大学物理课件：热力学基础.ppt

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1、第二章热力学基础前一章气体分子运动论（统计物理）是研究热现象的微观理论。本章将从宏观上研究热现象及其规律。热学的宏观理论即热力学。热力学的任务是从能量观点出发，研究系统状态变化过程及功热转换关系和条件，基础是热力学第一、二定律。本章先介绍几个重要概念（热力学过程、功、热量、内能），再介绍热力学第一、二定律及其应用。2-1热力学过程一、热力学过程所谓热力学过程——系统从一个平衡态到另一个平衡态，所经历的状态变化。过程发生意味着变化热力学过程的发生，必然是原平衡态被破坏，经过一段时间又将达到新的平衡。平衡态破坏后再达到新的平衡所经历的时间称为弛豫时间（）。如果过程很快。还未达到新

2、的平衡，又发生了下一步变化。这样，在状态变化过程中系统经历了一系列非平衡中间状态，该过程叫做非静态过程。12密稀如果过程进行缓慢，在状态变化过程中的每一时刻，系统都无限接近于平衡态，该过程称为准静态过程。准静态过程在热力学中有极为重要的意义，因为许多问题都当做准静态过程处理。二、关于准静态过程的说明1、无限缓慢的理想极限过程举例1：气体压缩因过程快，活塞附近大，系统性质不均匀，中间状态非平衡。是非静态过程12设想：在活塞上丢砂子，砂粒质量无限小，经很长时间从1压缩到2.12无限缓慢（内外微小压力差），系统各处一致，性质均匀，中间状态平衡。过程越慢，中间状态越接近平衡态。举例2

3、：热传导，气体由中间过程中，气体各部分温度不同，近热源温度高，上部温度低。是准静态过程非静态过程气体分别与无限多温差无限小的热源接触升温从。无限缓慢。气体各部分温差不计，温度均匀。设想：准静态准静态过程2、实际过程的抽象近似实际过程并非无限缓慢，准静态过程有意义吗？许多情况下，可作准静态过程处理。“无限”只有相对意义!主要标志：弛豫时间例如：气体压缩后再达到平衡的时间约10-3秒，如果实验中压缩一次的时间为1秒（看起来快），完全可作准静态过程处理。一般气体趋匀过程以声速进行，活塞大于声速运动，才做非静态处理，通常都视为准静态过程。3、准静态过程才可以用状态图中的实线表示状态图

4、中的点—代表确定的平衡态，统一的故非静态过程（由非平衡态组成）不可用实线表示，只象征性用虚线表示。一条连续曲线（实线）代表一个准静态过程（由平衡态组成）。这条曲线的方程称为过程方程。非平衡态无统一的不能用状态图中的点代表非平衡状态。2-2功热量在热学中，功、热量、内能是重要物理量。热力学定律的精确表达需要这些概念。功和热量有相似性，都是能量交换的量度，都与过程有关。内能是状态量，变化与过程无关。本节先介绍功和热量。一、功功的概念在力学中已有，热学中要进一步推广。力学中：功=力位移。做功使物体运动状态变化（机械能变化），能量发生交换（一个物体另一物体，一种形式另一形式如摩擦生热

5、）。实际上，做功不仅使机械运动状态变化，也可使热运动状态、电磁状态变化功的形式：机械功、电功、电极化功、磁化功等功的举例：（金属丝拉长，张力T）（液膜表面积扩大dS，表面张力系数）（电功）（体积功）还有许多功可以概括为流体力学在热学中，最重要的是准静态体积功膨胀压缩正功负功准静态体积功几何意义强调：（1）功是由于宏观的机械作用或电磁作用而交换能量的一种量度。（做功是能量传递的一种方式）（2）功是过程量，不是状态量。不同过程，功不同（3）做功必然伴随宏观位移机械功有明显位移；电功中电荷定向移动也是宏观位移。例题1：1mol范德瓦尔斯气体，从体积准静态等温（T）膨胀到体积。求气体

6、做的功。解：例题2：如图，求气体对外做的功解：过程二、热量1、历史回顾除做功外，系统与外界交换能量还有另一种方式即传热。什么是热量？其本质如何？曾经是历史上长期争论的问题。在17世纪，温度和热量两概念混淆不清。一些人认为温度计测出的不是热的程度，而是热的数量，因为等量的水混合后，温度取平均值（温度的变化即热量的变化？）。荷兰化学家布尔哈夫提出不同的物质等量混合后会怎样？“等量”是“等质量”，还是“等体积”？混合后的温度都不取平均值。称为“布尔哈夫疑难”。英国化学家兼物理学家布莱克指出问题的根源是把热的强度（温度）和热的数量（热量）搞混了。布莱克和他的学生提出了比热、热容和潜热

7、的概念，得出了量热学基本公式，区分了热的强度（温度）和热的数量（热量）。但是热本质的究竟是什么？有许多观点。布莱克是“热质说”的倡导者，“热质说”曾一度占统治地位。认为热是一种看不见无重量的物质，热的物体热质多，冷的热质少，热质不能创造也不能消灭，只能从较热物体传导较冷物体，热质守恒。热质说之所以占上风，是人们没有注意到热现象与其它物理现象之间的联系和相互转化，而热质说却能很好地解释一些现象如温度变化是吸放热质引起、热传导是热质流动、摩擦生热是热质被逼出的缘故。18世纪末，热质说受到严重挑战。英国物理学