第十一章熱力學(xué)基礎(chǔ)精選ppt

§11—1內(nèi)能功熱量

二、內(nèi)能

對于理想氣體，由于分子間無相互作用力，所以，理想氣體的內(nèi)能等于所有氣體分子的動能之和一.熱力學(xué)系統(tǒng)（系統(tǒng)）需研究的對象——氣、液、固，也稱為工作物質(zhì)。以理想氣體為系統(tǒng)，與之相互作用的環(huán)境稱為外界。１．內(nèi)能：大量分子的平均動能與分子間相互作用的勢能的總和．實際氣體：E=E(T,V)精選pptVPoA（P１V１T１）C（P２V２T２）確定的狀態(tài)確定的E確定的E確定的狀態(tài)定T總能量＝機(jī)械能+內(nèi)能（忽略）（熱運動的內(nèi)能）系統(tǒng)的內(nèi)能取決于系統(tǒng)的溫度，是系統(tǒng)溫度的單值函數(shù).精選ppt三．傳熱Q１．傳熱與過程相系，說某狀態(tài)有多少熱量是無意義的．２．熱量傳遞是能量轉(zhuǎn)換的形式．３．傳熱是通過分子間的相互作用來完成．四．作功W傳熱與作功均能改變系統(tǒng)的內(nèi)能．行為方式上存在本質(zhì)區(qū)別：作功是通過物體作宏觀位移來完成的．傳熱是通過分子間相互作用來完成的．注意：內(nèi)能是狀態(tài)量，作功與傳熱是過程量精選ppt§11—2熱力學(xué)第一定律一.熱力學(xué)第一定律WQ改變系統(tǒng)內(nèi)能通過大量的事實總結(jié)得出：１．熱力學(xué)第一定律的形式：系統(tǒng)吸收的熱量，一部分使自身內(nèi)能改變，另一部分對外作功．精選ppt２．熱力學(xué)第一定律中各量的符號：Q＋：系統(tǒng)吸熱熱量－：系統(tǒng)放出熱量W＋：系統(tǒng)對外界作功－：外界對系統(tǒng)作功＋：系統(tǒng)內(nèi)能增加－：系統(tǒng)內(nèi)能減少３．熱一定律是熱學(xué)中能量的轉(zhuǎn)換與守恒定律第一類永機(jī)：Q＝０W＞０知第一類永動機(jī)不可能實現(xiàn)精選ppt二．熱一中各量在平衡過程中的表示：１．內(nèi)能VPoA（P１V１T１）C（P２V２T２）對于理想氣體，內(nèi)能暗量只與始末態(tài)的溫度有關(guān)，而與過程無關(guān)．精選ppt２.功的計算

以氣體膨脹過程中氣體作功為例.仍從功的定義出發(fā).過程進(jìn)行緩慢，認(rèn)為活塞勻速向右運動，則當(dāng)體從,氣體所作的功為P與V有關(guān)P與V無關(guān)精選ppt

從數(shù)學(xué)上看,P-V圖過程曲線下所圍的面積=W由P－V圖可知：功的大小與所經(jīng)歷的過程有關(guān),即為所對應(yīng)的過程曲線下的面積，因而功是過程量.

W３．吸熱

從熱力學(xué)第一定律知,熱量與功有關(guān),因而熱量也是過程量.精選ppt２．p-V圖:平行于p軸的直線.§11—3熱力學(xué)第一定律對理想氣體三等值過程及絕熱過程的應(yīng)用一．等體過程pOＶＶp1p2３．熱一的具體形式:ａV=恒量

１．特征:即V=恒量或

一系列溫度漸增熱源p,TQV精選pptｂ４．定體摩爾熱容CV:傳熱的多少，只取決于內(nèi)能的增加，即溫度的增加．在等體過程中,氣體不對外作功,氣體從外界吸收的能量全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能.中學(xué)比熱a．定體摩爾熱容定義：在等體過程中，對1mol的氣體，當(dāng)其溫度升高（或降低）1k時所吸收（或放出）的熱量．精選pptb．表示及計算等體摩爾熱容：對元過程來說，熱一在等體過程中理想氣體CV，只與氣體自由度有關(guān)，與溫度無關(guān)．5.過程方程精選ppt二．等壓過程１．特征:

p=恒量或

.

