热力学第一章.

热力学主要内容第一章热力学的基本规律（重点）第二章均匀物质的热力学性质（重点）第三章单元系的相变第四章多元系的复相平衡（选讲）引言：热力学的研究对象：研究物质热运动的规律。例：物体热胀冷缩水加热沸腾后转变为水蒸气软钢件淬火——变硬硬钢件退火——变软热现象：与温度有关的物体物理性质的变化。研究热力学的两种方法：热力学：由观察和实验总结出来的热现象规律构成热现象的宏观理论。统计物理学：热现象的微观理论。研究方法：根据由观察和实验所总结出来的热力学定律，用严密的逻辑推理方法研究宏观物体的热性质。主要内容：热力学第零定律——温度T热力学第一定律——内能U热力学第二定律——熵S热力学第三定律（绝对零度不能达到）思考：自然界中有哪些热现象？（1）热胀冷缩：埃菲尔铁塔一年内高度伸缩范围是12cm（2）井水冬暖夏凉（3）高压锅、内燃机、等离子技术（4）纸锅烧水（5）饺子煮熟的依据（6）响水不开，开水不响（7）炭火上跳舞（8）微波炉的原理穆宾巴效应：1969年坦桑尼亚大学生艾斯托·穆宾巴正式向全世界提出这个问题——为什么冬天温水比冷水冻得快？热学发展史：中国：公元前300年五行学说阴阳二气火是阳气的一种表现—《淮南子。天文训》西方古希腊毕达哥拉斯四元素学说“水、土、火、气”柏拉图热是物质的一种运动表现形式十八世纪欧洲航海，海外贸易巨大发展瓦特机应用建立计温学、量热学1593或1603年伽利略第一个验温器1709年华伦海脱实用温度计1724年确定华氏温标1742年摄尔修斯摄氏温标“热质说”：热质是一种看不见，无质量的流质；可透入一切物质之中；热质流入物体，物体温度升高；一个物体是冷还是热，看它所含热质的多少，热量是热质的量。热质说是一种错误的说法！1744年罗蒙索诺夫“论热与冷的原因”提出：摩擦生热“不必将物质的热当作某种为了解释热现象而特别规定的微妙的物质的聚集；热应是物体内部物质的运动”1798年伦福德推翻热质说1799年戴维冰摩擦融化实验1850年焦耳热功当量—热力学第一定律建立1850年克劳修斯1851年开尔文热力学第二定律1912年能斯脱热力学第三定律1939年福勒热平衡定律开尔文克劳修斯第一章热力学的基本规律§1.1热力学系统的平衡态及其描述一、热力学基本概念1、热力学系统与外界（1）系统：从相互作用的物体中划出一部分物体，此物体中仍包含大量微观粒子。系统—热力学研究的对象（2）外界：与系统作用的其它部分。（3）系统的分类：孤立系统：与外界无物质交换，也无能量交换。封闭系统:与外界无物质交换，有能量交换。开放系统:与外界既有物质交换，又有能量交换。2、平衡态与状态参量（1）平衡态：在不受外界条件的影响下，系统的宏观性质长时间不发生改变的状态。热力学的平衡是一种动态平衡。热动平衡与热平衡的区别。宏观性质（2）弛豫时间：系统由初始状态达到平衡状态所经历的时间。（由趋向平衡状态的性质决定）（3）状态参量：描述热力学系统平衡状态的宏观性质的物理量。描述系统状态的宏观参量一般可以直接测量。广延量和强度量3、均匀系与非均匀系（1）均匀系：一个系统各部分的性质完全一致，称为一个均匀系。（也称为一个相—单相系）（2）非均匀系：复相系§1.2热平衡定律和温度一、热平衡定律（热力学第零定律）实验热力学第零定律：如果热力学系统中的每一个物体都与第三个物体处于热平衡，则他们彼此也处于热平衡。分析：二、温标温度测量：温度计：利用水银或酒精的热胀冷缩特性。热力学温标：与任何物质特性无关。单位：开尔文K在理想气体温标使用范围内，热力学温标与理想气体温标一致。§1.3物态方程一、物态方程：对于一个简单可压缩系统而言：0)(TVpf、、二、几个相关的物理量：详细推导过程见板书！三、几种物质的物态方程1、理想气体（1）玻马定律：对于固定质量的气体，在温度不变时，其压强和体积的乘积是一个常数。