熱力學(xué)第一第二定律第1頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一本章教學(xué)要求：掌握功和熱量的概念。理解準靜態(tài)過程。掌握熱力學(xué)第一定律。能分析、計算理想氣體等容、等壓、等溫過程和絕熱過程中的功、熱量、內(nèi)能改變量及卡諾循環(huán)等簡單循環(huán)的效率。計算理想氣體的定壓熱容、定容熱容.了解卡諾定理。了解可逆過程和不可逆過程。了解熱力學(xué)第二定律及其統(tǒng)計意義。了解熵的玻耳茲曼表達式，了解克勞修斯表達式。本章重點：功和熱量的概念,理想氣體等容、等壓、等溫過程和絕熱過程中的功、熱量、內(nèi)能改變,卡諾循環(huán),,熱力學(xué)第二定律,熵本章難點：準靜態(tài)過程,熱力學(xué)第二定律,熵返回目錄下一頁上一頁第2頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一§2-1準靜態(tài)過程功熱力學(xué)目錄§3熱力學(xué)第一定律§4熱力學(xué)第一定律對理想氣體等值過程的應(yīng)用§5氣體的熱容§7循環(huán)過程與卡諾循環(huán)§6理想氣體的絕熱過程返回總目錄§2-2熱量第3頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一§2準靜態(tài)過程功熱量返回本章目錄下一頁上一頁第4頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第5頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第6頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一dl返回本章目錄下一頁上一頁第7頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第8頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第9頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一傳熱有三種基本方式：傳導(dǎo)(Conduction)、對流(Convection)熱輻射(Radiation)。與系統(tǒng)做功類似，熱量是傳遞過程中的能量，傳熱量與過程有關(guān)，不同過程不同條件所傳遞的熱量是不同的。從改變系統(tǒng)的狀態(tài)（或者說系統(tǒng)的能量）的角度來說，做功和傳熱是等效的。三、熱量第10頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一§15.3熱力學(xué)第一定律返回本章目錄下一頁上一頁第11頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁對于系統(tǒng)狀態(tài)的無窮小變化過程，第12頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一對于理想氣體的準靜態(tài)過程，熱力學(xué)第一定律可表示為：返回本章目錄下一頁上一頁第13頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第14頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一§15.4熱力學(xué)第一定律對理想氣體等值過程的應(yīng)用TT返回本章目錄下一頁上一頁第15頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一VV返回本章目錄下一頁上一頁第16頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一P返回本章目錄下一頁上一頁第17頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一PP返回本章目錄下一頁上一頁第18頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第19頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第20頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一解：由于系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程都是準靜態(tài)過程，我們可以把系統(tǒng)的狀態(tài)變化用p-V圖表示o2(1)根據(jù)已知條件，作p-V圖，求出I、II、III及IV點的壓強p、體積V和溫度T返回本章目錄下一頁上一頁第21頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁o2第22頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一o2第23頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第24頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁15.5氣體的熱容

15.5.1熱容熱容與具體的物體相關(guān)第25頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁15.5.2理想氣體的摩爾定容熱容第26頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁

15.5.3理想氣體的摩爾定壓熱容第27頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第28頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第29頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第30頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁15.6絕熱過程

第31頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁即：第32頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第33頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第34頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一該過程既是等溫過程，又是絕熱過程，但不是準靜態(tài)過程。返回本章目錄下一頁上一頁第35頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一oBC返回本章目錄下一頁上一頁第36頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一例分析：求絕熱過程的功，有兩種方法，一是找出壓強隨體積變化的函數(shù)關(guān)系，按功的計算式計算。二是求出系統(tǒng)內(nèi)能的變化，按熱力學(xué)第一定律求解。

