系统：与外界既有能量交换又有物质交换,当热力学系统在外界影响下，从一个状态到另一个状态的变化过程，称为热力学过程，简称过程。,热力学过程,准静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，如果过程中所有中间态都可以近似地看作平衡态的过程。,非静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，过程中中间态为非平衡态的过程。,一、准静态过程,pV图上，一点代表一个平衡态，一条连续曲线代表一个准静态过程。,这条曲线的方程称为过程方程，准静态过程是一种理想的极限。,当活塞移动微小位移dl时， 系统对外界所作的元功为：,系统体积由V1变为V2，系统对外界作总功为：,1、体积功的计算,外界对系统作功,二、准静态过程的功,2、体积功的图示,比较 a , b过程可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。 功是过程量,由积分意义可知，功的大小等于pV 图上过程曲线p(V)下的面积。,Cm (摩尔热容)：1mol物质升高1K所吸收的热量,1、热容法,2、利用热力学第一定律,三、热量,热量：系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量，用Q 表示。,5-3 内能 热力学第一定律,一、内能：表征系统内部运动状态的能量 。 由热力学系统内部状态所决定的一种能量，它是系统状态的单值函数 由微观上看，它包括系统内部所有分子无规则运动的动能、分子内原子间的势能、分子间相互作用的势能以及所有原子内部的能量,系统内能改变的两种方式,1、做功可以改变系统的状态 摩擦升温（机械功）、电加热（电功） 做功是系统内能与外界其它形式能量转换的量度。 2、热量传递可以改变系统的内能 热量是系统与外界内能转换的量度。 使系统的状态改变，热传递和做功是等效的。,某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功 A，系统内能从初始态 E1变为 E2，则由能量守恒：,Q0，系统吸收热量；Q0,系统对外作正功；A0,系统内能增加，E0,系统内能减少。,规定,热力学第一定律 的普遍形式,二、热力学第一定律,对无限小过程,对于准静态过程，如果系统对外作功是通过体积的变化来实现的，则,热力学第一定律另一表述： 制造第一类永动机(能对外不断自动作功而不需要消耗任何燃料、也不需要提供其他能量的机器)是不可能的。,表示升高1K所吸收的热量,热容量：系统在某一无限小过程中吸收热量dQ与温度变化dT的比值称为系统在该过程的热容量（C）,摩尔热容量：1mol物质的热容量（Cm）,单位质量的热容量叫比热容。,5-4 等体过程与等压过程一、气体的摩尔热容量,V=恒量，dV=0，dA=pdV=0，,等体过程中，外界传给气体的热量全部用来增加气体的内能，系统对外不作功。,二、等体过程,理想气体的定体摩尔热容量,p=恒量,等压过程中系统吸收的热量一部分用来增加系统的内能，一部分用来对外做功。,三、等压过程,迈耶公式,在等压过程，温度升高1度时，1mol理想气体多吸收8.31J的热量，用来转换为膨胀时对外做功。,比热容比或绝热系数,理想气体,理想气体的定压摩尔热容量,Cm (摩尔热容)：1mol物质升高1K所吸收的热量,1、热容法,2、利用热力学第一定律,热量的计算方法,T=恒量，dT=0，dE=0,等温过程中系统吸收的热量全部转化为对外做功，系统内能保持不变。,四、等温过程,一、绝热过程,系统不与外界交换热量的过程。,绝热过程中系统对外做功全部是以系统内能减少为代价的。,绝热方程,5-5 绝热过程,气体绝热自由膨胀,Q=0， W=0，E=0,绝热线与等温线比较,膨胀相同的体积绝热比等温压强下降得快,等温,绝热,绝热线比等温线更陡。,联立消去dT,二、绝热方程的推导,总结,例:1mol单原子理想气体,由状态a(p1,V1)先等压加热至体积增大一倍，再等容加热至压力增大一倍，最后再经绝热膨胀，使其温度降至初始温度。如图，试求： （ 1）状态d的体积Vd；（2）整个过程对外所作的功;（3）整个过程吸收的热量。,解：（1）根据题意,又根据物态方程,再根据绝热方程,（2）先求各分过程的功,（3）计算整个过程吸收的总热量有两种方法,方法一：根据整个过程吸收的总热量等于各分过程吸收热量的和。,方法二：对abcd整个过程应用热力学第一定律：,例:某理想气体的p-V关系如图所示，由初态a经准静态过程直线ab变到终态b。已知该理想气体的定体摩尔热容量CV=3R，求该理想气体在ab过程中的摩尔热容量。,解：ab过程方程为,设该过程的摩尔热容量为Cm,物质系统经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程，简称循环。,循环工作的物质称为工作物质，简称工质。,循环过程的特点：E=0,若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用p-V 图上的一条闭合曲线表示。