（2）阿伏伽德罗定律：在相同的温度和压强下，相等体积内所包含的各种气体的物质的量相等。constPV（3）物态方程：研究一定质量的理想气体状态量，与过程无关若为理想气体处于标准状态下),,(),,(222111TVpTVpconstTpVmol1330050104.2215.2731001.1mVKTppaRKmolJTVp/31.8000R：普适气体常数理想气体的物态方程：nRTPV（4）理想气体：宏观：严格遵从玻马定律、阿伏伽德罗定律、焦耳定律的气体。微观：可忽略气体分子之间的相互作用力的气体。通常压强不高的真实气体均可视为理想气体。2、真实气体：范德瓦尔斯方程nRTnbVVanp))((22RTbvvapmol))((:123、简单固体和液体：pKTTTVpTVT)(1)0,(),(000例1、一个简单可压缩系统，已知),,(1;均为常数RanVapKpVnRT求：物态方程。例2、简单固体和液体的体积膨胀系数和等温压缩系数数值都很小，在一定温度范围内可以视为常数；试证明：简单固体和液体的物态方程可近似为：pKTTTVpTVT)(1)0,(),(000作业：1、试求理想气体的体积膨胀系数、压强系数和等温压缩系数。2、试证明任何一种具有两个独立参量的物质，其物态方程可由实验测得的体积膨胀系数及等温压缩系数根据下述积分求得：如果试求：物态方程。pT,)(lndpKdTVTPKTT1,1§1.4功一、功：rdFdA1、热力学系统功的定义：除了温度差以外，系统与外界通过边界所传递的能量。2、热传导与做功是系统与外界能量交换的两种方式。二、准静态功的表达式：1、准静态功：系统变化的过程无限缓慢，系统在变化过程中经历的每一个状态都可以看作为平衡态。t准静态过程气体有足够的时间恢复平衡。准静态过程是一个理想过程。2、无摩擦准静态过程：在准静态过程中忽略摩擦力气体压强=外界压强此过程为可逆过程3、准静态功：dw外界对气体系统做功：pdVdw0dV外界对系统做功（正功）0dV系统对外界做功（负功）dW为一个过程量，而非状态量。21VVPdVdWW4、相图：以状态参量为坐标轴构成的相空间。平衡态—对应图上的点准静态过程—对应相图上的曲线5、两个特殊过程：（1）等容过程：（2）等压过程：00WdVconstV)(12VVpWconstp三、液体表面张力做功：表面张力，使液面有收缩的趋势克服表面张力做功：dsldxdW22作业：1、在27℃下，压强在0至1000之间，测得水的体积为np13263)10046.010715.0066.18(molcmppV如果保持温度不变，将1mol的水从1加压到1000，求：外界所做的功。npnp§1.5热力学第一定律一、热量：系统与外界仅由于温度差，通过边界所传递的能量。（通过分子间的碰撞来实现）过程量热量是能量传递的另一种方式Q0Q系统从外界吸收热量系统向外界放出热量0Q二、绝热过程：系统状态的改变完全归因于机械作用或电磁作用而不受到其他影响。三、焦耳的两个著名实验：1、机械能转换为热能2、电能转换为热量结论：在各种绝热过程中，让物体升高一定的温度所需的功相等。说明：系统经过绝热过程，由初态达到终态，外界对系统所做的功仅取决于初末两态，而与实际过程无关。四、内能USABWUUU（1）定义：在热力学系统中，在做功与热量的双重作用下，使系统所具有的总能量。（2）微观上：热力学系统内所有分子热运动的能量（分子的平动、转动和振动的能量）；分子间相互作用的势能。不包括系统整体的机械能。真实气体),(TVE)(TU理想气体(3)导致系统内能变化的两种能量传递方式：做功、热传递五、热力学第一定律1、内容：系统在终态B与初态A之间的内能差等于外界对系统所做的功与系统从外界吸收的热量之和。