大学物理PPT.ppt

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1、研究对象研究对象热运动：热运动：构成宏观物体的大量微观粒子的永不休构成宏观物体的大量微观粒子的永不休 止的无规则运动。止的无规则运动。热现象：热现象：与温度有关的物理性质的变化。与温度有关的物理性质的变化。热学是研究自然界中一切热现象和热运动规律的学科热学是研究自然界中一切热现象和热运动规律的学科根据研究方法和角度的不同根据研究方法和角度的不同分子物理学分子物理学（第（第6章）章） 热力学热力学 （第（第5章）章） 第二篇第二篇 热热 学学它包括它包括分子物理学分子物理学和和热力学热力学两个方面：两个方面： 分子物理学分子物理学( (更普遍地称为更普遍地称为统计物理学统计物理学):): 是从物

2、质的微观结构出发，认为物体的宏观性质是大量分子无是从物质的微观结构出发，认为物体的宏观性质是大量分子无规则热运动的平均效果规则热运动的平均效果, ,用统计的方法研究物体的宏观性质。用统计的方法研究物体的宏观性质。能对热现象本质能对热现象本质进行理论解释进行理论解释 热力学热力学: : 是从能量守恒和转化的角度来研究热运动规律的，不涉及物质的是从能量守恒和转化的角度来研究热运动规律的，不涉及物质的微观结构。它根据由观察和实验所总结出的基本规律微观结构。它根据由观察和实验所总结出的基本规律( (主要是主要是热力学热力学第一定律、第二定律第一定律、第二定律等等) )，用逻辑推理的方法，研究物体的宏观

3、性质，用逻辑推理的方法，研究物体的宏观性质及宏观过程进行的方向和限度等。及宏观过程进行的方向和限度等。不能阐述热不能阐述热现象的本质现象的本质相辅相成相辅相成系统的宏观描述与微观描述系统的宏观描述与微观描述1.1.宏观物体是由大量分子组成宏观物体是由大量分子组成2.2.分子在做永不停息的无规则的热运动分子在做永不停息的无规则的热运动3.3.分子之间有相互作用力分子之间有相互作用力( (斥力和引力斥力和引力) )分子运动论的基本观点：分子运动论的基本观点：分子直径数量级：分子直径数量级：10-10m分子质量数量级：分子质量数量级：10-27kg1mol任何物质含有相同的分子数，即任何物质含有相同

4、的分子数，即123mol1002. 6 AN1. 物质是由大量分子组成的物质是由大量分子组成的石墨表面炭原子的排列石墨表面炭原子的排列2. 物质物质分子在不停地做无规则热运动分子在不停地做无规则热运动 分子、原子微粒无规则运动遵守分子、原子微粒无规则运动遵守经典力学或量子力学规律。经典力学或量子力学规律。扩散现象和布朗运动可以表明这一点。扩散现象和布朗运动可以表明这一点。3. 分子之间存在相互作用力分子之间存在相互作用力引力引力斥力斥力二者大小随分子间距的变化而变化二者大小随分子间距的变化而变化 热力学的是研究热现象的宏观理论，以大量的经验事实热力学的是研究热现象的宏观理论，以大量的经验事实和

5、实验结果为依据，经过严密的逻辑推理得出物质系统宏观和实验结果为依据，经过严密的逻辑推理得出物质系统宏观性质直接的联系，进而揭示热现象的有关规律。性质直接的联系，进而揭示热现象的有关规律。第第5章章 热力学基础热力学基础 本本 章章 教教 学学 内内 容容 : : 热力学状态及其描述热力学状态及其描述 热力学第零定律热力学第零定律 温度温度 功功 热量热量 内能内能 热力学第一定律热力学第一定律 热力学第二定律热力学第二定律 卡诺定理卡诺定理 * 熵熵 熵增原理熵增原理 * 热力学第三定律热力学第三定律 u 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环教学基本要求：教学基本要求：一、一、掌握掌握内能、功和

