大學(xué)物理熱力學(xué)知識(shí)點(diǎn)匯報(bào)人：25目錄溫度和氣體動(dòng)理論熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律守恒定律在熱力學(xué)中應(yīng)用微觀角度下物理現(xiàn)象及規(guī)律本質(zhì)剖析現(xiàn)代物理概念與思想融入教學(xué)探討01溫度和氣體動(dòng)理論Chapter溫度概念及其測(cè)量方法溫度定義溫度是描述物體冷熱程度的物理量，是物體分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。攝氏溫標(biāo)規(guī)定冰水混合物為0度，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸水的溫度為100度，中間均勻劃分為100份。絕對(duì)零度熱力學(xué)溫度的最低點(diǎn)，約為-273.15攝氏度，是溫度的最低可能值。測(cè)量方法通常采用溫度計(jì)測(cè)量，如水銀溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)等。氣體是由大量分子組成的，分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與溫度有關(guān)，溫度越高，平均動(dòng)能越大。分子間存在相互作用力，但分子間距離很大時(shí)，作用力很微弱。氣體分子碰撞頻繁，碰撞前后動(dòng)量守恒，無(wú)外力作用時(shí)，系統(tǒng)總動(dòng)量不變。氣體分子運(yùn)動(dòng)論基本觀點(diǎn)理想氣體狀態(tài)方程與模型理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，其中P為壓強(qiáng)，V為體積，n為摩爾數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。理想氣體假設(shè)分子間無(wú)相互作用力，分子體積可忽略不計(jì)，碰撞時(shí)發(fā)生彈性碰撞。理想氣體模型實(shí)際氣體在溫度不太低、壓強(qiáng)不太大時(shí)，可近似為理想氣體。理想氣體定律波義耳定律、查理定律、蓋-呂薩克定律等。真實(shí)氣體性質(zhì)及變化規(guī)律分子間存在相互作用力，分子有體積，碰撞時(shí)不一定發(fā)生彈性碰撞。真實(shí)氣體與理想氣體的差異對(duì)理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行修正，考慮了分子間相互作用力和分子體積的影響。臨界點(diǎn)是氣體能夠液化的最高溫度和壓力點(diǎn)，三相點(diǎn)是物質(zhì)的氣、液、固三相共存時(shí)的溫度和壓力點(diǎn)。范德瓦爾斯方程在足夠低的溫度下，任何氣體都可以液化，甚至固化。真實(shí)氣體的液化與固化01020403臨界點(diǎn)與三相點(diǎn)02熱力學(xué)第一定律Chapter熱力學(xué)系統(tǒng)是指研究的對(duì)象，它是被人為劃分出來(lái)的一個(gè)物質(zhì)或能量的集合體，與外界有明確的分界面。系統(tǒng)與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的物質(zhì)或能量集合體，即系統(tǒng)外部的環(huán)境。外界描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，如溫度、壓力、體積等。狀態(tài)參量系統(tǒng)、外界和狀態(tài)參量介紹是能量轉(zhuǎn)換的度量，當(dāng)力作用于物體并使其移動(dòng)時(shí)，就做了功。在熱力學(xué)中，功是系統(tǒng)與外界交換能量的一種方式。功是熱傳遞過(guò)程中所傳遞的能量，是系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫度差異而傳遞的能量。熱量是系統(tǒng)內(nèi)部微觀粒子（如分子、原子等）所具有的動(dòng)能和勢(shì)能的總和，與系統(tǒng)的溫度和體積有關(guān)。內(nèi)能功、熱量和內(nèi)能概念辨析熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的具體應(yīng)用，它表明在一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程中，系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)對(duì)外做的功和系統(tǒng)內(nèi)能的增加。表述ΔU=Q+W，其中ΔU表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化，Q表示系統(tǒng)吸收的熱量，W表示系統(tǒng)對(duì)外做的功。數(shù)學(xué)表達(dá)式熱力學(xué)第一定律表述與數(shù)學(xué)表達(dá)式在溫度不變的條件下，系統(tǒng)與環(huán)境之間發(fā)生熱量和功的交換。