2、数学表达式：QWUUABU状态函数U与过程无关WQ,均与过程有关QWQWUUAB微小过程：dQdWdU注意：的正负。dQdW,3、物理意义：涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律。对任何物质的任何过程均成立。4、此定律对静态、非静态过程均适用。5、内能为广延量对于非均匀系统：iiUUQWdU06、等效表述：第一类永动机是不能制成的。第一类永动机：系统经历一系列状态变化后，回到初始状态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。六、热力学第一定律的应用：理想气体的几种准静态过程：1、等容过程：QUdQdUdwconstTpdVconstV002、等压过程：QVVpUVVpWpdVdwconstp)()(12123、等温过程：WQUconstpV0例1、一定量理想气体，由状态a经b达c；求：此过程QUW,,例2、一系统由图所示a状态沿acb到达b状态，有345J的热量传入系统，而系统对外做功为125J；（1）若沿adb到达b状态，系统做功40J，求有多少热量传入系统？（2）当系统由b状态沿曲线ba返回a状态时，外界对系统做功为80J。试问系统吸热还是放热？热量为多少？（3）若系统b,d间的内能变化量为试问：沿ad及db各吸收多少热量？JU75作业：1、1mol理想气体，在27℃的恒温下发生膨胀，其压强由准静态地降到，求：气体所做的功和所吸取的热量。nP20nP1np10002、在27℃，压强在0至之间，测得水的体积为如果保持温度不变，将1mol的水从加压至，求：外界所做的功。13263)10046.010715.0066.18(molcmppVnp1np1000§1.6热容量和焓一、热容量1、引入：桶的装水量（水容量）水容：hMC电容：UQC2、热容量：一个系统在某一过程中温度升高1K所吸收的热量。dTdQCTQCTlim单位：焦耳/开尔文KJ/3、系统的质量对热容量的影响：C为广延量摩尔热容量比热容mC摩尔热容量——强度量1mol物质温度升高1K所吸收的热量。（常用于描述气体）c比热容1kg物质温度升高1K所吸收的热量。（常用于描述固体、液体）nCcmmCcKmolJ/kgmolJ/4、考虑系统的变化过程对热容量的影响：（1）等容过程VCVVTUC),(VTCV物质在等容过程中温度升高1K所吸收的热量。（2）等压过程pCpPpTVpTUCpVUHH:焓状态函数ppTHC在等压过程中，系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加值。——态函数H的重要特征物质在等压过程中温度升高1K所吸收的热量。§1、7理想气体的内能一、焦耳实验1、实验现象：图1.11气体的自由膨胀过程自由膨胀：向真空中膨胀0dW结论：水温无变化→系统与外界无热量的传递0dQ0dWdQdU系统的内能不变2、过程分析：以容器内的气体为研究对象：以T,V为独立变量：),(VTUU1)()(VUTUTTVVUVUTTUVTVU)()(UVT)(:焦耳系数物理意义：在内能不变的情况下，系统增大单位体积引起的温度的变化。0TVU内能仅仅是温度的函数。3、焦耳定律：理想气体的内能仅是温度的函数。理想气体的内能仅由温度决定，与体积无关。实际气体的内能与温度、体积均有关系。)(TUU),(VTEE内能的微观解释：（1）所有分子做热运动的能量（平动、转动、振动）；（2）分子间相互作用的势能。理想气体忽略分子间的作用力，所以理想气体的内能与体积无关。二、理想气体的pVCC,1、等容热容量：dTdUCV(1)、推导：dTdHCp3、理想气体和的关系：VCpC2、等压热容量：nRCCVp-迈耶公式一般情况下：都是温度的函数；但若温度T变化不大，可