课件 第六章 热力学基础

第六章热力学基础

引言：热学的研究对象和两种研究方法1．热学是关于温度有关的学问，与我们的日常生活，工农业生产

以及各行各业有着密切关系。

热学是研究热运动的规律对物质宏观性质的影响，以及与物质其他运动形态之间的转化规律的学科。所谓热运动即组成宏观物体的大量微观粒子的一种永不停息的无规运动。

2．按照研究方法的不同，热学可分为两门学科，即热力学和统计物理学。它们从不同角度研究热运动，二者相辅相成，彼此联系又互相补充。

3．热力学是研究物质热运动的宏观理论。从基本实验定律出发，通过逻辑推理和数学演绎，找出物质各种宏观性质的关系，得出宏观过程进行的方向及过程的性质等方面的结论。具有高度的普适性与可靠性。其缺点是因不涉及物质的微观结构，而将物质视为连续体，故不能解释物质宏观性质的涨落。

4．统计物理学是研究物质热运动的微观理论。从物质由大量微观粒子组成这一基本事实出发，运用统计方法，把物质的宏观性质作为大量微观粒子热运动的统计平均结果，找出宏观量与微观量的关系，进而解释物质的宏观性质。在对物质微观模型进行简化假设后，应用统计物理可求出具体物质的特性；还可应用到比热力学更为广阔的领域，如解释涨落现象是研究非线性科学奠基石。第七章气体动理论就是统计物理学的基础。

5．本章为热力学基础主要内容有：

理想气体物态方程；

功、热量；

热力学第一定律；

等温和绝热过程；

第一节 气体物态参量 平衡态 理想气体物态方程

一、状态参量——热学系统状态的描述

确定热学系统的宏观性质的量称为状态参量。

常用的状态参量有四类：

1．几何参量（如：气体体积）

2．力学参量（如：气体压强）

3．化学参量（如：混合气体各化学组的质量和摩尔数等）

4．电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁化强度等）

5．热学参量（如：温度，熵等）

【注意】

如果在所研究的问题中既不涉及电磁性质又无须考虑与化学成分有关的性质，系统中又不发生化学反应，则不必引入电磁参量和化学参量。此时只需温度、体积和压强就可确定系统的状态。

二、p 、V 、T 的单位

1．体积V

物理意义：热学系统中的物质所能达到的空间范围大小的量度。 单位（SI 制）：m 3 （立方米），L 、ml .

2．压强

物理意义：作用于容器壁单位面积上的正压力的大小，S

F p =单位：在SI 制中，压强的单位为帕斯卡，符号为Pa . 常用的单位有标准大气压（atm ），1atm=1.013×105Pa .

3．温度和温标

温度为系统内物质冷热程度的量度；

温标是温度的数值表示方法。

热力学温标，记号：T ，单位：开尔文， K ；

摄修斯温标，记号：t ，单位：℃；

两者关系：t T +=15.273或15.273-=T t

注意：

温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与其他系统处于热平衡。处于热平衡的各系统温度相同。

温度是状态的函数，在实质上反映了组成系统大量微观粒子无规则运动的激烈程度。实验表明，将几个达到热平衡状态的系统分开之

后，并不会改变每个系统的热平衡状态。这说明，热接触只是为热平衡的建立创造条件，每个系统热平衡时的温度仅决定于系统内部大量微观粒子无规运动的状态。

三、系统与外界

1．热力学系统（简称系统）

在给定范围内，人们所研究的由大量微观粒子所组成的宏观客体。本课程中主要研究气体系统。

2．系统的外界（简称外界）

能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体。

四、平衡态

1．热力学平衡态的概念

一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变化，我们就说这个系统处于热力学平衡态。

平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况。

【思考】

（1）系统的宏观性质用什么描述？____**PVT**

（2）外界对系统的影响可以通过那些途径？____**A 、Q**

2．热平衡态如图6-1所示，p-V 图

p

O p 12

图6-1 p-V 图

p-V 图上的过程曲线上的一个点代表一个平衡态。

【注意】

（1）平衡态为一个理想模型；

（2）平衡态与稳恒态的区别，稳恒态不随时间变化，但由于有外

界的影响，故在系统内部存在能量流或粒子流。稳恒态是非平衡态。对平衡态的理解应将“无外界影响”与“不随时间变化”同时考虑，缺一不可；

（3）平衡态为热动平衡

平衡态下，组成系统的微观粒子仍处于不停的无规运动之中，只是它们的统计平均效果不随时间变化，因此热力学平衡态是一种动态平衡，称之为热动平衡。

五、理想气体的物态方程

1．物态方程

一个热力学系统的平衡态可由四种状态参量确定。平衡态下的热力学系统存在一个状态函数温度。温度与四种状态参量必然存在一定的关系。所谓状态方程就是温度与状态参量之间的函数关系式，此定义适合于任何热力学系统.

状态方程在热力学中是通过大量实践总结来的。然而应用统计物理学，原则上可根据物质的微观结构推导出来。

2．理想气体

（1）什么是理想气体？

同时满足三个气体定律和阿佛加德罗定律的气体。是一个理想模型。实际气体在温度不太低，压强不太大的情况下可以近似为理想气体。

（2）状态方程：

RT

RT

M

m

pV2

=

=

除了p、V、T以外，其余各物

理量为：

m，气体的质量；M，气体的mol质量；R，普适气体恒量，在SI制中，R=8.31J·mol-1·K-1.

（3）方程的应用；确定物态参量。

第二节准静态过程功热量

一、准静态过程

1．热力学过程

当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历一个热力学过程，简称过程。

推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积，密度，温度或压强