热力学教案及课件.ppt

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1、导言导言一一.热力学与统计物理学的研究任务热力学与统计物理学的研究任务研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化。系统的演化。二二.热力学与统计物理学的研究方法有什么特点？热力学与统计物理学的研究方法有什么特点？ 热力学不考虑物质的微观结构，而是从实验总结热力学不考虑物质的微观结构，而是从实验总结的定律出发经过严密的逻辑推理得到物体宏观热性质的定律出发经过严密的逻辑推理得到物体宏观热性质间的联系，从而揭示热现象的有关规律。间的联系，从而揭示热现象的有关规律。 统计物理认为，热现象是微观粒子热运动的宏观统计物理认为，热现象是微观粒子热运

2、动的宏观表现，而实际观测到的宏观热力学量则是相应微观力表现，而实际观测到的宏观热力学量则是相应微观力学量的统计平均值。学量的统计平均值。两种研究方法存在着各自的优缺点，在实际研究中，需要两种研究方法存在着各自的优缺点，在实际研究中，需要互为补充，相辅相成。互为补充，相辅相成。三三.本课程的特点和要求本课程的特点和要求 作为作为宏观理论宏观理论与与微观理论微观理论的结合，热力学与统计物的结合，热力学与统计物理学是一个比较好的例子。其中统计物理的部分与当代理学是一个比较好的例子。其中统计物理的部分与当代物理学前沿的很多内容结合较紧。物理学前沿的很多内容结合较紧。 数学上不是太难，但是需要补充一些数

3、学上不是太难，但是需要补充一些概率论概率论方面的方面的知识，重要的是把握好物理模型的构建，以及概念之间知识，重要的是把握好物理模型的构建，以及概念之间的相互关系，学习中重点领会其中的物理思想和物理方的相互关系，学习中重点领会其中的物理思想和物理方法。法。微观粒子微观粒子观察和实验观察和实验出出 发发 点点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质力学本质二者关系二者关系无法自我验证无法自我验证不深刻不深刻缺缺 点点揭露本质揭露本质普遍，可靠普遍，可靠优优 点点统计平均方法统计平均方法力学规律力学规律总结归纳总结归纳逻辑推理逻辑推理方方 法法微观量微观量

4、宏观量宏观量物物 理理 量量热现象热现象热现象热现象研究对象研究对象微观理论微观理论（统计物理学）（统计物理学）宏观理论宏观理论（热力学）（热力学）第一章第一章 热力学的基本定律热力学的基本定律1.1平衡态及其描述平衡态及其描述一、系统的分类一、系统的分类热力学系统、外界热力学系统、外界有无能量交换有无能量交换有无物质交换有无物质交换系统种类系统种类无无无无孤立系孤立系有有无无闭系闭系有有有有开系开系二、热力学平衡态二、热力学平衡态 在不受外界影响的条件下，系统的性质不随时间变在不受外界影响的条件下，系统的性质不随时间变化的状态为热力学平衡态。化的状态为热力学平衡态。1 .驰豫过程与驰豫时间；

5、驰豫过程与驰豫时间；2.热动平衡热动平衡；3.忽略涨落忽略涨落4.非孤立系的平衡态。非孤立系的平衡态。.状态函数状态函数2.状态参量状态参量3.非热学特有参量（四类基本参量）非热学特有参量（四类基本参量）4.热学特有参量热学特有参量5.简单系统简单系统三、状态函数三、状态函数四、相四、相五、非平衡态的描述五、非平衡态的描述六、单位六、单位 一个物理性质均匀的系统称为一个相。根据相的数量，一个物理性质均匀的系统称为一个相。根据相的数量，可以分为单相系和复相系。可以分为单相系和复相系。1.2热平衡定律及温度热平衡定律及温度一、热平衡定律一、热平衡定律(热力学第零定律）热力学第零定律）绝热壁和透绝热

6、壁和透热壁热壁 如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们彼此也处在热平衡彼此也处在热平衡.cabcab若若A与与B平衡，则有：平衡，则有：),( 0),(CAAACCCCAAACVVpFpVpVpfB与与C平衡，有：平衡，有：),( 0),(CBBBCCCCBBBCVVpFpVpVpf),(),( CBBBCCAAACVVpFVVpF由热平衡定律，由热平衡定律，A与与B平衡，平衡，0),( BBAAABVpVpf故：故：),(),(BBBAAAVpgVpg二、态函数温度二、态函数温度存在着态函数存在着态函数g(P,V)g(P,V)用来表征系统热平

