高中物理竞赛热力学讲课教案
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➢ 系统和外界温度不同时，就会发生传热形式的能量 交换，热量传递可以改变系统的状态。
微小热量 ： Q > 0 表示系统从外界吸热；
< 0 表示系统向外界放热。
总热量： Q Q
➢ 热量是过程量 积分与过程有关 。
13
•从微观上来讲：热传导实际上是通过分子的碰撞而实现的热 运动能量（无序运动能量－内能）的传递过程。
17
等容过程
V const
pV 0 Q E
等容摩尔热容量
CV
Q T V
QV CV T E
QV CV T CV T2 T1
理想气体：E i RT 2
QV
i 2
RT
CV
i 2
R
结论：
Q
E
i 2
RT2
T1
18
等压过程
p const
Q E pV
等压摩尔热容量
Cp
Q
第 8 章 热力学
§8-1 热平衡与平衡状态 §8-2 功、热、内能 §8-3 热力学第一定律 §8-4 物质的相变
1
§8-1 热平衡与平衡状态
一、热力学系统描述 方法：把研究对象从空间有限区域隔离开来。 系统、环境 手段：观察、实验 描述：热力学坐标（参量）
几何、力学、电磁、化学
2
二、平衡态
某系统 参量为X，Y
• 本章仅限于讨论力学的功（气体系统）
对于气体系统作功必然伴随着系统体积的变化
P
S
u
Dl
11
对一个有限的过程 P
（如图所示）
P
.1 .2
W
V
对不同的过程，压强变化规律不同， P p与V 的关系不同，作功也不同！
作功与气体经历的过程有关。
－功是过程量！
.1 .W 2
V
.1 .2
W V
12
三、热量传递（热传导） 温度高的物体温度降低（内能减小）；低温物体温度 升高（内能增加），最后温度相同，达到热平衡。
(b)原子的一般运动，需三个坐标描述。 自由度=3。
➢单原子分子（质点，无转动等）的自由度为3。
8
•刚性多原子分子 只要确定其三个原子，即可确定其状态。 需3×3=9个变量！？ 因三个原子的间距确定，实际上只需6 个变量。
刚体多原子分子的最大自由度＝6。 包括：3个质心平动自由度和3个转动自由度。
系统处在平衡态：参量选定后，在外界条件不变的情
况下始终保持不变
平衡态：宏观性质不随时间变化的状态
系统达到热平衡的条件
系统A：( X1,Y1 )
系统B：( X1,Y1)
A
X1 ,Y1
B
X 1 , Y1
C X1,Y1
A、B各自达到平衡后，绝热壁改为 导热壁，但A、B中参量并不变化 即：与第三个系统达到热平衡的二 个系统必互为热平衡
15
设A的比热容、质量、初温分别为，B的比热容、质量、初温 为则
联立后可得
以及 t 2C
16
§8-3 热力学第一定律
包括热现象在内的能量守恒和转换定律。 某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功 W， 系统内能从初始态 E1变为 E2，则由能量守恒：
Q E2 E1 W E pV
E 0 内能增加 pV 0 对外做功 Q 0 吸热
9
➢ 系统的内能只与系统温度有关，是状态量。 在热力学过程中内能的变化：
2
E12 1 dE E2 E1
只与初、末态有关，与过程无关。
➢系统能量改变的原因是系统与外界的相互作用： （1）做功的形式 （2）热量传递
10
二、做功
• 做功可以改变热力学系统的状态（内能）
• 摩擦升温（机械功）、电加热（电功）等
T p
i E 2 RT CV T
Q i RT pV 2
由理想气体状态方程 pV RT
wk.baidu.com
pV RT
19
Q i RT RT i 2 RT
2
2
Cp
CV
R
i
2 2
R
结论： W pV2 V1
Q CpT CV T pV
Cp
/ CV
i2 i
——热容比
20
绝热过程
Q 0
E pV 0
过程无限缓慢进行的理想极限
5
系统（初始温度 T1）从 外界吸热 从 T1
T2 是准静态过程
系统T1 T1+△T T1+2△T T1+3△T
系统 温度 T1 直接与 热源 T2接触，最终达到热平衡， 不是 准静态过程。
等温过程
P T2
等容过程 等压过程
因为状态图中任何一点都表示 系统的一个平衡态，故准静态 过程可以用系统的状态图，如 P-V图（或P-T图，V-T图）中 一条曲线表示，反之亦如此。
