9 热力学基础.

对热运动研究
宏观
实验与逻辑推理
热力学基 本规律
从能量的观点出发，运用逻辑推理的 方法，分析研究物质状态变化过程中热、 功转换的关系和条件问题。
2019/5/10Βιβλιοθήκη 5思考：生活中热现象
热现象
1、一壶水开了，水变成了水蒸气。
2、温度降到0℃以下，液体的水变成了固体的冰块。 3、气体被压缩，压强增大。 4、物体被加热，物体的温度升高。
温度升高一度所需要吸收的热量。
C p,m


dQ dT
p,mol


i 2
1 R
（ i 为分子的自由度数）
单原子气体： i = 3 , 氦、氖
双原子气体：i = 5 ，氢、氧、氮
多原子气体：i = 6 ，水蒸汽、二氧化碳、甲烷
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2013年8月28日11时26分
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10
课堂讨论题
关于平衡态
( 1)什么叫平衡态?如图所示，将金属棒一端插入盛有冰水
混合物的容器，另一端与沸水接触，当金属棒各处温度稳定
时,它是否处于平衡态?
100 ºC
0 ºC
答：否。不受外界影响条件下，一个系统的宏 观性质不随时间而变
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热力学过程
热力学系统从一个状态变化到另 一个状态 ,称热力学过程.
x
比热：单位质量物质热容量。
c 1 dQ m dT
单位： J K 1 kg1
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33 2013年8月28日11时26分
摩尔热容量：1 mol 物质的热容量。
Cx
1

(
Q T
)
x
Cx
1 lim Q
T 0 T
p
讨论：热量也是一个程量
QV

T2 T1
才可使灯上升；加热过程中不可避免存
在热交换，所以要尽量减小m，增大S。
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20
§9-2 热力学第一定律
永 动 机 的 设 想 图
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§9-2 热力学第一定律
第一类永动机试图在不获取能 源的前提下使体系持续地向外界 输出能量。历史上最著名的第一 类永动机是法国人亨内考在十三 世纪提出的“魔轮”，十五世纪， 著名学者达芬奇也曾经设计了一 个相同原理的类似装置，1667年 曾有人将达芬奇的设计付诸实践， 制造了一部直径5米的庞大机械， 但是这些装置经过试验均以失败 告终。
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烤火 —— 通过热量 传递提高物体内能。
25 2013年8月28日11时26分
热量(Q) ： 系统之间由于热相互作用而传递的能量。
注意：功和热量都是过程量，
而内能是状态量，通过做功或 传递热量的过程使系统的状态 （内能）发生变化。
热功当量： 1卡 = 4.186 焦耳
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大学物理（下）
综合实验楼
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第9章 热力学基础
§1 热力学基本概念 §2 热力学第一定律 §3 热力学第一定律的应用 §4 循环过程 §5 热力学第二定律
作业：
课后习题 课堂例题
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2
十七世纪以前，人们对热现象已有了一些认识和经验， 并在生活中得到广泛应用，但由于缺乏量的概念和实验 手段，热学长期未能从生活中独立出来形成一门科学。
PV RT
其中， m
M
W V2 PdV V2 RT dV RT ln V2
V1
V V1
V1
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（2）准静态过程中热量的计算
热容量：物体温度升高一度所需要吸收的热量。
Cx

(
Q T
)
x
Cx

lim (
T 0
Q T
)
x

(
dQ dT
)
Q

m M
CV ,m (T2
T1)