pVOp２．p-V圖:平行于V軸的直線.３．熱一的具體形式:Q一系列溫度漸增熱源V，Tp精選ppt當(dāng)氣體從狀態(tài)I(p,V1,T1)變到狀態(tài)II(p,V2,T2)時在等壓過程中增加系統(tǒng)內(nèi)能系統(tǒng)從外界吸收的熱量對外作功精選ppt可見吸收的熱量一部分用來增加內(nèi)能,一部分對外作功.4.等壓摩爾熱容：熱一的元過程等壓下，除吸放熱外，還要作功.精選ppt５.過程方程邁耶公式泊松比精選ppt三．等溫過程１．特征:

T=恒量或

.２．p-V圖:雙曲線的一支.VOpp1p2３．熱一的具體形式:恒溫?zé)嵩碩TV，pQ逐點取下砂粒等溫膨脹精選ppt可見吸收的熱量全部用來對外作功.４.過程方程四．絕熱過程的應(yīng)用１．特征:系統(tǒng)與外界無熱量交換.２.過程方程記住精選ppt３．熱一的具體形式:系統(tǒng)要對外做功，必須以犧牲自身的內(nèi)能為代價．絕熱線比等溫線陡.4．P-V圖:一條曲線.絕熱線等溫線pVOA精選ppt三、絕熱線和等溫線的比較絕熱曲線的斜率等溫曲線的斜率因為

＞1，絕熱線斜率的絕對值比等溫線的大，II

IO

V1

V2Vpp等溫線絕熱線所以絕熱線要陡一些由pV=C和pV=C'得g

精選ppt由(PA,VA)膨脹同樣體積微觀解釋：等溫絕熱故對相同的體積變化，絕熱過程的壓強變化更大O?V

Vpp等溫線絕熱線?pT精選ppt例題11-1(p.195)設(shè)一定質(zhì)量的單原子理想氣體,開始時壓強為3.039×105Pa,體積為1L,先作等壓膨脹到體積為2L,再作等溫膨脹至體積為3L,最后被等體冷卻到壓強為

1.013×105Pa,求在全過程中內(nèi)能的變化、所作有功和吸收的熱量。OP(1.013×105Pa)

V(L)bacd132123解:作出過程曲線,各狀態(tài)分別標(biāo)以a、b、c、d。各點狀態(tài)參量如下：a點：pa=

3.039×105Pa，Va=1L，Ta=？b點：pb=3.039×105Pa，Vb=2L，Tb=Tc=？c點：pc=？，Vc=3L，Tb=Tc=？d點：pd=1.013×105Pa,

，Vd=3L，Td=？全過程內(nèi)能的變化精選pptOP(1.013×105Pa)

V(L)bacd132123全過程所作的功

W=Wp+WT+WV從熱力學(xué)第一定律得精選pptII

IO

V

2VVp等溫線絕熱線300K解作

p

–V圖例題11-21.2×10-2kg的氦氣原溫度為300K，作絕熱膨脹至原體積的2倍，求氦氣所作的功。氦氣從同一初態(tài)作等溫膨脹到相同的體積氣體作的功將此結(jié)果與絕熱過程中的功作比較，并說明其原因。氣體在絕熱過程中所作的功為把氦氣當(dāng)作單原子理想氣體，i=3，