——热力学第零定律 3
三、热力学过程
系统状态随时间变化，便经历了一个热力学过程
平衡态
非平衡态
平衡态
非静态过程
4
➢准静态过程
过程中的每一状态都是平衡态
u 外界对系统做功 准静态过程
外界压强总比系统压强大一小量 △P ，就可以缓慢压缩。
非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛 豫时间。如果实际每压缩一次所用时 间都大于弛豫时间，则在压缩过程中 系统就几乎随时接近平衡态。
o
END
循环过程
V
6
§8-2 功、热、内能
一、系统内能
理想气体 ：E i RT (t r) v RT
2
2
i——理想气体分子的自由度
——完全描述分子运动所需的独立坐标数 （确定分子的空间位置）
t——平动自由度
r——转动自由度
7
t——平动自由度
如：(a)原子（质点）的直线运动，只需一个变数。 自由度=1。
•热传导机制限定：“热量”只可能从高温物体向低温物体传递！
量热学的结论： Q mcT
c——比热——由材料性质决定
定义：C mc
热容量
摩尔热容量：当1mol物体温度升高1K时所吸收的热量
C Q T
和具体过程有关
14
有三个物理性质完全相同的物体A和一个物体B。 若把一个A和B放在一起时，经过充分的热量交换， A和B组成的系统温度比B的温度高了5ºC。再把一 个A和A+B系统放在一起时，经过充分的热量交换， A+A+B系统温度比A+B的温度高3ºC了。若把第三 个A和A+A+B系统放在一起时，经过充分的热量 交换， A+A+A+B系统温度比A+A+B高 _________2________ºC。 （不考虑系统与外界的热量交换）
pV const ——过程方程
利用 pV RT
TV 1 const
p 1 T
const
21
绝热过程 E
pV 0
p
W
1
1
p2V2
p1V1
R
1
T2
T1
V
绝热线与等温线只能有一个交点
绝热线比等温线陡
22
对于一定量的气体，下列过程中违反热力学第 一定律的是（ A，C ）。 （A）在恒温条件下，气体绝热膨胀； （B）气体从外界吸收热量而保持温度不变； （C）在绝热条件下，体积不变而温度升高； （D）气体对外做功的同时向外界放出热量。
微小热量 ： Q > 0 表示系统从外界吸热；
< 0 表示系统向外界放热。
总热量： Q Q
➢ 热量是过程量 积分与过程有关 。
13
•从微观上来讲：热传导实际上是通过分子的碰撞而实现的热 运动能量（无序运动能量－内能）的传递过程。
17
等容过程
V const
pV 0 Q E
等容摩尔热容量
CV
Q T V
QV CV T E
QV CV T CV T2 T1
理想气体：E i RT 2
QV
i 2
RT
CV
i 2
R
结论：
Q
E
i 2
RT2
T1
18
等压过程
p const
Q E pV
等压摩尔热容量
Cp
Q
第 8 章 热力学
§8-1 热平衡与平衡状态 §8-2 功、热、内能 §8-3 热力学第一定律 §8-4 物质的相变
1
§8-1 热平衡与平衡状态
一、热力学系统描述 方法：把研究对象从空间有限区域隔离开来。 系统、环境 手段：观察、实验 描述：热力学坐标（参量）
几何、力学、电磁、化学
2
二、平衡态
某系统 参量为X，Y
• 本章仅限于讨论力学的功（气体系统）
对于气体系统作功必然伴随着系统体积的变化
P
S
u
Dl
11
对一个有限的过程 P
（如图所示）
P
.1 .2
W
V
对不同的过程，压强变化规律不同， P p与V 的关系不同，作功也不同！
作功与气体经历的过程有关。
－功是过程量！
.1 .W 2
V
.1 .2
W V
12
三、热量传递（热传导） 温度高的物体温度降低（内能减小）；低温物体温度 升高（内能增加），最后温度相同，达到热平衡。
(b)原子的一般运动，需三个坐标描述。 自由度=3。
➢单原子分子（质点，无转动等）的自由度为3。
8
•刚性多原子分子 只要确定其三个原子，即可确定其状态。 需3×3=9个变量！？ 因三个原子的间距确定，实际上只需6 个变量。
刚体多原子分子的最大自由度＝6。 包括：3个质心平动自由度和3个转动自由度。
系统处在平衡态：参量选定后，在外界条件不变的情
况下始终保持不变
平衡态：宏观性质不随时间变化的状态