法一法二

返回本章目錄下一頁上一頁第37頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一循環(huán)過程的提出是18世紀研究如何將熱轉(zhuǎn)換為功的問題上提出來的，表面上看，似乎等溫膨脹最理想。（)即從外界吸收熱全部變?yōu)楣Α＿@種想法如何呢？事實上說明這種辦法不行。1）氣缸長度是有限的，膨脹不可能無限制地進行下去。2）即使氣缸可以做得無限長，但當氣缸內(nèi)壓強與外界一致時，膨脹也將停止。恒溫體大量事實證明；要連續(xù)地把熱轉(zhuǎn)換為功只有利用循環(huán)過程。這種循環(huán)動作的機器稱為熱機。循環(huán)過程----物質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列變化過程又回到初始狀態(tài)的周而復(fù)始的過程。返回本章目錄下一頁上一頁15.7循環(huán)過程與卡諾循環(huán)

第38頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第39頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一1）熱機---通過循環(huán)過程不斷把熱轉(zhuǎn)換為功的機器。利用循環(huán)過程的熱機及制冷機的一般概念先介紹一個具體的熱機--蒸汽機AOBCDO：鍋爐，B：氣缸C：冷凝器，D：水泵構(gòu)造：

水在鍋爐內(nèi)加熱，產(chǎn)生高溫高壓氣體（吸熱過程），進入氣缸B;工作過程：推動活塞對外作功（內(nèi)能減少），之后進入冷凝器C，（向低溫?zé)嵩捶艧幔?，爾后通過D泵將水泵入鍋爐，進入第二循環(huán)…...。返回本章目錄下一頁上一頁第40頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一

）熱機必須有工作物質(zhì)、高溫?zé)嵩矗ㄥ仩t）低溫?zé)嵩矗ɡ淠?、大氣）高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞CAVP）熱機的效率熱機效率越大越好，大量事實證明）熱機在循環(huán)過程中作凈功；這種從高溫?zé)嵩次諢崃哭D(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能，再通過系統(tǒng)對外作功其另一部分放入低溫?zé)嵩吹难h(huán)稱為正循環(huán)。由此可看出：返回本章目錄下一頁上一頁第41頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一O；電動壓縮泵B：冷凝器D；蒸發(fā)器C毛細管E工作物質(zhì)：R--12（CCl2F2)電動壓縮泵將制冷劑（氟里昂）壓縮成高溫高壓氣體，送至冷凝器，向空氣（高溫?zé)嵩矗┲蟹艧?。?jīng)過毛細管減壓膨脹，進入蒸發(fā)器D吸收冰箱（低溫?zé)嵩矗┑臒崃?，，之后變?yōu)榈蛪簹怏w再一次循環(huán)…….。BD2)制（致）冷機--在外界作功的條件下，工作物質(zhì)從低溫?zé)嵩次諢崃總鞯礁邷責(zé)嵩慈?，使低溫物體溫度進一步降低的機器。C(現(xiàn)已不用，用無氟制冷劑）原理：O冰箱返回本章目錄下一頁上一頁第42頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩粗评錂CWVP從以上可以看出：