,正循环：顺时针方向 逆循环：逆时针方向,5-6 循环过程 卡诺循环,正循环 工质在整个循环过程中对外作 的净功等于曲线所包围的面积。,整个循环过程 工质从外界吸收热量的总和为Q1 放给外界的热量总和为Q2,正循环过程是将吸收的热量中的一部分A净转化为有用功，另一部分Q2放回给外界,热机:通过工质使热量不断转换为功的机器。,一、热机 热机的效率,热机效率,热机循环：,热机循环,热机,工质对外作负功,工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源。,二、致冷系数,致冷系数,冰箱制冷原理演示,冰箱制冷原理,经压缩过的氟里昂蒸汽在冷凝器中被冷凝为液态氟里昂，然后经过节流阀降压降温，在蒸发室中，氟里昂液体从待冷却的物体中吸收热量全部蒸发为气体，被压缩机抽进，重新经过压缩进行下一个循环。,由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程所组成的循环称之为卡诺循环。,三、卡诺循环,12：与温度为T1的高温热源接触，T1不变， 体积由V1膨胀到V2，从热源吸收热量为:,23：绝热膨胀，体积由V2变到V3，吸热为零。,34：与温度为T2的低温热源接触,T2不变，体积由V3压缩到V4，从热源放热为:,41：绝热压缩，体积由V4变到V1，吸热为零。,对绝热线23和41：,说明：,（1）完成一次卡诺循环必须有温度一定的高温 和低温热源,（2）卡诺循环的效率只与两个热源温度有关,（3）卡诺循环效率总小于1,（4）在相同高温热源和低温热源之间的工作的 一切热机中，卡诺循环的效率最高。,逆向卡诺循环反映了制冷机的工作原理，其能流图如图所示。,工质把从低温热源吸收的热量Q2和外界对 它所作的功A以热量的形式传给高温热源Q1.,致冷系数,1mol氧气作如图所示的循环.求循环效率.,解:,例题,热力学第一定律只总结了物质运动中能量转换的当量问题，而没有涉及某种变化发生的可能性及其限度。变化的可能性就是过程的方向问题，而限度就是平衡问题。这两个问题具有十分重要的实际意义，热力学第二定律就是要解决这两个问题,一、开尔文表述,开尔文(L.Kelvin 英国物理学家(1824-1907) )1851年提出: 不可能制成一种循环动作的热机，它只从一个从单一热源吸取热量，并使之完全变成有用的功而不引起其他变化。 “单一热源”是指温度均匀并且恒定不变的热源 表明热机必须工作于两个热源之间,7-6 热力学第二定律,Ostwald对热力学第二定律的另一表述 第二类永动机（从单一热源吸热并全部变为功的热机）是不可能实现的。,Wilhelm Ostwald 德国化学家(1853-1932) 1909年Nobel化学奖获得者 “物理化学之父”,克劳修斯叙述：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。 或”热量不可能自动地从低温物体传到高温物体”。,两种表述的一致性,二、克劳修斯表述,R.J.E Clausius 德国物理学家(1822-1888),对于孤立系统，从非平衡态向平衡态过渡是自动进行的，这样的过程叫自然过程。 具有确定的方向性。,(1)功变热是自动地进行的。 功热转换的过程是有方向性的。,(2)热量是自动地从高温物体传到低温物体。 热传递过程是有方向性的。,(3)气体自动地向真空膨胀。 气体自由膨胀过程是有方向性的。,三、自然过程的方向性,可逆过程: 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态,而不引起其他变化.,不可逆过程: 在不引起其他变化的条件下 , 不能使逆过程重复正过程的每一状态 , 或者虽然重复但必然会引起其他变化.,注意：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。,一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的。,四、可逆过程和不可逆过程,一、热力学第二定律的微观意义,系统的热力学过程就是大量分子无序运动状态的变化,功变热过程、热传递过程、气体自由膨胀过程,大量分子从无序程度较小（或有序）的运动状态向无序程度大（或无序）的运动状态转化,热力学第二定律的微观意义 一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。,7-7 热力学第二定律的统计意义,1、热力学概率,不可逆过程的初态和终态存在怎样的差别?,假设A中装有a、b、c、d 4个分子（用四种颜色标记）。 开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。,二、热力学概率,分布 （宏观态）,详细分布 （微观态）,A4B0（宏观态） 微观态数 1,A3B1（宏观态） 微观态数4,A2B2（宏观态） 微观态数 6,热力学第二定律的适用范围,只能用于宏观观世界，微观世界如个别分子的运动不能用热力学第二定律去恒量。而对于超客观的世界如宇宙，由于它是一个开放的不平衡的体系，热力学第二定律也无法解释其发展规律，因而它后有非平衡态热力学使热力学得以延伸。,