大学物理2详解PPT课件
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第9章 热力学基础
第9章 热力学基础
第9章 热力学基础
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 §9-2 理想气体的状态方程 §9-3 热力学第一定律 内能 功 热量 §9-4 热力学第一定律的应用 §9-5 理想气体的绝热过程 §9-6 循环过程和卡诺循环 §9-7 热力学第二定律和不可逆过程 卡诺定理
热学系统所包含分子数的数量级为 1023 , 若用 r 、v 去描写就要解 1023 个牛顿方程， 这是不可能的。
热学规律从本质上不同于力学规律。 研究对象数量的增加必然引起物理规律 的变化，这就是哲学上的从量变到质变。
热现象服从统计规律。
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 第9章 热力学基础
温标 —— 温度的数值表示法。
摄氏温标： t ℃ 冰点为 0℃ 热力学(开氏)温标： T K 冰点为 273.15K 绝对零度：T = 0 K
水三相点(气态、液态、固态的共存状态)273.16 K
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 第9章 热力学基础
4. 热力学第零定律——测温原理 热平衡 (thermal equilibrium)：两个物体互相热接触， 经过一段时间后它们的宏观性质不再变化，即达到了热 平衡状态。 热力学第零定律 (Zeroth law of thermodynamics)：如 果两个系统分别与处于确定状态下的第三个系统达到热 平衡，则这两个系统彼此也必处于热平衡。
p1V1 p2V2 恒量 (质量不变)
T1
T2
p,V,Tp0,V0,T0(标 准)状 态
T0 273.1K5
p01.013 12055Pa
m V0 M Vmol
Vmol2.4 210 3m 3 pVp0V0 mp0Vmol
气体的总质量
T T0 M T0
气体的摩尔质量
§ 9-2 理想气体的状态方程
第9章 热力学基础
令： Rp0Vmol8.31 (Jmo 1K l1)
T0
R 称为“摩尔气体常量 ”
代入： pVp0V0 mp0Vmol T T0 M T0
理想气体状态方程(status equation of idea gas)：
pV m RT M
§9-3 热力学第一定律 内能 功 热量 第9章 热力学基础
A BC
A BC
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 二、平衡态
第9章 热力学基础
平衡态(equilibrium status)：在不受外界影响（即系 统与外界没有物质和能量的交换）的条件下，无论初 始状态如何，系统的宏观性质在经充分长时间后不再 发生变化的状态。
热动平衡
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 三、准静态过程
§9-3 热力学第一定律 内能 功 热量
一、热力学第一定律(First law of thermodynamics) 本质：包括热现象在内的能量守恒和转换定律。
Q(E2E1)W
Q 表示系统吸收的热量，W 表示系统所作的功， E 表示系统内能的增量。
热力学第一定律微分式：
dQdEdW
？ 微小过程
§9-3 热力学第一定律 内能 功 热量 第9章 热力学基础
第9章 热力学基础
1. 热力学过程 (thermodynamic process)：热力学系 统的状态随时间发生变化的过程。
2. 准静态过程(approximate static process)：状态变化过程 进行得非常缓慢，以至于过程 中的每一个中间状态都近似于 平衡态。
慢 ?! 理想过程！
p
p
(pA,VA,TA)
准静态过程的过程曲线可以 用p-V图来描述，图上的每一点 分别表示系统的一个平衡态。
O
(pB,VB,TB)
V
§ 9-2 理想气体的状态方程
第9章 热力学基础
§9-2 理想气体的状态方程
状态参量之间的关系 f(p,V,T)0
理想气体：在任何情况下都严格遵守“玻-马定律”、 “盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。
第9章 热力学基础
热力学是热学的宏观理论 热学研究什么？ 什么是热学的微观理论？
气体状态如何描述？
热机、制冷机 是如何工作的？
它们遵循什么样 的规律？
第9章 热力学基础
第9章 热力学基础
大量实验规律的总结 理论基础是热力学第一定律、热力学第二定律
热学
热力学
从现象中找规律
分子动理论
透过现象追本质
宏观规律 观察 记录 分析 总结
2. 压强(pressure) p ：垂直作用在容器壁单位面积上的
气体压力。
p F S
国际单位：Pa (帕斯卡) Pa = N·m-2
1标准大气压(atm) = 1.01325×105Pa
1工程大气压 = 9.80665×104Pa 3. 温度(temperature) T ：表征热平衡状态下系统的宏 观性质(冷热程度)。
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程
一、气体的状态参量 状态参量 (status parameter)：描述气体宏观状态的 物理量 1. 体积(volume) V ：气体分子自由活动的空间
国际单位： m3(米3 )
当气体分子大小不 计时，气体体积等于 容器的容积。
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 第9章 热力学基础
微观机制 建模 统计 理论 验证
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程
一、气体的状态参量
在研究热现象时，将物体看作是由大 量分子、原子所组成的系统，称这一系统 为热力学系统。
问题：
力学体系的状态可以用一组 r、v 来描述。
热学体系的状态能否用一组 r 、v 来描写 ？
热学体系的状态能否用一组 r 、v 来描写 ？
二、内能 (internal energy) 内能：热力学系统的能量，它包括了分子热运动的平 动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能... 和分子 间相互作用的势能。(不包括系统整体运动的机械能)
EE(V,T)
理想气体的内能：理想气体的内能i是分子温的度自的由单度值函
数，它是一个状态量。
EE(T)
E m i RT M2
内能变化E只与初末状态有关，与所经过的过程无
关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。
做功 内能变化方式
热传递
§9-3 热力学第一定律 内能 功 热量
三、功与热
1. 功 (work) W