=1.67由絕熱過程方程得精選ppt=3×12.5×111.4J=4177J如果氦氣作等溫膨脹至體積為原來的2倍由此可以看出WT

>WQ因為絕熱線比等溫線陡從同一初始態(tài)開始膨脹到同一體積的條件下等溫線下的面積大于絕熱線下面的面積之故II

IO

V

2VVp等溫線絕熱線300K精選ppt什么過程能將熱持續(xù)的轉(zhuǎn)變?yōu)楣?等體過程：W=0等壓過程：等溫過程：絕熱過程：Q=0可以，但需機(jī)械尺度無限大，無實際意義§11—4循環(huán)過程卡諾循環(huán)熱機(jī)的效率精選ppt一、循環(huán)過程1.定義：系統(tǒng)經(jīng)歷一系列變化后又回到初始狀態(tài)的整個過程。準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程~p-V圖中的閉合曲線順時針：正循環(huán)逆時針：逆循環(huán)OpV正逆2.共同特征熱力學(xué)第一定律：精選ppt3.正循環(huán)及其效率特征：OpV正abcdV1V2正功負(fù)功凈功WT1T2精選ppt實例：蒸汽機(jī)的循環(huán)效率:蒸汽機(jī)工作原理示意圖鍋爐冷凝器冷水蒸汽排氣閥進(jìn)氣閥高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩醋鞴xppt熱機(jī)的能量轉(zhuǎn)換:從高溫?zé)嵩次鼰幔赡懿恢挂粋€）向低溫?zé)嵩捶艧幔赡懿恢挂粋€）對外做功效果代價熱機(jī)效率:精選ppt4.逆循環(huán)及致冷系數(shù)外界對系統(tǒng)做功——系統(tǒng)向外界放熱致冷機(jī)的循環(huán)：OPV逆abcV1V2凈功d特點：Q1Q2W高溫?zé)釒霻1低溫?zé)釒霻2工質(zhì)精選ppt實例：電冰箱能量轉(zhuǎn)換：從低溫?zé)嵩次鼰幔ㄐЧ┩饨鐚ο到y(tǒng)做功W（代價）向高溫?zé)嵩捶艧嶂吕湎禂?shù)：注意：這里的Q2僅是循環(huán)過程中系統(tǒng)從冷庫吸收的熱量——衡量致冷的效力Q1W開始精選ppt

例2.(書習(xí)題7-18)1雙原子分子理想氣體,原來壓力2,體積20L.先等壓膨脹至原來體積2倍,再等容冷卻到原溫度,最后等溫壓縮至初態(tài).(1)作出p-V圖.(2)求各過程W.(3)求.

解:(1)先求出各點的參量

1點:2點:3點:)8.487,20,2(8.487111\==KRVpT)6.975,40,2(6.97521212\===KTRVpTh)8.487,40,1(1211213\===atmpVRTpmolatmVpO213121V12V(atm)精選ppt-2806JLatm=-==-7.27ln21113VVRTWò====-=--0405240)()2(321221VpWVVpWdJLatm精選ppt精選ppt1.研究循環(huán)過程的理想模型——卡諾循環(huán)二、卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)：工質(zhì)只與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q能量的準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)卡諾正循環(huán)或卡諾逆循環(huán)1)與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q能量（兩個等溫過程）2)不與其它熱源交換能量（兩個絕熱過程）特點：簡單：只需要兩個熱源重要：可以組成任何一種循環(huán)精選ppt高溫T1低溫T2高溫T1低溫T2Q1Q2W=Q1-Q2Q2WQ1=W+Q2

卡諾循環(huán)過程：精選ppt正循環(huán)2.理想氣體的卡諾循環(huán)p精選ppt正循環(huán)效率等溫過程：p精選ppt絕熱過程：p精選ppt等溫過程：

逆循環(huán)致冷系數(shù)p精選ppt注意：對一切循環(huán)適用只對卡諾循環(huán)適用精選ppt練習(xí)1.如圖兩個卡諾循環(huán),下列表述正確的是：（1）（2）（3）（4）答案：（4）正確c1abcd2abcd精選ppt將一臺家用電冰箱視為理想卡諾致冷機(jī)，放在求做一盤冰所需的功、所需的時間和所要求的電功率各為多少？練習(xí)2解：致冷系數(shù)精選ppt例：通過絕熱過程把標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0.014kg氮氣壓縮到原體積的一半。求：氣體內(nèi)能的改變，傳遞的熱量和外界對氣體所做的功。設(shè)氮氣為理想氣體，且解：精選ppt§11-7熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律：能量轉(zhuǎn)換和守恒定律凡違反熱力學(xué)第一定律的過程不可能發(fā)生。——第一類永動機(jī)不可能成功！是否凡遵從熱力學(xué)第一定律的過程一定發(fā)生？熱力學(xué)第二定律：描述自然界能量轉(zhuǎn)換的方向和限度。精選ppt一.熱力學(xué)第二定律的兩種典型表述及其等效性1.開爾文表述(K)不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。2.克勞修斯說法(C)

