熱力學(xué)第一定理1第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月統(tǒng)計物理學(xué)是從微觀上來研究熱學(xué)現(xiàn)象，但很多問題都要涉及到分子的許多細節(jié)，如分子的組成、分子的自由度等。有時并不能完全知道這些。這時可從宏觀上來研究，以達相輔相成、互相補充的目的。所謂從宏觀上來研究，主要指從能量的角度來研究。主要內(nèi)容有：1）內(nèi)能、功和熱量；2）熱力學(xué)第一定律及其對理想氣體的應(yīng)用3）熱力學(xué)第二定律。2第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月21.1基本概念一、熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）：由大量微觀粒子組成的有限的宏觀物質(zhì)系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)：與外界無物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)外界（環(huán)境）：系統(tǒng)以外的物質(zhì)開放系統(tǒng)：與外界有物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)封閉系統(tǒng)：與外界無物質(zhì)，但有能量交換的系統(tǒng)二、熱力學(xué)物理量1、狀態(tài)參量描述處于平衡態(tài)的系統(tǒng)的性質(zhì)的物理量，p,V,T。

p：氣體對器壁單位面積上垂直作用力。帕3第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月V：氣體分子可以到達的空間。單位：立方米T：物體的冷熱程度，分子熱運動的劇烈程度。開P-V(P-T,V-T)圖中“點”表示平衡態(tài)0VpⅠⅡ(p1V1T1)(p2V2T2)..理想氣體狀態(tài)方程M：理想氣體的質(zhì)量μ：理想氣體的摩爾質(zhì)量R：8.31J/Mol/K普適常數(shù)混合理想氣體狀態(tài)方程4第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月一個系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時，我們說系統(tǒng)經(jīng)歷了一個過程。準(zhǔn)靜態(tài)過程非準(zhǔn)靜態(tài)過程:過程中的每一中間狀態(tài)都可看成是平衡態(tài)。馳豫時間為：即從非平衡到平衡所需的時間。若過程所用的時間t>>,系統(tǒng)有充分時間達到平衡，可視此過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程。2、過程u

外界對氣體做功。約為1ms，壓縮一次1s。準(zhǔn)靜態(tài)過程。T1+△T

T1+2△T

T1+3△T

T2系統(tǒng)T1

系統(tǒng)從外界吸收升溫的準(zhǔn)靜態(tài)過程5第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3、功氣體Fdx做功是使系統(tǒng)狀態(tài)變化的一種方式，功是能量傳遞和轉(zhuǎn)化的量度和重要表現(xiàn)形式。系統(tǒng)對外做功（體積功）1）A>0系統(tǒng)對外界做正功；A<0系統(tǒng)對外界做負功。討論：2）p-V圖上曲線下面積表示體積功大小。3）功是過程量。6第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月例：n

摩爾理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)膨脹，初態(tài)體積為

V1，溫度為

T1，系統(tǒng)從初態(tài)分別按等溫、等壓兩種方式膨脹到體積

V2，求：等溫、等壓兩種過程中系統(tǒng)對外界的功并比較它們的大小。解：（1）

等壓過程>0(2)等溫過程>0pVV1

V2

等壓7第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4、熱量系統(tǒng)通過熱傳遞過程與外界交換能量的量度為熱量Q(卡).熱量與功的異同:Q>0Q<0從外界吸收熱量系統(tǒng)向外界放熱過程量：與過程有關(guān)；2)等效性：改變系統(tǒng)狀態(tài)的作用相同；

1卡=4.18焦，1焦=0.24卡3)功與熱量的物理本質(zhì)不同.8第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月5、理想氣體內(nèi)能分子無規(guī)則運動的動能、分子間相互作用的勢能、分子、原子內(nèi)的能量、核內(nèi)的能量等的總和，為氣體的內(nèi)能。理想氣體的內(nèi)能：分子的動能之和。當(dāng)溫度改度時,內(nèi)能也改變:9第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月21.2熱力學(xué)第零定律一、溫度（從測量角度）在不受外界影響的條件下，兩個熱力學(xué)系統(tǒng)相互傳遞能量（熱傳遞），達到一個共同的平衡態(tài)。處于同一平衡態(tài)的所有熱力學(xué)系統(tǒng)都有一個共同的宏觀性質(zhì)。定義為：溫度熱平衡是能量的平衡，不是物質(zhì)數(shù)量的平衡。1、熱平衡2、溫度處于熱平衡的所有熱力學(xué)系統(tǒng)的熱力學(xué)溫度相同二、熱力學(xué)第零定律A,B,C三個熱力學(xué)系統(tǒng)在與外界隔離的條件下，如果A,B兩個熱力學(xué)系統(tǒng)每一個都和系統(tǒng)C處于熱平衡，則A和B兩系統(tǒng)必定處于熱平衡。實驗定律，非邏輯推理。10第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月三、理想氣體溫標(biāo)1、玻意耳定律一定質(zhì)量的氣體，溫度不變時

