大学物理热力学(课件)

第四章热力学《大学物理》多媒体教学课件Chapter4ThermodynamicsChapter4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Chapter4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①孤立系统——②封闭系统——③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①孤立系统——②封闭系统——③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OPVP–V图F12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）P1P2§4-1热力学第一定律二、平衡态OPVP–V图F12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）P2三、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OPVF12三、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OPVF12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：VplpSlFdAddd四、功、热、内能21ddVVVPAA气体对外界作元功为：以气体膨胀过程为例：ldF1、功(work)讨论：(1)dA=pdV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。）PV122VO1VdVPA对应曲线下V1→V2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（T2-T1）c—比热（J/kg·K）；说明：2、热量(heat)Q=cμ（T2-T1）=C（T2-T1）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(internalenergy)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），RTiME20Q系统向外界放热；0A外界对系统做功；0E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。0Q系统从外界吸热；0A系统对外界做功；0E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。-2112VVVpEAEEQd)(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。AEQddd五、热力学第一定律+12EE-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QA(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=E+AA→1→BE=Q–A=800－500=300JB→2→AQ=E+A=－300－300=－600J放出热量内能增加AB12OPV一、理论基础RTMpV（1）（理想气体的共性）21dVVVpEQVpEQddd（2）解决过程中能量转换的问题)(TEE（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(isochoricprocess).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，ΔE增；Q为负，ΔE减）热一律应用：特征：dV=0(dA=0)V—恒量P—V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Ⅰ→Ⅱ）1、等体过程A=0VpＯ)()(12122TTRiMEEQV--VP1ⅠⅡP2RidTdEdTdQCVV2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。)(12TTCMEV-适应于所有过程一摩尔气体在体积不变时，温度改变1K时所吸收或放出的热量称为等体摩尔热容(molarheatcapacityatconstantvolume)。)()(12122TTRiMEEQV--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(isobaricprocess)。)()(1212VVpTTCMV--热一律应用：特征：dP=0，P=恒量。P—V图：平行于V轴的直线，等压线。过程方程：V/T=恒量（有限过程Ⅰ→Ⅱ）VpEQVVp21d-)(12TTCMVV1P))((12TTRCMV-VpＯⅡV2ⅠARTMpV)(12TTRM-2、定压摩尔热容RiRCCVP22注意：一摩尔气体温度改变1K时，在等压过程中比在等体过程中多吸收8.31J的热量用来对外作功。一摩尔气体在压强不变时，温度改变1K时所吸收或放出的热量称为定压摩尔热容(molarheatcapacityatconstantpressure)。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)(12TTCMQpp-))((12TTRCMQVp-迈耶公式(J.R.Meyer)叫做比热容比CvCp比热容比单原子分子351.67双原子分子571.4刚性多原子分子681.3Cp、CV的单位是J/mol·K，与R的单位一致。2iiCCVPg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(isothermalprocess)。12lnVVRTMQT在等温过程中，理想气体吸热全部用于对外作功，或外特征：dT=0(△E=0)T—恒量P—V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Ⅰ→Ⅱ）P1V1ⅠPVOP2V2Ⅱ0EA等温线12lnVVRTMAQT21dVVVP21dVVVVRTM界对气体作功全转换为气体放出的热。21lnppRTM定义：系统在状态变化过程中始终与外界没有热交换。00QorQd)()(1212TTCMEEAVa----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Ⅰ→Ⅱ）1CpVg21CTV-g31CTp--ggv绝热套PVP2P1V2OV1ⅠⅡP—V图：比等温线陡的一条曲线（绝热线）。五、绝热过程1、绝热过程(adiabaticprocess)A系统从1-2为绝热过程，据绝热方程，可得过程中的p—V关系。1CVpg-系统对外作功为：-2121d1VVVVVVCpdVAg＊绝热膨胀系统对外做功21111VVVC--gg111121----gggVVC1111221----gggVVCVVCg--11122VPVPpVO12PdVV1V2绝热线绝热过程等温过程降低不变pTV降低更多降低pTV等温线、绝热线的斜率分别为：VpVpT-ddVpVpQg-dd绝热线比等温线陡。绝热线PVP1V2OV1P2P2ACBA→CA→BnkTP2、绝热线与等温线比较gVCp/由1由P=C/V3、绝热过程方程的推导对绝热过程，据热力学第一定律，有EAdd-即RTMpVTRMpVVpdddpVCVpRCVVdd)(-TCMVpVdd-对状态方程（1）/（2）式消去dT得(1)(2)*两边微分得RCpVVpVpV-dddpVCVpRCVVdd)(-gVppVCCCRC/0ddVVppgCVplnlng1CpVg31CpTor--gg21CTVor-g绝热过程方程积分得即RTMpV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)(12TTCMV-)(12TTCMP-12VVRTμMln或21ppRTμMln)(12VVP-)(12TTRM-或21ppRTμMln12VVRTμMln或)(12TTCMV--)(12TTCMV-)(12TTCMV-)(12TTCMV-0002.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1.25kg。在标准大气压下缓慢地加热，使温度升高1K。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Qp。（活塞的质量以及它与气缸壁的摩擦均可略去）JJTRMA37113180280251...＝因i=5,所以Cv=iR/2=20.8J/(molK)，可得JJTCMEv92918200280251...＝解：因过程是等压的，得JAEEQp130012-＝POVP1V1V4V3P22143例4-3求全过程中①内能的变化，②系统所作的功，③吸收的热量。34321121VVPPTPM及、、、、氧气已知：解（1）1→2等容过程K900311122TTPPT)(J)(1248121212--TTCMEEQV（2）2→3等温过程012A)m(.3322323103873-VVPPV)(Jln8222322323VVTRMAQ（3）3→4等压过程K450900213344TVVT)(J)(37423334334--VPVVPA)(J)(13093434--TTCMQP）（总功J448342312AAAA）（吸热J7