6、热量等概念；内能、功和热量等概念；理解理解准静态过程准静态过程. .二、二、掌握掌握热力学第一定律，能分析、计算理想气体在等体、热力学第一定律，能分析、计算理想气体在等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量. .三、三、理解理解循环的意义和循环过程中的能量转换关系，会计循环的意义和循环过程中的能量转换关系，会计算卡诺循环和其他简单循环的效率算卡诺循环和其他简单循环的效率. .四、四、了解了解可逆过程和不可逆过程，可逆过程和不可逆过程，了解了解热力学第二定律和热力学第二定律和熵增加原理以及热力学第三定律熵增加原理以及热力学第三定律. .5

7、.1 热力学基本概念热力学基本概念热力学系统热力学系统 外界外界大量粒子组成的宏观、有限的体系；大量粒子组成的宏观、有限的体系；其相邻环境称为其相邻环境称为外界。外界。开放系统开放系统 封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统与外界有与外界有 m、E 交换交换与外界有与外界有 E 交换，无交换，无 m 交换交换与外界无与外界无 E、m 交换交换绝绝热热例例开放系统开放系统 封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统热力学：热力学：即热力学系统的状态即热力学系统的状态（宏观物理性质）（宏观物理性质） 及状态变化及状态变化（宏观物理过程）的规律（宏观物理过程）的规律。 一个孤立系统若不受外界影响（无物质和能量交换）

8、，则系统的宏观特性（如温度、压强等）长时间不随时间改变的状态称为平衡态。 处于平衡态中的气体，其分子仍不停作热运动，但其总体平均效处于平衡态中的气体，其分子仍不停作热运动，但其总体平均效果不随时间改变，是一种果不随时间改变，是一种动态平衡动态平衡。平衡态、状态参量平衡态、状态参量 描述平衡态的参量称为描述平衡态的参量称为状态参量状态参量，如体积、压强、温度等。，如体积、压强、温度等。 气体处于平衡态的标志是状态参量气体处于平衡态的标志是状态参量 P、V、T 各具有确定的量值，各具有确定的量值，且且不随时间变化。不随时间变化。系统状态变化系统状态变化热力学过程热力学过程非静态过程非静态过程: :

9、 中间状态不是平衡态中间状态不是平衡态准静态过程准静态过程: :（平衡过程）（平衡过程）过程进行得足够缓慢过程进行得足够缓慢中间状态中间状态 平衡态平衡态气体等温膨胀气体等温膨胀例：例：气体自由膨胀气体自由膨胀T相平面相平面 相图相图以状态参量为坐标变量以状态参量为坐标变量平衡态平衡态 对应相图中的点对应相图中的点平衡过程平衡过程 对应相图中的线对应相图中的线( (准静态过程准静态过程) )例：例：等温、等压、等体过程的相图等温、等压、等体过程的相图V（1）引入温度参量的实验依据）引入温度参量的实验依据热力学第零定律热力学第零定律如果物体如果物体A、B分别各自分别各自与与处在同处在同一状态的物

10、体一状态的物体C达到热平衡达到热平衡，那，那么，么，A与与B也处于也处于热平衡。热平衡。CABAB达到热平衡的物体温度相同达到热平衡的物体温度相同热力学第零定律热力学第零定律5.2 热力学第零定律热力学第零定律 温度温度（2）温标）温标温度的数值表示法温度的数值表示法摄氏温标摄氏温标华氏温标华氏温标热力学温标热力学温标理想气体温标理想气体温标温标的分类温标的分类：规定水在规定水在 1 个大气压下的冰点为个大气压下的冰点为 0 度，沸点为度，沸点为 100度，中间的温度以水银的体积膨胀为准，单位度，中间的温度以水银的体积膨胀为准，单位10018032)F()C( tt在理想气体存在的范围内，它和