p
F
S
p,V dV
第9章 热力学基础
(pA,VA,TA)
第9章 热力学基础
第9章 热力学基础
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 §9-2 理想气体的状态方程 §9-3 热力学第一定律 内能 功 热量 §9-4 热力学第一定律的应用 §9-5 理想气体的绝热过程 §9-6 循环过程和卡诺循环 §9-7 热力学第二定律和不可逆过程 卡诺定理
热学系统所包含分子数的数量级为 1023 , 若用 r 、v 去描写就要解 1023 个牛顿方程， 这是不可能的。
热学规律从本质上不同于力学规律。 研究对象数量的增加必然引起物理规律 的变化，这就是哲学上的从量变到质变。
热现象服从统计规律。
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 第9章 热力学基础
温标 —— 温度的数值表示法。
摄氏温标： t ℃ 冰点为 0℃ 热力学(开氏)温标： T K 冰点为 273.15K 绝对零度：T = 0 K
水三相点(气态、液态、固态的共存状态)273.16 K
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 第9章 热力学基础
4. 热力学第零定律——测温原理 热平衡 (thermal equilibrium)：两个物体互相热接触， 经过一段时间后它们的宏观性质不再变化，即达到了热 平衡状态。 热力学第零定律 (Zeroth law of thermodynamics)：如 果两个系统分别与处于确定状态下的第三个系统达到热 平衡，则这两个系统彼此也必处于热平衡。
p1V1 p2V2 恒量 (质量不变)
T1
T2
p,V,Tp0,V0,T0(标 准)状 态
T0 273.1K5
p01.013 12055Pa
m V0 M Vmol
Vmol2.4 210 3m 3 pVp0V0 mp0Vmol
气体的总质量
T T0 M T0
气体的摩尔质量
§ 9-2 理想气体的状态方程
第9章 热力学基础
令： Rp0Vmol8.31 (Jmo 1K l1)
T0
R 称为“摩尔气体常量 ”
代入： pVp0V0 mp0Vmol T T0 M T0
理想气体状态方程(status equation of idea gas)：
pV m RT M
§9-3 热力学第一定律 内能 功 热量 第9章 热力学基础
A BC
A BC
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 二、平衡态
第9章 热力学基础
平衡态(equilibrium status)：在不受外界影响（即系 统与外界没有物质和能量的交换）的条件下，无论初 始状态如何，系统的宏观性质在经充分长时间后不再 发生变化的状态。
热动平衡
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 三、准静态过程
§9-3 热力学第一定律 内能 功 热量
一、热力学第一定律(First law of thermodynamics) 本质：包括热现象在内的能量守恒和转换定律。
Q(E2E1)W
Q 表示系统吸收的热量，W 表示系统所作的功， E 表示系统内能的增量。
热力学第一定律微分式：
dQdEdW
？ 微小过程
§9-3 热力学第一定律 内能 功 热量 第9章 热力学基础
第9章 热力学基础
1. 热力学过程 (thermodynamic process)：热力学系 统的状态随时间发生变化的过程。
2. 准静态过程(approximate static process)：状态变化过程 进行得非常缓慢，以至于过程 中的每一个中间状态都近似于 平衡态。
慢 ?! 理想过程！
p
p
(pA,VA,TA)
准静态过程的过程曲线可以 用p-V图来描述，图上的每一点 分别表示系统的一个平衡态。
O
(pB,VB,TB)
V
§ 9-2 理想气体的状态方程
第9章 热力学基础
§9-2 理想气体的状态方程
状态参量之间的关系 f(p,V,T)0
理想气体：在任何情况下都严格遵守“玻-马定律”、 “盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。
第9章 热力学基础
热力学是热学的宏观理论 热学研究什么？ 什么是热学的微观理论？
气体状态如何描述？
热机、制冷机 是如何工作的？
它们遵循什么样 的规律？
第9章 热力学基础
第9章 热力学基础
大量实验规律的总结 理论基础是热力学第一定律、热力学第二定律
热学
热力学
从现象中找规律
分子动理论
透过现象追本质
宏观规律 观察 记录 分析 总结
2. 压强(pressure) p ：垂直作用在容器壁单位面积上的
气体压力。
p F S
国际单位：Pa (帕斯卡) Pa = N·m-2
1标准大气压(atm) = 1.01325×105Pa
1工程大气压 = 9.80665×104Pa 3. 温度(temperature) T ：表征热平衡状态下系统的宏 观性质(冷热程度)。
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程
一、气体的状态参量 状态参量 (status parameter)：描述气体宏观状态的 物理量 1. 体积(volume) V ：气体分子自由活动的空间
国际单位： m3(米3 )
当气体分子大小不 计时，气体体积等于 容器的容积。
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 第9章 热力学基础
微观机制 建模 统计 理论 验证
§9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程
一、气体的状态参量
在研究热现象时，将物体看作是由大 量分子、原子所组成的系统，称这一系统 为热力学系统。
问题：
力学体系的状态可以用一组 r、v 来描述。
热学体系的状态能否用一组 r 、v 来描写 ？
热学体系的状态能否用一组 r 、v 来描写 ？
二、内能 (internal energy) 内能：热力学系统的能量，它包括了分子热运动的平 动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能... 和分子 间相互作用的势能。(不包括系统整体运动的机械能)
EE(V,T)
理想气体的内能：理想气体的内能i是分子温的度自的由单度值函
数，它是一个状态量。
EE(T)
E m i RT M2
内能变化E只与初末状态有关，与所经过的过程无
关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。
做功 内能变化方式
热传递
§9-3 热力学第一定律 内能 功 热量
三、功与热
1. 功 (work) W
p
F
S
p,V dV
第9章 热力学基础
(pA,VA,TA)