不可能把熱量從低溫物傳到高溫物體而不引起其他變化。熱力學(xué)第二定律是在研究熱機(jī)效率和制冷系數(shù)時提出的，是大量實驗事實的概括與總結(jié)，是物理學(xué)的基本定律之一對熱機(jī)，不可能將吸收的熱量全部用來對外作功對制冷機(jī)，無外界作功熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體

熱力學(xué)第二定律的兩種表述形式解決了物理過程進(jìn)行的方向問題精選ppt注意理解(k)：熱力學(xué)第一定律和第二定律是互相獨立的。比較：第一類永動機(jī)：第二類永動機(jī)：不耗能，只做功違反熱力學(xué)第一定律違反熱力學(xué)第二定律精選ppt熱力學(xué)第二定律并不意味著熱不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣﹃P(guān)鍵詞：“無其它影響”熱完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而且系統(tǒng)和外界均復(fù)原是不可能的。例：理想氣體等溫膨脹不違反熱力學(xué)第一定律其它影響精選ppt熱力學(xué)第二定律指出了熱功轉(zhuǎn)換的方向性功自發(fā)熱100%轉(zhuǎn)換熱非自發(fā)功不能100%轉(zhuǎn)換注意理解(C)：熱力學(xué)第二定律并不意味著熱量不能從低溫物體傳到高溫物體關(guān)鍵詞：“自動”即熱量從低溫物體傳到高溫物體不能自發(fā)進(jìn)行，不產(chǎn)生其它影響。例：電冰箱精選ppt熱力學(xué)第二定律指出了熱傳導(dǎo)方向性：高溫自動低溫低溫非自動高溫（外界做功）練習(xí)：判斷正誤熱量不能從低溫物體傳向高溫物體熱不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣xppt能夠用某種方法使系統(tǒng)回到原狀態(tài)而不引起其他變化二.可逆過程和不可逆過程卡諾定理1.可逆過程不可逆過程

不可逆過程自然界中發(fā)生的一切熱力學(xué)過程都是不可逆過程a.熱傳導(dǎo)過程熱傳導(dǎo)過程的不可逆性是熱力學(xué)第二定律克氏說法的直接結(jié)果高溫物體低溫物體傳熱

可逆過程

不可能用任何方法使系統(tǒng)回到原狀態(tài)而不引起其他變化精選pptb.功熱轉(zhuǎn)換過程其不可逆性是功轉(zhuǎn)變?yōu)闊醕.氣體的自由膨脹過程d.氣體迅速膨脹的過程自由膨脹抽掉隔板回到原狀態(tài)要壓縮作功，內(nèi)能增加絕熱p>p'p'p<p'p'膨脹壓縮開氏說法的直接結(jié)果精選pptn-1過程可逆與否與系統(tǒng)所經(jīng)歷的中間狀態(tài)是否為平衡狀態(tài)有關(guān)

沒有耗散力作功，即沒有摩擦發(fā)生可逆過程的條件:

過程無限緩慢，為準(zhǔn)靜態(tài)過程以上條件在實際情況中是不可能實現(xiàn)的123n123n-1逐個外移緩慢上移質(zhì)量無限小一個理想可逆過程精選ppt2.卡諾定理a.利用溫度為T1和T2兩個熱源工作的一切可逆熱機(jī)，不論用什么工作物質(zhì)，具有相同的效率