pV

=常量1)、溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示法3)、理想氣體模型（宏觀）在各種壓強下都嚴格遵守玻意耳定律的氣體2)、建立溫標(biāo)的三要素測溫物質(zhì)，測溫屬性，固定標(biāo)準(zhǔn)點一定質(zhì)量的理想氣體標(biāo)準(zhǔn)溫度定為水的三相溫度（1954年）2、幾個概念3、理想氣體溫標(biāo)對任意測量對象11第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月對一定體積的氣體，設(shè)溫度為時，氣體的壓強為，則定容氣體溫度計對一定壓強的氣體，設(shè)溫度為時，氣體的體積為，則定壓氣體溫度計4、溫度計發(fā)明者—伽利略（1659年）常用酒精溫度計，水銀溫度計，金屬電阻溫度計，溫差電偶。5、常用溫標(biāo)華氏溫標(biāo)，水的冰點32o，沸點212o攝氏溫標(biāo)，水的冰點0o，沸點100o（常用）熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）273.16K6、熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)零度不能達到12第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月21.3-4熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用改變系統(tǒng)的內(nèi)能實驗實驗表明，可以通過做功和傳輸熱量兩種方式改變系統(tǒng)的內(nèi)能。13第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱力學(xué)第一定律系統(tǒng)對外界做的功系統(tǒng)從外界吸收的熱量系統(tǒng)內(nèi)能的增量表述：某系統(tǒng)從外界吸收熱量其一部份用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部份用來對外作功。(有限過程)(微小過程)+系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功物理意義熱現(xiàn)象的能量守恒定律。14第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第一定律的另一種表達方式第一類永動機是不可能實現(xiàn)的第一類永動機：系統(tǒng)從初態(tài)出發(fā)，不斷地經(jīng)歷狀態(tài)變化回到原初態(tài)，過程中不需外界提供能量，而能對外不斷做功的永動機。理想氣體的熱力學(xué)第一定律：積分形式15第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱容物質(zhì)的熱容與過程有關(guān)可以>0，=0，<0摩爾熱容比熱等壓摩爾熱容等容(體)摩爾熱容M為物質(zhì)的質(zhì)量系統(tǒng)溫度升高dT，所吸收的熱量為δQ16第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月三、理想氣體的熱容1、定容摩爾熱容量CV設(shè)摩爾理想氣體，經(jīng)歷等容過程0摩爾理想氣體內(nèi)能的計算2、定壓摩爾熱容量

Cp(邁耶公式)設(shè)摩爾理想氣體，經(jīng)歷等壓過程-----邁耶公式17第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3、熱容比

γ分子種類

單原子分子剛性雙原子分子剛性多原子分子自由度i=3i=5i=6Cv

Cp

g1.671.401.3318第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月等容V過程過程方程內(nèi)能功熱量10dE=dQ;QV=E2-E1恒量四、熱力學(xué)第一定律在理想氣體中的應(yīng)用19第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月等壓p過程過程方程內(nèi)能功熱量2恒量20第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月等溫T過程過程方程功內(nèi)能熱量3恒量21第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月例.一定量的理想氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積為

1.010-2m3

求:下列過程中氣體吸收的熱量:

1.等溫膨脹到體積為

2.010-2m3;

2.先等容冷卻,再等壓膨脹到(1)所到達的終態(tài)。(1atm=1.013105Pa)p1

V1

ap2

V2

boV[m3]p[pa]c解:(1)在

ab等溫過程中,ET=0.代入上式,得(吸熱)22第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)在ac等容降溫和cb等壓膨脹過程中,因

a、b溫度相同,故E=0。應(yīng)用公式:熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程。p1

V1

ap2

V2

boV[m3]p[pa]c23第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)和外界無熱量交換進行的過程為絕熱過程，dQ=0,Q=0理想氣體狀態(tài)方程熱力學(xué)第一定律(1)、(2)兩式微分得：1、過程特征(3)、(4)兩式聯(lián)立，消去dT……

泊松公式五、絕熱過程24第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月絕熱膨脹過程計算功的方法將絕熱方程代入得25第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2、等溫線與絕熱線比較①等溫線：②絕熱線絕熱線比等溫線更陡。A點斜率為pvo絕熱線等溫線ApAVAA點斜率為3、摩爾熱容

等溫膨脹時是從外界吸熱，對外作功，內(nèi)能不減少。絕熱膨脹則是靠內(nèi)能的減少，系統(tǒng)溫度要下降,故斜率大。26第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月4、理想氣體絕熱自由膨脹過程絕熱壁+隔板初態(tài)：(p0,V0,T0)，右半部分為真空終態(tài)：(p1,2V0,T1)這一過程為絕熱自由膨脹。問：p1=？T1=？解法二：熱一律+理想氣體狀態(tài)方程解法一：由絕熱方程求解哪種正確？過程是絕熱的，故Q=0，向真空的膨脹，對外界不做功，故A=0，故再由初、末態(tài)的狀態(tài)方程熱一律：第二種方法對，因為此過程非準(zhǔn)靜態(tài)過程，絕熱方程不成立！27第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月實際上，氣體所進行的過程，常常既不是等溫又不是絕熱的，可表示為

PVn

=常量（n為多方指數(shù)）凡滿足上式的過程稱為多方過程。

n=1

——

等溫過程

n=

——

絕熱過程

n=0

——

等壓過程

n=

——

等容過程一般情況1n，多方過程可近似代表氣體內(nèi)進行的實際過程。說明：理想氣體的內(nèi)能增量為理想氣體的狀態(tài)方程對各種過程都成立。六、多方過程28第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月例.

