大学物理PPT

同学们好!研究对象热运动：构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规则运动。热现象：与温度有关的物理性质的变化。热学是研究自然界中一切热现象和热运动规律的学科根据研究方法和角度的不同分子物理学（第6章）热力学（第5章）第二篇热学它包括分子物理学和热力学两个方面：分子物理学(更普遍地称为统计物理学):是从物质的微观结构出发，认为物体的宏观性质是大量分子无规则热运动的平均效果,用统计的方法研究物体的宏观性质。能对热现象本质进行理论解释热力学:是从能量守恒和转化的角度来研究热运动规律的，不涉及物质的微观结构。它根据由观察和实验所总结出的基本规律(主要是热力学第一定律、第二定律等)，用逻辑推理的方法，研究物体的宏观性质及宏观过程进行的方向和限度等。不能阐述热现象的本质相辅相成系统的宏观描述与微观描述热力学的是研究热现象的宏观理论，以大量的经验事实和实验结果为依据，经过严密的逻辑推理得出物质系统宏观性质直接的联系，进而揭示热现象的有关规律。第5章热力学基础本章教学内容:◆热力学状态及其描述◆热力学第零定律温度◆功热量内能◆热力学第一定律◆热力学第二定律卡诺定理◆*熵熵增原理◆*热力学第三定律循环过程卡诺循环教学基本要求：一、掌握内能、功和热量等概念；理解准静态过程.二、掌握热力学第一定律，能分析、计算理想气体在等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量.三、理解循环的意义和循环过程中的能量转换关系，会计算卡诺循环和其他简单循环的效率.四、了解可逆过程和不可逆过程，了解热力学第二定律和熵增加原理以及热力学第三定律.§5.1热力学基本概念热力学系统外界大量粒子组成的宏观、有限的体系；其相邻环境称为外界。开放系统封闭系统孤立系统与外界有m、E交换与外界有E交换，无m交换与外界无E、m交换绝热例开放系统封闭系统孤立系统热力学：即热力学系统的状态（宏观物理性质）及状态变化（宏观物理过程）的规律。一个孤立系统若不受外界影响（无物质和能量交换），则系统的宏观特性（如温度、压强等）长时间不随时间改变的状态称为平衡态。处于平衡态中的气体，其分子仍不停作热运动，但其总体平均效果不随时间改变，是一种动态平衡。平衡态、状态参量描述平衡态的参量称为状态参量，如体积、压强、温度等。气体处于平衡态的标志是状态参量P、V、T各具有确定的量值，且不随时间变化。系统状态变化——热力学过程非静态过程:中间状态不是平衡态准静态过程:（平衡过程）过程进行得足够缓慢中间状态—平衡态气体等温膨胀例：气体自由膨胀T相平面相图以状态参量为坐标变量平衡态——对应相图中的点平衡过程——对应相图中的线(准静态过程)例：等温、等压、等体过程的相图V（1）引入温度参量的实验依据——热力学第零定律如果物体A、B分别各自与处在同一状态的物体C达到热平衡，那么，A与B也处于热平衡。CABAB达到热平衡的物体温度相同——热力学第零定律§5.2热力学第零定律温度（2）温标——温度的数值表示法摄氏温标华氏温标热力学温标理想气体温标温标的分类：规定水在1个大气压下的冰点为0度，沸点为100度，中间的温度以水银的体积膨胀为准，单位℃10018032)F()C(tt在理想气体存在的范围内，它和热力学温标一致16.273tTC1K1O规定水在1个大气压下的冰点为273.16K热力学主要研究系统能量的转换规律一、系统内能E广义：系统内所有粒子各种能量总和（平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能...）不包括系统整体机械能狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能例：实际气体),(VTEE理想气体)(2TERTiME§5.3内能功热量1.内能E是状态函数内能变化△E只与初末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。二、功和热量21dVVVpA注意：非静态过程不适用VplpSlFAdddd1.准静态过程的体积功做功热传递2.内能变化方式示功图：p-V图上过程曲线下的面积21dVVVpAAd系统对外界做功外界对系统做功循环过程的功思考：?AVV02112的任何过程则由是否0d0dAV若0d0dAV0d0dAV注意：功是过程量过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）2.热量和热容量中学TcMTTcMQ)(12比热热容量:TCQcMC摩尔热容量:TCMQcC0d)dd(VVTQC等体摩尔热容:0d)dd(ppTQC等压摩尔热容：注意：热量是过程量3.A与Q比较E改变方式特点能量转换量度做功热传递与宏观位移相联系通过非保守力做功实现机械运动热运动A与温差相联系,通过分子碰撞实现热运动热运动Q在系统状态变化过程中，A、Q、△E间数量关系，包含热运动和机械运动范围的能量守恒定律热力学第一定律§5.4热力学第一定律及其应用一、热力学第一定律准静态:dQ=dE+pdV理想气体准静态过程:VpTRiMQdd2d1.数学形式:AEEQ)(12系统从外界吸热=内能增量+系统对外界做功微小过程：dQ=dE+dA2.物理意义：涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律3.其它表述：第一类永动机是不可能制成的第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。000AQE违反热力学第一定律即：二、对理想气体的应用等值过程等体过程等压过程等温过程0dV0dp0dT绝热过程0dQ1）过程方程2121TTpp查理定律1.