b.利用溫度為T1和T2兩個熱源工作的不可逆熱機(jī)的效率不可能大于可逆卡諾機(jī)的效率卡諾定理指出了提高熱機(jī)效率的途徑：盡量提高兩熱源的溫度差≤使熱機(jī)盡量接近可逆熱機(jī)精選ppt3.熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)從可逆、不可逆過程的角度看熱力學(xué)第二定律功自發(fā)熱100%轉(zhuǎn)換熱非自發(fā)功不能100%轉(zhuǎn)換開爾文表述：克勞修斯表述：熱傳導(dǎo)不可逆高溫自動低溫低溫非自動高溫（外界做功）溶解、擴(kuò)散、生命…一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀實際過程都是不可逆的，其自發(fā)進(jìn)行具有單向性。精選ppt單向性：什么方向？功：與宏觀定向運動相聯(lián)系，有序運動熱：與分子無規(guī)則運動相聯(lián)系自動非自動熱傳導(dǎo)高溫低溫差別無序性自動低溫高溫差別無序性非自動單向性：無序性增大的方向?qū)嶋H自發(fā)熱力學(xué)過程都向無序性增大的方向進(jìn)行從微觀角度討論無序性的意義自由膨脹體積可能位置無序性自動體積可能位置無序性非自動真空精選ppt三、熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義1.無序性的量度——熱力學(xué)概率以理想氣體自由膨脹為例設(shè)分子數(shù)：4真空抽去隔板后的可能情況如下表：精選ppt16種微觀態(tài)，5種宏觀態(tài)。精選ppt每秒放映1億張，（普通電影24/秒）理想氣體自由膨脹分子數(shù)可能微觀態(tài)數(shù)宏觀態(tài)數(shù)每種微觀態(tài)出現(xiàn)概率234N345精選ppt等概率原理：系統(tǒng)的每種微觀態(tài)出現(xiàn)的概率相同。由此，包含微觀態(tài)越多的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率越大。定義：宏觀態(tài)中包含的微觀態(tài)的數(shù)目叫做該宏觀態(tài)的熱力學(xué)概率意義：該宏觀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)越多，確定系統(tǒng)的微觀態(tài)越困難，系統(tǒng)無序性越高。熱力學(xué)概率是系統(tǒng)無序程度的量度比較：統(tǒng)計學(xué)概率w與熱力學(xué)概率精選ppt比較：統(tǒng)計學(xué)概率w與熱力學(xué)概率宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率W=每種微觀態(tài)出現(xiàn)的概率w×熱力學(xué)概率w，W：小于1；大于1由等概率原理：精選ppt2.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義實際自發(fā)的熱力學(xué)過程是不可逆的，總是沿著系統(tǒng)熱力學(xué)概率（無序性）增加的方向進(jìn)行。無序性減小的狀態(tài)不是絕對不可能發(fā)生，而是發(fā)生的可能性趨于零。（猴子打字，恰好打出莎士比亞作品……)熱力學(xué)第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律，對大量粒子體系才有意義，對只含少數(shù)分子的系統(tǒng)不適用。精選ppt比較：熱力學(xué)第一定律：嚴(yán)格成立，不能違反熱力學(xué)第二定律：統(tǒng)計規(guī)律，違反的概率太小對大量的分子體系適用練習(xí)：熱力學(xué)第二定律的典型思想方法：反證法1.證明兩條絕熱線不相交設(shè)兩個絕熱線交于B，可作一等溫線與兩條絕熱線構(gòu)成一循環(huán)，形成單熱源熱機(jī)，違反熱力學(xué)第二定律。原假設(shè)不成立，兩絕熱線不能相交。精選ppt2.證明一條等溫線和一條絕熱線不能有兩個交點卡諾定理2)在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的一切不可逆熱機(jī)，其效率不可能大于可逆熱機(jī)的效率。1)在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的一切可逆熱機(jī)，其效率相等，與工作物質(zhì)無關(guān)。設(shè)等溫線與絕熱線有兩個交點，則形成單熱源熱機(jī)，違反熱力學(xué)的二定律。精選ppt熱力學(xué)第一定律：第一類永動機(jī)不可能實現(xiàn)定量化引入系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)E

從不同角度，引入系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)S克勞修斯玻爾茲曼熱力學(xué)第二定律：第二類永動機(jī)不可能實現(xiàn)普遍的數(shù)學(xué)形式定量化？§11-8熵精選ppt1.熵公式：系統(tǒng)無序性的