第11章 热力学(1)

《热力学》

教材：大学物理（下册）吴百诗主编

第11章热力学基础

§11.1 热力学的研究对象和研究方法

一．热学的研究对象

热学研究热现象的理论

热力学从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观规律

核心问题：热能转化为机械能

二. 热学的研究方法

宏观量描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。

微观量描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。

§11.2 平衡态与理想气体状态方程

一．热力学系统

热力学系统：热力学研究的具体对象，简称系统

系统与外界的相互作用：热传递（能力交换），质量交换等

系统分类：

开放系统：系统与外界有物质交换和能量交换

封闭系统：系统与外界没有物质交换，只有能量交换

孤立系统：系统与外界没有物质交换，也没有能量交换

二．气体的状态参量

体积（V）气体分子可能到达的整个空间的体积

压强（p）大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏观效果

温度（T）大量分子热运动的剧烈程度

温标：温度的数值表示方法

热力学温标：符号：T ，单位：开尔文，简称：开，用K表示

国际上规定水的三相点温度为273.16 K

摄氏温标：符号：t ，单位：℃

摄氏温标与热力学温标的关系：t=T-273.15

水的冰点0℃为273.15K，（一个大气压）

水的三相点：在没有空气的密闭容器内使水的三相平衡共存，其温度就是三相点温度。选择水的三相点为热力学温标的基准点比选用冰点、沸点更准确，更容易复现。三相点温度的测量与压力无关。

三．平衡态

定义：在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。

说明：

(1)不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方式交换能量。

例如：两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态。

提问：人体的体温保持在36℃，是稳定态？还是平衡态？

(2)但可以处于均匀的外力场中；

例如：处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度变化，但它是平衡态。

(3)平衡态是热动平衡，宏观参量不变，微观参量变化剧烈。

(4)平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示

(5)平衡态是一种理想状态

实际中没有完全不受外界影响的系统，也没有绝对保持不变的系统。四．准静态过程

在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。

实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。

如：实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程

说明：

（1）准静态过程是一个理想过程；（2）除一些进行得极快的过程

（如爆炸过程）外，大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程；（3）准静态过程在状态图上可用一条曲线表示, 如图.

V

五．理想气体状态方程

一定质量的气体在平衡状态下p 、T 、V 存在一定的关系：

质量为m ，摩尔质量为M 的理想气体状态方程为：

其中ν=m/M 为气体的摩尔数，该方程称为：克拉珀龙方程

说明：

(1) 理想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体； (2) 实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作理想气体处理。且温度越高、压强越低，精确度越高. (3) 混合理想气体的状态方程为 i=1,2,……,n

； ；表观摩尔质量：

补充例题：

一柴油的汽缸容积为 0.827×10-3 m 3 。压缩前汽缸的空气温度为320 K ， 压强为8.4×104 Pa ，当活塞急速推进时可将空气压缩到原体积的 1/17 ， 使压强增大 到 4.2×106 Pa 。 求：这时空气的温度 解：

)

,(V p f T =RT

RT M

m

pV ν==RT

M m V p i

i

i =∑=i

i p p ∑=i

i m m ∑∑=

=

i i i i

i m

M m m M νRT

M

m pV =

T 2 > 柴油的燃点。若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推动活塞作功，这就是柴油机点火的原理。 书中例题11.1（p8）（重点）

一氧气瓶容积为30L ，充满氧气后压强为130atm （大气压），氧气厂规定，当压强降到10atm 时就应重新充气。有一个车间每天需要40L 、1atm 的氧气。（1atm=1.013×105Pa 帕斯卡） 问：一瓶氧气能用多少天？ 解：由理想气体状态方程

得130atm ，30L 氧气的质量： 10atm ，30L 氧气的质量： 1atm ，40L 氧气的质量： 可用天数：

§11.3 热力学第一定律

一. 功 热量 内能

功(A)： 是能量传递和转化的量度；（过程量）

系统对外作功：A>0 ; 外界对系统作功：A<0 ;

22

2111T V p T V p

=1

1

12

22T V p V p T =K 94132017

1104.8102.44

62=⨯⨯⨯⨯=T RT M

m

pV =

RT

V Mp m 1

11=RT

V Mp m 122=

RT

V Mp m 3

33=

9040

130

)10130()(33121321=⨯⨯-=-=-=

V p V p p m m m n