制冷機是在外界作功的條件下從低溫?zé)嵩次諢崃總飨蚋邷責(zé)嵩?。制冷機希望作功少，提取熱量多。故定義：制冷系數(shù)即用作單位數(shù)量的功所能從低溫?zé)嵩刺崛〉臒崃縼碚f明制冷的性能。返回本章目錄下一頁上一頁制泠系數(shù)越大越好第43頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一二卡諾循環(huán)提出：1828年法國青年工程師為研究如何提高熱機效率而提出的一種理想熱機。（高）恒溫?zé)嵩矗ǖ停┖銣責(zé)嵩礋釞CA返回本章目錄下一頁上一頁第44頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一VPa（P1V1T1)b（P2V2T1）c（P3V3T2）d(P4V4T2)Q1Q2返回本章目錄下一頁上一頁卡諾循環(huán)卡諾熱機第45頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁VPa（P1V1T1)b（P2V2T1）c（P3V3T2）d(P4V4T2)Q1Q2第46頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁VPQ1Q2a（P1V1T1)b（P2V2T1）c（P3V3T2）d(P4V4T2)第47頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)論:1)cornot循環(huán)的效率小于1；2)由于熱機效率越大越好。cornot機的效率指出了提高熱機效率的方向:提高高低溫?zé)嵩吹臏囟炔?(由于低溫?zé)嵩吹臏囟葹榄h(huán)境溫度，降低困難;因此，提高高溫?zé)嵩吹臏囟纫?jīng)濟得多)3）由于實際過程既不可能絕熱，也不可能為準靜態(tài)，實際熱機的效率僅僅為上述效率的20~30%。返回本章目錄下一頁上一頁第48頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碿ornotAVPa（P1V1T1)b（P2V2T1）d（P4V4T2）c（P3V3T2）Q2Q13卡諾循環(huán)的作逆循環(huán)時則須外界是對系統(tǒng)作功.卡諾制冷機的制泠系數(shù)制泠系數(shù)越大越好，T2越大,制泠系數(shù)高.即低溫?zé)嵩吹臏囟仍礁呦牡墓驮缴?高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏夭钤叫。牡墓驮缴?。返回本章目錄下一頁上一頁?9頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一例解：abc140VaVbV/10-3m3a—b等溫吸熱b—c等壓負號表示向外界放熱返回本章目錄下一頁上一頁第50頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一c—a等體吸熱整個過程吸熱整個過程放熱返回本章目錄下一頁上一頁abc140VaVbV/10-3m3a—b等溫吸熱b—c等壓放熱第51頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一例：總裝機容量為1.80GW，效率為30%，求全部運行時，（1）求熱機從鍋爐中吸收的熱量（2）用10。C的海水冷卻冷凝器，排水溫度為20。C,求每秒需要多少噸海水（海水比熱C=4.18kJKg-1K-1)解：每秒所需海水質(zhì)量返回本章目錄下一頁上一頁第52頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一解1.00kg0度的水變成0度的冰需取出熱量外界對制冷機作功制冷機對外界放出熱量返回本章目錄下一頁上一頁第53頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一§7可逆過程與不可逆過程熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律不一定返回本章目錄下一頁上一頁熱力學(xué)過程的方向性高溫低溫?zé)醾鲗?dǎo)的方向性自動注意：這里的方向性，是指它們存在一個自動的、無條件的、自發(fā)的、勿須外界幫助而進行的方向。而不是其反方向不能實現(xiàn)，只是實現(xiàn)其反方向過程要產(chǎn)生“對外影響”。第54頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁正過程+反過程=0即系統(tǒng)復(fù)原，對外影響全抵消可逆過程第55頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第56頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一