系统达到热平衡的条件
系统A：( X1,Y1 )
系统B：( X1,Y1)
A
X1 ,Y1
B
X 1 , Y1
C X1,Y1
A、B各自达到平衡后，绝热壁改为 导热壁，但A、B中参量并不变化 即：与第三个系统达到热平衡的二 个系统必互为热平衡
15
设A的比热容、质量、初温分别为，B的比热容、质量、初温 为则
联立后可得
以及 t 2C
16
§8-3 热力学第一定律
包括热现象在内的能量守恒和转换定律。 某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功 W， 系统内能从初始态 E1变为 E2，则由能量守恒：
Q E2 E1 W E pV
E 0 内能增加 pV 0 对外做功 Q 0 吸热
9
➢ 系统的内能只与系统温度有关，是状态量。 在热力学过程中内能的变化：
2
E12 1 dE E2 E1
只与初、末态有关，与过程无关。
➢系统能量改变的原因是系统与外界的相互作用： （1）做功的形式 （2）热量传递
10
二、做功
• 做功可以改变热力学系统的状态（内能）
• 摩擦升温（机械功）、电加热（电功）等
T p
i E 2 RT CV T
Q i RT pV 2
由理想气体状态方程 pV RT
wk.baidu.com
pV RT
19
Q i RT RT i 2 RT
2
2
Cp
CV
R
i
2 2
R
结论： W pV2 V1
Q CpT CV T pV
Cp
/ CV
i2 i
——热容比
20
绝热过程
Q 0
E pV 0
过程无限缓慢进行的理想极限
5
系统（初始温度 T1）从 外界吸热 从 T1
T2 是准静态过程
系统T1 T1+△T T1+2△T T1+3△T
系统 温度 T1 直接与 热源 T2接触，最终达到热平衡， 不是 准静态过程。
等温过程
P T2
等容过程 等压过程
因为状态图中任何一点都表示 系统的一个平衡态，故准静态 过程可以用系统的状态图，如 P-V图（或P-T图，V-T图）中 一条曲线表示，反之亦如此。
——热力学第零定律 3
三、热力学过程
系统状态随时间变化，便经历了一个热力学过程
平衡态
非平衡态
平衡态
非静态过程
4
➢准静态过程
过程中的每一状态都是平衡态
u 外界对系统做功 准静态过程
外界压强总比系统压强大一小量 △P ，就可以缓慢压缩。
非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛 豫时间。如果实际每压缩一次所用时 间都大于弛豫时间，则在压缩过程中 系统就几乎随时接近平衡态。
o
END
循环过程
V
6
§8-2 功、热、内能
一、系统内能
理想气体 ：E i RT (t r) v RT
2
2
i——理想气体分子的自由度
——完全描述分子运动所需的独立坐标数 （确定分子的空间位置）
t——平动自由度
r——转动自由度
7
t——平动自由度
如：(a)原子（质点）的直线运动，只需一个变数。 自由度=1。
•热传导机制限定：“热量”只可能从高温物体向低温物体传递！
量热学的结论： Q mcT
c——比热——由材料性质决定
定义：C mc
热容量
摩尔热容量：当1mol物体温度升高1K时所吸收的热量
C Q T
和具体过程有关
14
有三个物理性质完全相同的物体A和一个物体B。 若把一个A和B放在一起时，经过充分的热量交换， A和B组成的系统温度比B的温度高了5ºC。再把一 个A和A+B系统放在一起时，经过充分的热量交换， A+A+B系统温度比A+B的温度高3ºC了。若把第三 个A和A+A+B系统放在一起时，经过充分的热量 交换， A+A+A+B系统温度比A+A+B高 _________2________ºC。 （不考虑系统与外界的热量交换）
pV const ——过程方程
利用 pV RT
TV 1 const
p 1 T
const
21
绝热过程 E
pV 0
p
W
1
1
p2V2
p1V1
R
1
T2
T1
V
绝热线与等温线只能有一个交点
绝热线比等温线陡
22
对于一定量的气体，下列过程中违反热力学第 一定律的是（ A，C ）。 （A）在恒温条件下，气体绝热膨胀； （B）气体从外界吸收热量而保持温度不变； （C）在绝热条件下，体积不变而温度升高； （D）气体对外做功的同时向外界放出热量。