7、衡状态下的特征，用来表征系统热平衡状态下的特征，经验表明，这就是系统的温度。经验表明，这就是系统的温度。三三. .温度计与温标温度计与温标1.1.经验温标：凡是以某物质的某一属性随冷热程度的变经验温标：凡是以某物质的某一属性随冷热程度的变化为依据而确定的温标称为经验温标。化为依据而确定的温标称为经验温标。2.2.理想气体温标：理想气体温标：3 3 . .热力学温标：热力学温标：不依赖任何具体物质特性的温标。不依赖任何具体物质特性的温标。 在理想气体可以使用的范围内，理想气体温标与在理想气体可以使用的范围内，理想气体温标与热力学温标是一致的。热力学温标是一致的。)(lim16.2730tpppK

8、Tt16.273tVppT16.273tVppT)(16.273tVppKT1.3物态方程物态方程 物态方程是温度与状态参量之间的函数关系。对于物态方程是温度与状态参量之间的函数关系。对于简单系统：有简单系统：有f(P,V,T)0常用物理量及其关系常用物理量及其关系 TTVpTVVTppTVV)(1. 3)(1. 2)(1 :. 1等温压缩系数：压强系数：体积膨胀系数三者之间存在关系：pT 物态方程的具体形式：物态方程的具体形式：1.气体的物态方程气体的物态方程. 在热力学中，可以通过玻马定律、阿氏定律在热力学中，可以通过玻马定律、阿氏定律理理想气体温标确定理想气体状态方程想气体温标确定理想气

9、体状态方程 选择具有固定质量的理想气体经过一个等容过选择具有固定质量的理想气体经过一个等容过程和一个等温过程，由程和一个等温过程，由变到变到，其中，其中),(111TVp),(212TVp),(222TVppV),(212TVp),(222TVp),(111TVpI),(111TVp),(212TVp21121212TTppTTpp),(212TVp),(222TVp21222212VVppVpVpnRTPVnRTVnpTVpTpVTVpTVpm0000002221112.2.实际气体的状态方程实际气体的状态方程nRTnbVVanp)(22范德华尔斯方程：范德华尔斯方程：昂尼斯方程：昂尼斯方程

10、：3232 VDVCVBApVDpCpBpApV或：3.3.简单的固体和液体（已知：简单的固体和液体（已知：、T T) )V=V01+ (T-T0)- T(p-p0)4.4.顺磁介质：顺磁介质：M=CH/T(M=CH/T(实验公式）实验公式）四四. .广延量和强度量广延量和强度量 与系统的物质或物质的量成正比，称为广延量，与系统的物质或物质的量成正比，称为广延量，如质量，物质的量，体积和总磁矩如质量，物质的量，体积和总磁矩 . . 与质量或物质的量无关，称为强度量，如压强，与质量或物质的量无关，称为强度量，如压强，温度和磁场强度温度和磁场强度 . . 1.4准静态过程与功准静态过程与功一一.准

11、静态过程准静态过程1.系统从一个状态（平衡态或非平衡态）变化到另系统从一个状态（平衡态或非平衡态）变化到另一个状态的过程叫一个状态的过程叫热力学过程热力学过程.2.准静态过程：过程由无限靠近的平衡态组成，过准静态过程：过程由无限靠近的平衡态组成，过程进行的每一步，系统都处于平衡态程进行的每一步，系统都处于平衡态.3. 准静态过程是一个理想的极限概念准静态过程是一个理想的极限概念.4.准静态过程的判据和重要性质准静态过程的判据和重要性质 a驰豫时间判据驰豫时间判据 b对于无摩擦阻力系统，外界作用力可用平衡态状对于无摩擦阻力系统，外界作用力可用平衡态状态参量来表示态参量来表示. c 只有准静态过程