自然現(xiàn)象，歷史文人，大多是不可逆的。落葉永離，覆水難收。欲死灰之復(fù)燃，艱乎為力；愿破鏡之重圓，冀也無端。人生易老。古詩云：“流水花落春去也，天上人間?！薄熬灰婞S河之水天上來，奔流到海不復(fù)回。君不見高堂明鏡悲白發(fā)，朝如青絲暮成雪?！崩挥嬜枇Φ膯螖[運動單純的無耗散的機械運動是可逆過程。什么過程是可逆過程？可逆過程是理想化的過程。返回本章目錄下一頁上一頁第57頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第58頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一單一熱源（T）A、單一熱源是指溫度均勻且恒定不變的熱源；B、“其它影響”是指從單一熱源吸收熱量及把熱量對外作功以外的任何變化。熱機等溫膨脹雖是從單一熱源吸收熱量全部對外作功，但體積膨脹了。恒溫體A說明：不可能制造一種機器，只從單一熱源吸收熱量使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。1）開爾文（Kelvin)表述1851年三）熱力學(xué)第二定律的兩種表述返回本章目錄下一頁上一頁第59頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一高溫?zé)嵩矗═2）低溫?zé)嵩矗═1）自動地2）克勞修斯（Clausius）表述熱機1兩種表述的等價性反證法：違反了Kelvin表述也就違反了Clausius表述高溫?zé)嵩矗═1）低溫?zé)嵩矗═2）Q1Q1+Q2熱機2高溫?zé)嵩矗═2）低溫?zé)嵩矗═1）Q2Q2Q2A=Q1返回本章目錄下一頁上一頁第60頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一Q2Q2熱機反過來違反了Clausius表述也就違反了Kelvin表述。高溫?zé)嵩矗═1）低溫?zé)嵩矗═2）A熱機Q1Q2A=Q1-Q2兩種表述的等價性高溫?zé)嵩矗═1）Q1-Q2可以證明各種自發(fā)過程的不可逆性是相互關(guān)聯(lián)的由一種過程的不可逆性可以導(dǎo)出另一種自發(fā)過程的不可逆性。熱力學(xué)第二定律采取了一種特殊的表述方法---說明一種過程的不可逆性就是一種表述。返回本章目錄下一頁上一頁第61頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第62頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第63頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一1）熱二律的統(tǒng)計解釋以氣體的自由膨脹為例先考慮只有一個分子的情況這一個分子回到一邊的概率是百分之五十。只有兩個微觀狀態(tài)如果是四個分子呢？左右aaacbdaa§8熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義返回本章目錄下一頁上一頁第64頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一acdbbdabccabcdabcdabcdabcdabcdabcdabcddaccdababcadbadcbdccbadabd設(shè)有一容器僅有四個分子acdb共有24=16個微觀狀態(tài)從宏觀上可分為五個狀態(tài)返回本章目錄下一頁上一頁第65頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一1104512021025021012045101微觀狀態(tài)數(shù)分子數(shù)左右012345678910234567891001總數(shù)210=1024均勻分布或接近均勻分布的幾率卻占了670/1024。而10個分子同時回到一邊的幾率只有1/1024，如果是10個分子呢左右左右返回本章目錄下一頁上一頁第66頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一若一摩爾氣體作自由膨脹，所有分子都回到一邊去的幾率只有1/實際的氣體分子數(shù)很大。如一摩爾的氣體就有N0=6.0221023個分子。左右信息量大（粒子在左室就可以找到）

——信息量?。Ｗ釉谧笥覂墒也趴梢哉业剑┓祷乇菊履夸浵乱豁撋弦豁摰?7頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一

功轉(zhuǎn)變成熱的不可逆性（磨擦生熱）實質(zhì)是：反映分子總是從有序運動狀態(tài)向無序的、大量的、雜亂的微觀狀態(tài)數(shù)很大的方向進行。而反過程的幾率很小、很小。“自然界的一切過程都是向著微觀狀態(tài)數(shù)大的方向進行的”。---波爾茲曼----這就是熱律學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義。返回本章目錄下一頁上一頁第68頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一§9熵返回本章目錄下一頁上一頁微觀狀態(tài)數(shù)最大的平衡態(tài)狀態(tài)是最混亂、最無序的狀態(tài)，也是信息量最小的狀態(tài)。第69頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一

近來國際上一些

物理教育改革家

企圖把物理學(xué)歸結(jié)為少數(shù)幾個基本概念，

盡管各家之言

見仁見智，

但無例外地把熵

(或其等價的說法，

如能的退降)

