大学物理热力学(课件)ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 热力学,大学物理,多媒体教学课件,Chapter 4 Thermodynamics,Chapter,4,热力学,热力学和分子动理论（气体动理论是其中的一部分）的研究对象都是宏观物体的热现象。,从物质的微观结构入手,本章重点讨论,热力学第一、第二定律及其应用,，并介绍热力学函数：,熵,等。,以宏观系统为对象,运用统计的方法,能量守恒和转换定律等,研究气体分子微观量的统计平均值与宏观量之间的关系,研究宏观物理量之间的关系,更深刻地揭示了热现象的规律及其微观本质。,来自实践的定律印证了理论的正确性。,分子动理论,热力学,Chapter,4,热力学,热力学的理论基础是热力学第一定律和热力学第二定律。,热力学第一定律,:,包括热现象在内的能量守恒与转换定律,热力学第二定律：实际过程进行的方向和限度问题,一、热力学系统,孤立系统,封闭系统,开放系统,与外界既无物质交换也无能量交换,热学研究的对象，由大量分子原子组成，简称系统。,与外界只有能量交换没有物质交换,与外界既有物质交换也有能量交换,系统以外的物质称为外界（环境）。,由系统与外界（环境）的关系：,4-1,热力学第一定律,4-1,热力学第一定律,孤立系统,封闭系统,开放系统,与外界既无物质交换也无能量交换,与外界只有能量交换没有物质交换,与外界既有物质交换也有能量交换,由系统与外界（环境）的关系：,二、平衡态,O,P,V,P,V,图,F,1,2,图中一个点对应一个平衡态,平衡态,:,热力学系统如果与外界没有能量交换，内部也不发生任何形式的能量转化，经过足够长的时间后，可达到宏观性质稳定的状态，这一状态称为,平衡态,。（热动平衡）,P,1,P,2,4-1,热力学第一定律,二、平衡态,O,P,V,P,V,图,F,1,2,图中一个点对应一个平衡态,平衡态,:,热力学系统如果与外界没有能量交换，内部也不发生任何形式的能量转化，经过足够长的时间后，可达到宏观性质稳定的状态，这一状态称为,平衡态,。（热动平衡）,P,2,三、热力学过程,系统的宏观状态随时间的变化过程称为热力学过程，简称过程。,过程的发生必然导致平衡态的破坏,任何实际过程都无法在,P-V,图上表示,。,4-1,热力学第一定律,O,P,V,F,1,2,三、热力学过程,系统的宏观状态随时间的变化过程称为热力学过程，简称过程。,准静态过程,系统在变化的过程中所经历的每一中间状态都无限接近平衡态,准静态过程,一个准静态过程对应,P,-,V,图中一条曲线,过程的发生必然导致平衡态的破坏,任何实际过程都无法在,P-V,图上表示,。,4-1,热力学第一定律,O,P,V,F,1,2,准静态过程,系统在变化的过程中所经历的每一中间状态都无限接近平衡态,准静态过程,一个准静态过程对应,P,-,V,图中一条曲线,说明：,（,1,）准静态过程是一个,理想过程,。实际过程在进行的“足够缓慢”时，系统在任一时刻都无限接近平衡态，这样的过程才可能是准静态过程。,足够缓慢：恢复平衡时间（弛豫时间）无限接近过程进行的时间。,（,2,）,只有平衡过程才能用,P,V,图描述,状态,1,到状态,2,气体对外界做功：,四、功、热、内能,气体对外界作元功为：,以气体膨胀过程为例：,1,、,功,(work),讨论：,(1),d,A,=,p,d,V,在,p,-,V,图上对应曲线下,窄条面积,（,2,）,气体对外界做功与过程有关，,功,是,过程量。,（如图沿着虚线与沿着实线做功不同。）,P,V,1,2,d,V,P,A,对应曲线下,V,1,V,2,间的,面积,。,两系统间由于温度不同所传,递,的能量的多少就叫,热量,，用,Q,表示，,传递热量可以改变系统的状态。,(2),做功、传热都是能量,变化的量度，是,过程量,。