例如，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的恒溫實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)與環(huán)境之間沒(méi)有熱量交換，只有功的交換。例如，內(nèi)燃機(jī)中的壓縮和膨脹過(guò)程。系統(tǒng)在沒(méi)有外界壓力的情況下自由膨脹，不做功但可能改變溫度。例如，氣體在真空中的擴(kuò)散。熱力學(xué)第一定律在日常生活和工程技術(shù)中有廣泛應(yīng)用，如內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)、蒸汽機(jī)的改進(jìn)、制冷設(shè)備的研發(fā)等。典型過(guò)程分析及應(yīng)用舉例等溫過(guò)程絕熱過(guò)程自由膨脹過(guò)程應(yīng)用舉例03熱力學(xué)第二定律Chapter自發(fā)過(guò)程與非自發(fā)過(guò)程判斷依據(jù)熵增原理自發(fā)過(guò)程總是向著熵增大的方向進(jìn)行，直至系統(tǒng)達(dá)到最大熵狀態(tài)。等溫等壓條件下，自發(fā)過(guò)程的自由能變化ΔG小于零。自由能變化自發(fā)過(guò)程具有不可逆性，即不能自發(fā)地回到原來(lái)的狀態(tài)。不可逆性第一定律雖然能量守恒，但無(wú)法解釋能量轉(zhuǎn)化的方向性。熱力學(xué)第一定律的局限性熵是系統(tǒng)無(wú)序度的量度，反映了系統(tǒng)內(nèi)部混亂程度。熵的定義揭示了自然界中過(guò)程的不可逆性和時(shí)間方向性。熵增原理的意義熵概念引入背景及物理意義闡述010203熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳導(dǎo)到高溫物體?？藙谛匏贡硎霾豢赡軓膯我粺嵩次鼰崾怪耆?yōu)橛杏霉?，而不產(chǎn)生其他影響。開(kāi)爾文-普朗克表述這兩種表述在本質(zhì)上是等價(jià)的，都揭示了自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程的方向性。兩種表述的等價(jià)性熱力學(xué)第二定律兩種表述方式比較卡諾定理由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成的可逆循環(huán)。卡諾熱機(jī)的理想模型克勞修斯推論熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳導(dǎo)到高溫物體的結(jié)論，進(jìn)一步證明了熱力學(xué)第二定律的正確性。在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆卡諾熱機(jī)，其效率都相等，且與工作物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)?？ㄖZ定理及其推論介紹04守恒定律在熱力學(xué)中應(yīng)用Chapter反應(yīng)前后質(zhì)量不變?cè)谌魏位瘜W(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前后的物質(zhì)總質(zhì)量保持不變，即反應(yīng)物的總質(zhì)量等于生成物的總質(zhì)量。質(zhì)量守恒定律在化學(xué)反應(yīng)中體現(xiàn)質(zhì)量守恒的微觀解釋在化學(xué)反應(yīng)中，原子是化學(xué)反應(yīng)的基本單位，原子在化學(xué)反應(yīng)中既不被創(chuàng)造也不被消滅，只是重新組合成新的分子或物質(zhì)，因此原子的種類和數(shù)目在反應(yīng)前后不變，導(dǎo)致了反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變。質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用質(zhì)量守恒定律是化學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可以計(jì)算化學(xué)反應(yīng)中未知物質(zhì)的量，也可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否完全。能量守恒定律在熱力學(xué)過(guò)程分析中應(yīng)用能量守恒的基本表述能量不能被創(chuàng)造或消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移過(guò)程中，能量的總量保持不變。熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的具體表現(xiàn)，它表明在一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中，內(nèi)能的增加等于外界對(duì)系統(tǒng)做功和傳遞給系統(tǒng)的熱量之和。