E
内能增量：
E

m M
i 2
RT2
T1
注意：内能是状态量，内能的增量与过程无关，因 此上式适合于任一过程。
原平衡态
非平衡态
新平衡态
热力学中研究过程时，为了在理论上能利用 系统处于平衡态时的性质,引入准静态过程的概念.
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准静态过程（理想化的过程）
准静态过程：如果一个系统在其变化过程中所经历的 每一中间状态都无限接近于热平衡态，这个过程称为准平衡 过程或准静态过程。当系统实际过程时间大于系统弛豫时间
理想气体：在任何情况下都严格遵守“波-马定律”、 “盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。
P1V1 P2V2 恒量
T1
T2
（质量不变）
P,V ,T Po ,Vo ,To (标准状态)
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理想气体 (忽略分子间相互作用力)
爬墙不靠吸盘靠引力 壁虎手套帮你飞檐走壁
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Q
系统吸热 系统放热
U2 U1
内能增加 内能减少
W
系统对外界做功 外界对系统做功
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热力学第一定律说明：外界对系统传递的热量， 一部分使系统的内能增加，一部分用于系统对 外界作功。
第一类永动机： 不需要外界提供能量，但可以 继续不断地对外做功的机器。
热力学第一定律： “不可能制造出第一类永动机”。
Q E V2 pdV V1 29
9-2-3 准静态过程中热量、功和内能
宏观运动能量
热运动能量
功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动
状态的变化 .
准静态过程功的计算
dW Fdl pSdl
dW pdV
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W V2 pdV V1
注意：作功与过程有关 .
开放系统？
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9-1-2 平衡态 准静态过程
平衡态：一个孤立系统，其宏观性质在经过充分
长的时间后保持不变（即其状态参量不再随时间改
变）的状态。
注意：如果系统与外
界有能量交换，即使
系统的宏观性质不随
时间变化，也不能断
定系统是否处于平衡
态。
思考：两个封闭系统相互接触，温度相同，并其
他状态参量不随时间改变时，是否是平衡态？
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热平衡、热力学第零定律
两热力学系统相互接触，与外界没有热量交换， 当经过了足够长的时间后，它们的冷热程度不再发 生变化，则我们称两系统达到了热平衡。 热力学第零定律： 如果两个系统分别与第三个系统 达到热平衡，则这两个系统彼此也处于热平衡。
A BC
思考：
A
孤立系统？
BC
封闭系统？
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标准状态：
V0

m M
Vmol
P0 1.01325105 Pa To 273.15 K Vmol 22.4 103 m3
其中：
m 为气体的总质量。 M 为气体的摩尔质量。
PV P0V0 m P0Vmol T T0 M T0
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令 R P0Vmol 8.31 (J mol1 K 1 )
内能：系统内分子热运动的动能和分子之间的相互 作用势能之总和。
E E(V ,T )
理想气体内能： 理想气体的内能只与分子热运动 的动能有关，是温度的单值函数。
E E(T )
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改变系统内能的两种不同方法：
钻木取火 —— 通过做 功的方式将机械能转换 为物体的内能。
例：若汽缸内气体为系统，
其它（如：活塞、缸壁）为外界。
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状态参量：描述热力学系统状态的物理量。
描述气体的状态参量：温度、压强和体积
温度（T）： 温度是表征在热平衡物态下系统宏观性
质的物理量。
压强（P）： 垂直作用在单位容器壁面积上的气体压力。
体积（V ）： 气体分子自由活动的空间。
即可认为是准静态过程。
砂子 活塞 气体
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p
p1 2 ( p1,V1,T1)
p2
1 ( p2 ,V2 ,T2 )
o V1
V V2
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9-1-3 理想气体状态方程
把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体 积、温度）之间所满足的函数关系称为该物质的物态 方程或称状态方程。
T T ( p,V )或f (T , p,V ) 0
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热力学第一定律
Q (E2 E1) W
p
1*
系统从外界吸收的热量,一部 分增加系统的内能, 另一部分用来 对外界做功 .
o V1
*2
V2 V
Q E W
微小过程
dQ dE dW
准静态过程 dQ dE pdV
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n0 2.69 1025 (m3 ) 称为洛喜密脱数
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将孔明灯简化为圆柱：设灯的质 量为M，体积为V，底面积为S， 大气压强为P，温度为T；
P1V1 P2V2 恒量
T1
T2
若要孔明灯上升，则：
PS mg
P

P1

P2

P(T 'T ) T
由此可见，内部气体温度至少达到T' 时