,(1)Q=cM,（,T,2,-T,1,）,c,比热,（,J/kgK,）,；,说明：,2,、热量,(heat),Q=c,（,T,2,-T,1,）,=C,（,T,2,-T,1,）,C,摩尔热容,（,J/mol K,）,做功：,通过宏观的有规则运动（如机械运动、电流运动）与系统内分子的无规则运动来完成的能量交换，亦称宏观功。,传热：,通过接触面上分子的相互碰撞来完成的能量交换，不涉及是否发生宏观位移，亦称微观功。,（,3,）做功与传热的区别：,3,、内能,(internal energy),热力学系统在一定的状态下，具有一定的能量，称为热力学系统的,内能,。,（,2,）内能的变化只决定于初末两个状态，与所经历的过程无关，即内能是系统状态的单值函数,E,=,f,(,T,、,V,),，,是,状态量。,（,1,）系统的,内能,就是系统中所有分子的热运动能量和分子间相互作用的势能的总和。,说明,：,（,3,）理想气体的,内能,E,=,f,（,T,），,系统向外界放热；,外界对系统做功；,系统内能减少。,这一包含热量在内的,能量守恒,表示式就是,热力学第一定律,。,系统从外界吸热；,系统对外界做功；,系统内能增加；,对一个无限小的状态变化过程,热力学第一定律适用于任何热力学系统所进行的任意过程。,说明：,（,1,）,（,2,）,（,3,）,（,4,）,第一类永动机不可能实现。,即系统从外界吸收热量等于系统内能的增量和对外做功之和。,五、热力学第一定律,+,系统吸热,系统放热,内能增加,内能减少,系统对外界做功,外界对系统做功,第一定律的符号规定,A,(6),实验经验总结，自然界的普遍规律,.,例题,4-1,某系统吸热,800J,，对外做功,500J,，由状态,A,沿路径,1,变到状态,B,，气体的内能改变了多少？如果系统沿路径,2,由状态,B,回到状态,A,时，外界对系统做功,300J,，气体放出热量多少？,解,:,由热力学第一定律,Q=,D,E+A,A,1B,D,E=Q A=,800,500=300J,B2A,Q=,D,E+A,=,300,300=,600J,放出热量,内能增加,A,B,1,2,O,P,V,一、理论基础,（,1,）,（,理想气体的,共性,）,（,2,）,解决过程中能,量转换的问题,（,3,）,（,理想气体的状态函数,）,（,4,）,各等值过程的特性,.,4-2,热力学第一定律对理想气体的应用,二、等体过程,定义,：,系统从初态到末态变化过程中体积始终保持不变的过程称为,等体过程,(isochoric process),.,等体过程中，系统对外不作功，吸收的热量全用于增加内能。,（,Q,为正，,E,增；,Q,为负，,E,减）,热一律应用：,特征：,d,V,=0(d,A,=0),V,恒量,PV,图：,平行于,P,轴一条直线，等容线。,过程方程,：,P,/,T,=,恒量。,（有限过程,）,1,、等体过程,A,=0,V,p,V,2,、等体摩尔热容,即：理想气体的等体摩尔热容是一个只与分子自由度有关的量。,适应于所有过程,一摩尔气体在体积不变时，温度改变,1,K,时所吸收或放出的热量称为,等体摩尔热容,(,molar heat capacity at constant volume),。,三、等压过程,1,、等压过程,定义：,系统压强在状态变化过程中始终保持不变的过程,称为,等压过程,(isobaric process),。,热一律应用：,特征：,d,P,=0,，,P,=,恒量。,PV,图：,平行于,V,轴的直线，,等压线,。,过程方程：,V,/,T,=,恒量,（有限过程,）,V,1,P,V,p,V,2,A,2,、定压摩尔热容,注意：,一摩尔气体温度改变,1,K,时，在等压过程中比在等体过程中多吸收,8.31,J,的热量用来对外作功。,一摩尔气体在压强不变时，温度改变,1,K,时所吸收或放出的热量称为,定压摩尔热容,(,molar heat capacity at constant pressure),。,在等压过程中，理想气体吸热的一部分用于增加内能，另一部分用于对外作功。