物理竞赛-热学部分ppt课件.ppt

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1、热学内容提要1平衡态、状态参量、热力学第零定律2理想气体状态方程3准静态过程、热量和内能4热力学第一定律、典型的热力学过程5循环过程、卡诺循环、热机效率、致冷系数6热力学第二定律、熵和熵增加原理、玻耳兹曼熵关系式7统计规律、理想气体的压强和温度8理想气体的内能、能量按自由度均分定理9麦克斯韦速率分布律、三种统计速率10气体分子的平均碰撞频率和平均自由程一.理想气体的状态方程k为玻尔兹曼常量混合理想气体的物态方程：其中混合气体的压强混合气体的物质的量二.理想气体的内能每个分子的平均动能系统共有N个分子系统摩尔数为m/M系统压强p体积V三.热力学第

2、一定律及其应用（1）等容过程（2）等压过程（3）等温过程（4）绝热过程例题通常说混合气体中各组分的体积百分比，是指每种组分单独处在和混合气体相同的压强及温度的状态下其体积占混合气体体积V的百分比。已知空气中的几种主要组分的体积百分比是：氮（N2）78﹪、氧（O2）21﹪、氩（Ar）1﹪，求在标准状态（1atm，0℃）下空气中各组分的分压强和密度以及空气的密度。已知氮的相对分子量是28.0，氧的是32.0，氩的是40.0，平均为29.0。例题一充满氢气的气球，球囊的质量是氢气质量的5.0倍，球内外的温度相同，而球内的压力为球外的1.8倍，在忽略球

3、囊本身体积、空气阻力情况下，静止释放此气球，求开始上升时的加速度是多少？例题一侧面绝热的气缸内盛有1mol的单原子分子理想气体．气体的温度T1=273K，活塞外气压p0=1.01×105Pa，活塞面积S=0.02m2,活塞质量m=102kg．活塞起初停在距气缸底部为l1=1m处．今从底部极缓慢地加热气缸中的气体，使活塞上升了l2=0.5m的一段距离如图所示．试过计算：气缸中的气体在整个过程中吸了多少热量？解：可分析出起初气缸中的气体的压强由于小于P2（P2=外界压强+活塞重力产生的压强），所以体积不会变，是一个等容升温的过程，当压强达到P时，它

4、将继续做一个等压膨胀的过程，则气缸中的气体的过程为：等容升温+等压膨胀。等容升温：等压膨胀：摩尔的某种理想气体，状态按的规律变化(式中为正常量)，当气体体积从膨胀到时，求气体所作的功及气体温度的变化各为多少？例题解：在这过程中，气体作功由理想气体状态方程：PV=nRT，可知例题0.02kg的氦气（视为理想气体），温度由17oC升为27oC，若在升温过程中：（1）体积保持不变；（2）压强保持不变；（3）不与外界交换能量。分别求出气体内能的改变、吸收的热量、外界对气体做功。解：(1)等体过程由热力学第一定律得Q=ΔE吸热Ｑ=ΔE=nCV(T２-T１

5、)=n(i/2)R(T２-Ｔ１)Ｑ=ΔE=5×(3/2)×8.31×(300-290)=623J对外作功A=0(2)等压过程Ｑ=nCp（T２-T１）=n[(i+2)/2]R(T２－T１)吸热Ｑ=5×(5/2)×8.31×(300-290)=1038.5JΔE=nCV(T２－T１)内能增加ΔE=5×(3/2)×8.31×(300-290)=623J对外作功A=Q-ΔE=1038.5-623=415.5J(3)绝热过程由热力学第一定律得A=ΔE做功与内能的变化均为A=ΔE=nCV(T２－T１)=n(i/2)R(T２－T１)A=ΔE=5×(3/2)×

6、8.31×(300-290）=623J吸热Q=0例题在一个大气压下，180克水在沸点汽化为1000C的水蒸汽。问它的内能改变了多少？（水的沸点汽化热为2.25x106焦耳/千克）解：汽化吸热为水的体积为将水蒸气视作理想气体，由水变为水蒸气，对外作功为由热力学第一定律，内能改变为四.循环、卡诺循环1)特点：2)效率：3)制冷系数：4)卡诺循环：热机效率：制冷系数：例题月球上白天最高温度116oC，夜间的最低温度-151oC。人们要在月球上居住，若起居室温度保持21oC，起居室墙壁透热的功率为每度温差0.2千瓦（随墙壁材料而变）。试求昼间与夜间在温

7、度最大和最小值情况下，卡诺热机的功率各为多少？解：温度：昼间为389K，夜间122K，居室294K。昼间室内外温差95K，室外向居室透热功率：卡诺机的制冷系数：解：温度：昼间为389K，夜间122K，居室294K。昼间室内外温差95K，室外向居室透热功率：解：温度：昼间为389K，夜间122K，居室294K。昼间室内外温差95K，室外向居室透热功率：卡诺机的制冷系数：解：温度：昼间为389K，夜间122K，居室294K。昼间室内外温差95K，室外向居室透热功率：卡诺机的制冷系数：室外向居室透热功率：求得卡诺机的工作功率：2夜间室内外温差172K

8、，居室流出热功率：卡诺机的制冷系数：求得卡诺机的工作功率：五.热力学第二定律、熵1)开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成有用功，而不产生