能量守恒定律的應(yīng)用能量守恒定律是熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)，可以用來(lái)計(jì)算熱力學(xué)過(guò)程中的熱量、功和內(nèi)能的變化，也可以用來(lái)判斷熱力學(xué)過(guò)程的方向和可能性。動(dòng)量守恒定律在流體動(dòng)力學(xué)中作用動(dòng)量守恒定律在流體中的應(yīng)用在流體動(dòng)力學(xué)中，動(dòng)量守恒定律可以用來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特別是在沒(méi)有外力作用的情況下，流體的動(dòng)量將保持不變。這一原理對(duì)于分析流體在管道、孔口、泵等設(shè)備中的流動(dòng)情況非常重要。動(dòng)量守恒定律的實(shí)例分析例如，當(dāng)水從水管中流出時(shí)，其流速和截面積之間的關(guān)系可以通過(guò)動(dòng)量守恒定律來(lái)計(jì)算。另一個(gè)例子是，當(dāng)火箭噴射燃料時(shí)，燃料產(chǎn)生的推力會(huì)使火箭向前運(yùn)動(dòng)，這也是動(dòng)量守恒定律的一個(gè)應(yīng)用。動(dòng)量守恒定律的表述在沒(méi)有外力作用的情況下，一個(gè)封閉系統(tǒng)中物體動(dòng)量的總和保持不變。03020105微觀角度下物理現(xiàn)象及規(guī)律本質(zhì)剖析Chapter分子間存在相互作用的引力和斥力，這兩種力都隨分子間距離的減小而增大。引力與斥力分子間相互作用力只在極短距離內(nèi)起作用，當(dāng)分子間距離大于某一特定值時(shí)，這種力幾乎為零。力的作用范圍分子間相互作用力的大小和性質(zhì)與分子的狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）密切相關(guān)。力與分子狀態(tài)分子間相互作用力類型及特點(diǎn)分析固體、液體壓縮性比較實(shí)驗(yàn)原理剖析01固體分子排列緊密，液體分子排列較為松散，這是導(dǎo)致固體和液體壓縮性差異的根本原因。在壓縮過(guò)程中，固體分子間的距離減小，但分子本身不發(fā)生變化；而液體分子間的距離雖然也減小，但分子間的相互作用力變化更為顯著。固體在受到壓力時(shí)，會(huì)發(fā)生彈性形變或塑性形變，而液體則主要表現(xiàn)為流動(dòng)性。0203分子排列壓縮過(guò)程中的分子變化彈性與塑性分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)氣體分子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這是氣體擴(kuò)散現(xiàn)象的微觀基礎(chǔ)。擴(kuò)散速率與溫度關(guān)系溫度越高，氣體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)越劇烈，擴(kuò)散速率越快。擴(kuò)散現(xiàn)象與濃度梯度氣體擴(kuò)散現(xiàn)象總是從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域進(jìn)行，直到達(dá)到均勻分布。氣體擴(kuò)散現(xiàn)象微觀解釋06現(xiàn)代物理概念與思想融入教學(xué)探討Chapter量子力學(xué)對(duì)熱力學(xué)函數(shù)影響量子力學(xué)導(dǎo)致熱力學(xué)函數(shù)（如熵、自由能等）在微觀層面具有新解釋和計(jì)算方法。熱力學(xué)基本假設(shè)與量子力學(xué)基本原理經(jīng)典熱力學(xué)基于大量粒子統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而量子力學(xué)研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，兩者在基本概念上有很大差異。熱力學(xué)定律在量子領(lǐng)域適用性熱力學(xué)第一、第二定律在量子領(lǐng)域是否仍然適用，如何解釋量子糾纏等現(xiàn)象。量子力學(xué)對(duì)經(jīng)典熱力學(xué)挑戰(zhàn)與啟示相對(duì)論速度下物質(zhì)性質(zhì)變化相對(duì)論效應(yīng)導(dǎo)致物質(zhì)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)性質(zhì)發(fā)生變化，如質(zhì)量增加、時(shí)間延緩等，這些變化對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生影響。溫度定義與相對(duì)論相對(duì)論背景下，溫度定義是否需要進(jìn)行修正，如何建立相對(duì)論溫度概念。相對(duì)論效應(yīng)對(duì)溫度測(cè)量技術(shù)挑戰(zhàn)相對(duì)論效應(yīng)對(duì)現(xiàn)代溫度測(cè)量技術(shù)（如熱力學(xué)溫度計(jì)、輻射溫度計(jì)等）產(chǎn)生哪些挑戰(zhàn)。相對(duì)論效應(yīng)對(duì)溫度測(cè)量影響分析01宇宙