列為一條。第70頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第71頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第72頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第73頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第74頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第75頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第76頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第77頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一例：兩熱源溫度分別為TH=600K，TL=500K，發(fā)生不可逆熱傳導(dǎo)，Q=1000KJ，計算傳導(dǎo)過程熵變，并求，熱量傳遞后，資用能或可用能的損失。解：孤立系統(tǒng)總熵變?yōu)楫敼铝⑾到y(tǒng)內(nèi)部有不可逆的熱傳導(dǎo)過程時，系統(tǒng)的熵增加。返回本章目錄下一頁上一頁第78頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一高溫?zé)嵩碩L低溫?zé)嵩碩0卡諾熱機A=400KJ高溫?zé)嵩碩H低溫?zé)嵩碩0卡諾熱機A=500KJ在熱源TH與環(huán)境（低溫?zé)嵩矗㏕0之間放一卡諾熱機，其效率為：卡諾熱機從熱源TH吸Q=1000KJ可能對外作的最大的功為500KJ。在熱源TL與環(huán)境（低溫?zé)嵩矗㏕0之間放一卡諾熱機，其效率為：卡諾熱機從熱源TL吸Q=1000KJ可能對外作的最大的功為400KJ。返回本章目錄下一頁上一頁第79頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一卡諾熱機從熱源TH吸Q=1000KJ可能對外作的最大的功為500KJ?？ㄖZ熱機從熱源TL吸Q=1000KJ可能對外作的最大的功為400KJ。高溫?zé)嵩碩L低溫?zé)嵩碩0卡諾熱機A=400KJ高溫?zé)嵩碩H低溫?zé)嵩碩0卡諾熱機A=500KJ能量雖然守恒，但可以利用的能量損失了。熱能從熱源TH傳到熱源TL，品質(zhì)下降了。返回本章目錄下一頁上一頁第80頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁第81頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一返回本章目錄下一頁上一頁五一第82頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一指出幾點：1）熵增加原理只適用于孤立系統(tǒng)。對非孤立系統(tǒng)熵可增加也可減少。2）熵為‘廣延量’，系統(tǒng)的熵為各部分熵的總和。當一個小孩從哇哇墜地，什么也不會，混混沌沌，一天2/3時間在睡覺。但隨著不斷喂養(yǎng)，最后成了一個聰明精干的小伙子。因為它是一個開放系統(tǒng)！又如，一杯水，它不斷被外界吸收熱量，變成冰，它的熵就減少了。C第83頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一關(guān)于熵的進一步討論：熵的增加意味著能量品質(zhì)的降退如圖當A物體下降h時，水溫由T----T+T，這個過程中重力勢能Mgh全部變成水的內(nèi)能。要利用這一能量只能利用熱機。M若周圍溫度為T0則這部分能量能對外作功的最大值為：能作的功少了，一部分能量放入到低溫?zé)釒臁Ｔ僖膊荒鼙焕昧?。這部分不能被利用的能量稱為退化的能量。AAAT+Tm第84頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一1）退化的能量是與熵成正比的；3）每利用一份能量，就會得到一定的懲罰---把一部分本來可以利用的能量變?yōu)橥嘶哪芰?；可以證明：退化的能量實際上就是環(huán)境污染的代名詞。節(jié)約能源就是保護環(huán)境。而保護環(huán)境就是保護人類的生存條件，非同小可。

2）自然界的實際過程都是不可逆過程，即熵增加的過程，大量能源的使用加速了這一過程。而熵的增加導(dǎo)致了世界混亂度的增加。（當代大學(xué)生應(yīng)具備的能源環(huán)境觀）注意；第85頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一熵是事物無序度的量度因為熵是與微觀狀態(tài)的對數(shù)成正比的，微觀狀態(tài)數(shù)越大，混亂度就越大。信息量越小。相反熵減小則有序度增加。以一個N個分子的物質(zhì)系統(tǒng)為例：讓其冷卻，放出熱量，先是碰撞次數(shù)減少，引起混亂的平均速率減小。繼而變?yōu)橐后w時這時分子以振動為主，平動為輔，位置相對固定，有序度增加，溫度再降低時，分子在平衡位置附近振動更加序。事實上平衡態(tài)是最無序。最無信息量，最缺活力的狀態(tài)。第86頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一人們發(fā)現(xiàn)無機界、無生命的世界總是從有序向無序變化，但生命現(xiàn)象卻越來越有序，生物由低級向高級發(fā)展、進化。以致出現(xiàn)