12、才能用只有准静态过程才能用Pv图中的一条曲线来描图中的一条曲线来描述。述。二.准静态过程的功1.体积变化功体积功：活塞向右移动，pdVpAdxxdFdW 活塞向左移动，pdVpAdxxdFdW有限过程，BAVVpdVW外界在准静态过程中对系统所作的功就等于p-v曲线p=p(v)下方面积的值。作功与过程有关。pdx4 . 1图pVAB125 . 1图2.面积变化功面积功：边框向右移动， 边框向左移动，dAdxlxdFdW2dAdxlxdFdW26 . 1图dxll3 极化功：当将电容器的电荷量增加 时外界所作的功为dqEVdDElAdAEldvdqdW)(Addq Elv EVdPdEEVPEE

13、Vd00)(DPED0EVdPEVd)2(20外界所作的功可以分成两部分，第一部分是激发电场作的功，第二部分是使介质极化所作的功。当热力学系统不包括电场时，只须考虑使介质极化作的功。v4 磁化功：外界电源为克服反向电动势，在 时间内外界作的功为dtVHdBAlHdBdtHNldtdBNAIdtdW)()(ABdtdNNIHl dMVHdHVHMHdVH000)()(0MHBVHdMHVd020)2( 外界所作的功可以分成两部分，第一部分是激发磁场作的功，第二部分是使介质磁化所作的功。当热力学系统不包括磁场时，只须考虑使介质磁化作的功。8 . 1图各种类型的功1.体积变化功2.液体表面膜面积变化

14、功3.电介质的极化功VEdPdW dAdWpdVdW4.磁介质的磁化功5.一般情况下，准静态中，外界对系统所作的功为正功。iiidyYdWVHdmdW0几种常用的广义功和与之对应的广义力、外参量dW 广义力iY 外参量iy体积功 pdVdW p V面积功 dAdW A极化功 VEdPdW VE P磁化功 VHdMdW0 VH0 M广义功1.5热力学第一定律热力学第一定律一一.焦耳实验焦耳实验绝热过程：系统状态的变化完全是机械作用或电磁作用绝热过程：系统状态的变化完全是机械作用或电磁作用 的结果而没有受到其他影响。的结果而没有受到其他影响。二二.态函数内能态函数内能SABWUU内能的微观解释：内

15、能的微观解释： 内能是系统中分子无规运动的能量总和的统计平均值。内能内能是系统中分子无规运动的能量总和的统计平均值。内能是态函数，功和热量都不是态函数，而是过程函数（量）。是态函数，功和热量都不是态函数，而是过程函数（量）。三三.热力学第一定律热力学第一定律QWUUABdWdQdU如果系统经历的是非绝热过程，则如果系统经历的是非绝热过程，则 绝热系统是与外界无热交换的系统：绝热系统是与外界无热交换的系统：0Qd孤立系统与外界既无热交换，也无能量传递：孤立系统与外界既无热交换，也无能量传递：0Qd0Wd热量的本质：当系统与外界无作功的相互作用时，热量是热量的本质：当系统与外界无作功的相互作用时，

16、热量是系统内能变化的量度。规定系统吸收热量为正。系统内能变化的量度。规定系统吸收热量为正。四四.第一类永动机不可能造成。第一类永动机不可能造成。dUdQdW1.6热容量与焓热容量与焓一一.热容量定义：系统在热力学过程中，升高热容量定义：系统在热力学过程中，升高1K所吸收的热量所吸收的热量1.定容热容量：定容热容量：2.定压热容量：定压热容量：3.焓：定义态函数焓：定义态函数 由热力学第一定律由热力学第一定律,定压过程中，定压过程中，VPUHQ PPPPPPPPTHTHTVPUTQC)()(lim)(lim)(lim000dTdQTQCT0limVVTVTVTUTUTQC)()(lim)(lim00PPPPPPPTVPTUTVPUTQC)()()(lim)(lim00PVUH VPUHQ 1.7理想气体内能理想气体内能取取T、V为状态参量，由为状态参量，由U=U(T,V)代入得：代入得：对于绝热自由膨胀，对于绝热自由膨胀，U不变，焦耳由实验得：不变，焦耳由实验得： 1)()()()()()(VUTTVTVUTTVVUdVVUdTCdVVUdTTUdU由偏导公式：UVTVTCVU)()(0