如圖，理想氣體的p-V圖，MT為等溫線，MQ為絕熱線，在AM,BM,CM三種準(zhǔn)靜態(tài)過程中：（1）溫度升高的是過程；（2）氣體吸熱的是過程。VBM,CM解:

（1）B,C在等溫線TM下方，分別處在另外溫度較低的兩條等溫線上，故溫度升高。CM（2）Q→M是絕熱過程：C→M過程：∴CM過程吸熱。PMATBQC29第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月21.5熱機效率卡諾定理

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。事實上說明這種辦法不行。1）氣缸長度是有限的2）即使氣缸可以做得無限長，但當(dāng)氣缸內(nèi)壓強與外界一致時，膨脹也將停止。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。這種利用循環(huán)過程的機器稱為熱機。恒溫體A從外界吸熱全部變?yōu)楣Φ葴嘏蛎涀罾硐耄?。一、循環(huán)過程30第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月習(xí)慣無論是吸熱還是放熱，Q一律取正值準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程1、熱力學(xué)第一定律在循環(huán)過程中的形式（系統(tǒng)完成一個循環(huán)又回到初態(tài)）系統(tǒng)吸收的凈熱量等于系統(tǒng)對外作的凈功31第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2、準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程分類沿順時針進行的循環(huán)正循環(huán)過程沿逆時針進行的循環(huán)逆(負)循環(huán)過程系統(tǒng)對外界做功：熱機循環(huán)外界對系統(tǒng)做功：制冷循環(huán)32第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月介紹一個具體的熱機--蒸汽機熱機須有工作物質(zhì)、高溫?zé)嵩矗ㄥ仩t）、低溫?zé)嵩矗ɡ淠鳎└邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩礋釞CAVP熱機的效率二、熱機和制冷機33第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月四沖程汽油內(nèi)燃機的循環(huán)-----奧托循環(huán)（N.A.Otoo）具體工作過程#吸入燃料過程：氣缸吸入汽油蒸汽和助燃空氣，可看作等壓過程（過程ea)。1、壓縮過程：活塞運動，將吸入的混合氣體加以壓縮，可看作絕熱過程（過程ab)。2、爆炸、做功過程：用電火花引起氣體爆炸，氣體壓強劇增，由于爆炸事件短促，活塞在這一瞬間移動的距離很小，近似為等體過程（過程bc）。4、排氣過程，開放排氣口，使氣體的壓強突然降到大氣壓，近似等體過程（過程da），再由飛輪的慣性帶動，排出廢氣。abcdV1V2pVe3、做功過程：在這巨大的壓力推動下，活塞做功，可看作絕熱過程（過程cd）。34第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月求奧托循環(huán)的效率（四沖程汽油機的理想過程）在b---c過程中氣體吸熱在d---a過程中氣體放熱（a---b，c----d）是絕熱過程α為壓縮比，不能大于7abcdV1V2pVe35第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月求狄塞爾循環(huán)的效率（四沖程柴油機的理想過程）由兩個絕熱過程（a---b，c----d）等容過程（d---a）等壓過程(b—c)組成abcd在b---c過程中氣體吸熱在d---a過程中氣體放熱（a---b，c----d）是絕熱過程V1V2PVV3b---c是等壓過程36第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月致冷機介紹一個具體的致冷機—冰箱高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩粗评錂CAVP從以上可以看出：致冷機：在外界作功的條件下，從低溫?zé)嵩次諢崃總飨蚋邷責(zé)嵩?。定義：致冷系數(shù)單位數(shù)量的功能從低溫?zé)嵩刺崛〉臒崃縼碚f明致冷的性能。37第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月求斯特林循環(huán)的逆向制冷效率由兩個等溫過程（a---b，c----d）和兩個等容過程（b---c，d----a）組成在b---c過程中氣體放熱在d---a過程中氣體吸熱在a---b過程等溫壓縮在c---d過程等溫膨脹abcdV1V2PVT2T138第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過程為卡諾循環(huán)。按卡諾循環(huán)工作的熱機為卡諾機。2.

卡諾機的熱機效率

poVT1T2ⅠⅡⅢⅣabcda→b等溫膨脹吸熱為：①由等溫過程求吸熱Q1和放熱Q2:c→