11、热力学温标一致在理想气体存在的范围内，它和热力学温标一致16.273 tTC1K1O 规定水在规定水在 1 个大气压下的冰点为个大气压下的冰点为 273.16 K热力学主要研究系热力学主要研究系统能量的转换规律统能量的转换规律一、系统内能一、系统内能 E广义：广义： 系统内所有粒子各种能量总和系统内所有粒子各种能量总和（平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能（平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能.）不包括系统整体机械能不包括系统整体机械能狭义：狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能所有分子热运动能量和分子间相互作用势能例：例：实际气体实际气体),(VTEE 理想气体理想气体)(

12、2TERTiME 5.3 内能内能 功功 热量热量1. 内能内能 E 是状态函数是状态函数内能变化内能变化E只与初末状态有关，与所经过的过程无只与初末状态有关，与所经过的过程无关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。二、功和热量二、功和热量 21dVVVpA注意：注意：非静态过程不适用非静态过程不适用VplpSlFAdddd 1. 准静态过程的体积功准静态过程的体积功做功做功热传递热传递2. 内能变化方式内能变化方式示功图：示功图：p - V 图上过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积 21dVVVpAAd系统对外界做功系统对外界做功外界对系统

13、做功外界对系统做功循环过程的功循环过程的功思考：思考：?AVV02112 的的任任何何过过程程则则由由是是否否0d0d AV若若0d0d AV0d0d AV注意：注意：功是过程量功是过程量过程不同，曲线下面积不同过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）（可正、可负、可零）2. 热量和热容量热量和热容量中学中学TcMTTcMQ )(12比热比热热热 容容 量量:TCQcMC 摩尔热容量摩尔热容量:TCMQcC 0d)dd( VVTQC等体摩尔热容等体摩尔热容:0d)dd( ppTQC等压摩尔热容：等压摩尔热容：注意：注意：热量是过程量热量是过程量3. A 与与 Q 比较比较E 改变改变方式方

14、式特点特点能量转换能量转换量度量度做功做功热传递热传递与宏观位移相联系与宏观位移相联系通过非保守力做功通过非保守力做功实现实现机械机械运动运动热运动热运动A与温差相联系与温差相联系,通过分子碰撞实现通过分子碰撞实现热运动热运动热运动热运动Q在系统状态变化过程中，在系统状态变化过程中，A、Q、E 间数量关系间数量关系，包含热运动和机械运动范围的能量守恒定律包含热运动和机械运动范围的能量守恒定律热力学第一定律热力学第一定律5.4 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用一、热力学第一定律一、热力学第一定律准静态准静态:dQ=dE+pdV理想气体准理想气体准静态过程静态过程:VpTRiMQdd2

15、d 1. 数学形式数学形式:AEEQ)(12系统从外界吸热系统从外界吸热 = 内能增量内能增量 + 系统对外界做功系统对外界做功微小过程：微小过程：dQ=dE +dA2. 物理意义：物理意义：涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律3. 其它表述：其它表述： 第一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的第一类永动机第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态，系统不断经历状态变化后回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。000 AQE违反热力学第一定律违反热力学第一定律即：即：二、对理想气体的应用二、

16、对理想气体的应用等值过程等值过程 等体过程等体过程 等压过程等压过程 等温过程等温过程0d V0d p0d T绝热过程绝热过程0d Q1）过程方程）过程方程2121TTpp 查理定律查理定律1. 等体过程等体过程 （dV = 0 V = c )2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式3） 等体摩尔热容等体摩尔热容单原子分子气体单原子分子气体双原子分子（刚性）双原子分子（刚性）-1-1KmolJ51223 .RCV1-1KmolJ82025 .RCV 0dVpATCMQV TRiME 2 TCMQEV 吸热全部用于增加内能吸热全部用于增加内能:TCMTRiMV 2RiCV2 由由得得适适用用于于一一切切过过程程TCMEV 注意注意:做功：做功：吸热：吸热：内能增量：内能增量：2. 等压过程等压过程（ dp = 0 p = c )1) 1) 过程方程过程方程2121TTVV 盖盖吕萨克定律吕萨克定律2) 2) 热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式TRMVVpVpAVV )(d1221TCMQp TCMEV EVpQ 做功：做功：吸热：吸热：内能增量：内能增量：3)