等体过程（dV=0V=c)2）热力学第一定律的具体形式3）等体摩尔热容单原子分子气体双原子分子（刚性）-1-1KmolJ51223.RCV1-1KmolJ82025.RCV0dVpATCMQVTRiME2TCMQEV吸热全部用于增加内能:TCMTRiMV2RiCV2由得适用于一切过程TCMEV注意:做功：吸热：内能增量：2.等压过程（dp=0p=c)1)过程方程2121TTVV盖·吕萨克定律2)热力学第一定律的具体形式TRMVVpVpAVV)(d1221TCMQpTCMEVEVpQ做功：吸热：内能增量：3)等压摩尔热容得：由TRMTCMTCMVpRCCVp迈耶公式RiRRiCp22212iiCCVp泊松比单原子分子气体1-1KmolJ82025.RCp671.双原子刚性分子1-1KmolJ12927.RCp401.讨论:?CCVp为什么相同。无论何种过程，，设系统由ETTTT)(1221EQAcV10，，若12,0,0,QAEQAVcp若VpCC3.等温过程（dT=0T=c)1）过程方程2211VpVp玻意耳—马略特定律2）热力学第一定律的具体形式0E12lndd2121VVRTMVVRTMVpAVVVV21221211lnlnppVpVVVpAQ吸热全部用于对外做功内能增量：做功：吸热：3）摩尔热容12ln:VVRTMTCMAQT由TCT04.绝热过程特点：dQ=0绝热材料快速进行（如气体自由膨胀）1）过程方程热力学第一定律0dddAEQ条件:准静态:理想气体：0ddVpTCMVRTMpV消去dTRCCVpVpCC恒量pV恒量Tp1恒量TV1TRMpVVpddd2）绝热线绝热线:恒量pV1比等温线陡A等温线：pV=恒量双曲线过pV图中某点(A)压缩同样体积由（),AAVp微观解释:nkTp等温pnV绝热pnVpTV0dQ0d0dTQpp0QpdΔ0TpdΔ3)热力学第一定律的具体形式TCMEQV0)(212TTRiMTCMEAV1)(222112211VpVpVpVpi4)摩尔热容0TCMQ0绝热CVVVpCRCCCi21?吸热：内能增量：做功：0dV0dp0dT0dQCTpCTVCpV1CpV21CTV31CTpEQVVpEQpAQTEA过程特点过程方程热一律过程等体等压等温绝热内能增量TCMEVTCMEVTCMEV00Vp12lnVVRTM21ppRTMln或TCMV12211VpVp或12lnVVRTM21ppRTMln或0TCMVTCMpA功Q热量过程等体等压等温绝热摩尔热容单双多RiCV2RiCp22TC0aC泊松比ii2R23R25R3R25R27R4355734小结：2.求法QAE,,ETCMVAQA：准静态过程21dVVVpAEQA非静态过程Q：等体TCMQVTCMQp绝热Q=0等温（准静态）12lnVVpVAQ等压AEQ或练习1理想气体自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强p=?由绝热方程2)2(00pppVVp解一:解二:00AQ自由膨胀绝热过程1200TTTE2022211ppVpVp哪一个解对？为什么?*绝热方程对非静态过程不适用一定量的理想气体，在p—T图上沿着一条直线从平衡态a变化到b则这是一个：（）(A)绝热膨胀（B）等容吸热(C)吸热压缩（D）吸热膨胀练习2解：由气体状态方程可得2211RTVpRTVpMbMaE,TTTpTppTpTVVab12221121121答案:（D）abp2p1T1T2Tp0练习3理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？（1）等体加热，内能减少，压强升高（2）等温压缩，压强升高，同时吸热（3）等压压缩，内能增加，同时吸热（4）绝热压缩，压强升高，内能增加答案：不可能发生的有：（1），（2），（3）§5.5循环过程卡诺循环热力学：紧密围绕热机的研究和应用热机：将热能转化为机械能的机器，其工作特点是工作物质重复进行某些过程，不断吸热做功一、循环过程1.定义：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。准静态循环过程—相图中的闭合曲线顺时针：正循环逆时针：逆循环d2.共同特征0E热力学第一定律：净净AQ3.正循环及其效率特征:0净净AQ从外界吸热—对外做功热机的循环:A1Q2Q实例：蒸汽机的循环21AAA净21QQQ净效率:121211QQQQQQA吸净推广到一般情况——热机的能量转换:从高温热源吸热（可能不止一个）1Q向低温热源放热2Q（可能不止一个）对外做功21QQQA净净效果代价热机效率:121211QQQQQQA吸净？图循环双原子分子理想气体如mol1例一:)J(2080)300400(31.825)(abVabTTCQ)J(8.23262ln40031.8lnbcbbcVVRTQ(J)1.174521ln30031.8lndaddaVVRTQ)J(2080)(cdVcdTTCQ注意是T-V图（斯特林循环）K300K;400adbcTT总吸热(J)844062080823261..Q总放热(J)138251174520802..Q%.QQQQA2131211净4.逆循环及致冷系数特点:0净净AQ外界对系统做功——系统向外界放热致冷机的循环:实例：电冰箱能量转换：外界对系统做功A从低温热源吸热2Q（效果）（代价）向高温热源放热AQQ21致冷系数：AQw2注意：这里的Q2仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量——衡量致冷的效果。介绍：•空调机的循环冷泵（A)房间)(2Q大气)(1Q室内降温（对房间致冷）热泵（A)大气)(2Q房间)(1Q室内升温（对大气致冷）季节作用低温热源高温热源效果夏天冬天AQ2