,于是,迈耶公式,(J.R.Meyer),叫做比热容比,C,v,C,p,比热容比,单原子分子,3,5,1.67,双原子分子,5,7,1.4,刚性多原子分子,6,8,1.3,C,p,、,C,V,的单位是,J/mol,K,，,与,R,的单位一致,。,2,+,=,=,i,i,C,C,V,P,g,说明,:,3,、比热容比,四、,等温过程,系统温度在状态变化过程中始终保持不变,的过程,称为,等温过程,(isothermal process),。,在等温过程中，理想气体吸热全部用于对外作功，或外,特征：,d,T,=0(,E,=0),T,恒量,PV,图：,等轴双曲线（,P,=C/,V,）。,状态方程：,PV,=,常量。,热一律应用：,（有限过程,）,P,1,V,1,P,V,O,P,2,V,2,A,等温线,1,2,ln,V,V,RT,M,m,=,A,Q,T,=,界对气体作功全转换为气体放出的热。,定义：,系统在状态变化过程中始,终与外界没有热交换。,绝热膨胀过程中，系统对外作的功，是靠内能减少实现的，故温度降低；绝热压缩过程中，外界对气体作功全用于增加气体内能，故温度上升。,特征：,过程方程：,热一律应用,：,（有限过程,）,v,绝热套,P,V,P,2,P,1,V,2,O,V,1,PV,图：,比等温线陡的一条曲线（,绝热线,）,。,五、,绝热过程,1,、绝热过程,(adiabatic process),A,系统从,1-2,为绝热过程，据绝热方程，可得过程中的,pV,关系。,系统对外作功为：,绝热膨胀系统对外做功,P,V,1,V,2,绝热线,绝热过程,等温过程,等温线、绝热线的斜率分别为：,绝热线比等温线陡。,绝热线,P,V,P,1,V,2,O,V,1,P,2,P,2,A,C,B,AC,AB,2,、绝热线与等温线比较,由,P,=C/,V,3,、绝热过程方程的推导,对绝热过程，据热力学第一定律，有,即,对状态方程,（,1,）,/,（,2,）式消去,d,T,得,(1),(2)*,两边微分得,3,1,C,p,T,or,=,-,-,g,g,2,1,C,TV,or,=,-,g,绝热过程方程,积分得,即,1.,列表分类总结各,过程,的热功转换公式,过程,特征,传递热量,Q,做功,A,内能增量,等容,V,=,衡量,等压,P,=,衡量,等温,T,=,衡量,绝热,Q,=0,2.,解题步骤：,确定过程找特征,;,选用公式作计算,六、小结,例题,4-2,一气缸中贮有氮气，质量为,1.25,kg,。,在标准大气压下,缓慢地加热，使温度升高,1,K,。,试求气体膨胀时所作的,功,A,、,气体内能的增量,E,以及气体所吸收的热量,Q,p,。,（,活塞的质量以及它与气缸壁的摩擦均可略去）,因,i,=5,所以,C,v,=,iR,/2=20.,8J/,(,mol,K,),，,可得,解：,因过程是等压的，得,P,O,V,P,1,V,1,V,4,V,3,P,2,2,1,4,3,例,4-3,求全过程中,内能的变化，,系统所作的功，,吸收的热量。,解（,1,）,12,等容过程,（,2,）,23,等温过程,（,3,）,34,等压过程,P,O,V,P,1,V,1,V,4,V,3,P,2,2,1,4,3,设有氧气,8g,，,体积为,0.41,10,-3,m,3,，,温度为,300,K,。,如氧气作绝热膨胀，膨胀后的体积为,4.1,10,-3,m,3,。,问,（,1,）,气体作功多少？,（,2,）氧气作等温膨胀，膨胀后的体积也是,4.1,10,-3,m,3,，这时气体作功多少？,解,:,氧气的质量为,M,=0.008,kg,，,摩尔质量,=0.032kg,。,原来温度,T,1,=300,K,。另,T,2,为氧气绝热膨胀后的温度，则有：,根据绝热方程中,T,与,V,的关系式：,例题,4-4,得：,得：,以,T,1,=300,K,V,1,0.41,10,-3,m,3,V,2,4.1,10,-3,m,3,及,=1.40,代入上式，得：,如氧气作等温膨胀，气体所作的功