13-1-2 准静态过程 功 热量.ppt

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1、 研究对象研究对象热运动热运动:构成宏观物体的大量微观粒子的永构成宏观物体的大量微观粒子的永 不休止的无规则运动不休止的无规则运动.热现象热现象:物体物体与温度有关的物理性质的变化与温度有关的物理性质的变化.研究对象特征研究对象特征 单个单个分子分子:无序、具有偶然性、遵循力学规律无序、具有偶然性、遵循力学规律.整体整体(大量分子大量分子):服从统计规律服从统计规律.热学（第十二章、热学（第十二章、第十三章）概述第十三章）概述1 宏观宏观量量:表示大量分子集体特征的物理表示大量分子集体特征的物理量量(可直接测量可直接测量)，如，如 p，V，T 等等.微观微观量量:描述个别分子运动状态的物理描述

2、个别分子运动状态的物理量量(不可直接测量不可直接测量)，如分子的，如分子的m，等等.宏观宏观量量微观微观量量统计平均统计平均 研究方法研究方法热力学热力学 宏观宏观描述描述气体动理论气体动理论 微观微观描述描述21.1.技术技术物理物理技术模式技术模式2.2.两种研究方法两种研究方法两种理论两种理论微观理论：统计物理学微观理论：统计物理学 从物质的从物质的微观结构微观结构出发，研究对象出发，研究对象气体；用气体；用统计方法统计方法大量气体分子的热运动的规律，确定宏大量气体分子的热运动的规律，确定宏观量与微观量的联系，并对气体的某些性质给予观量与微观量的联系，并对气体的某些性质给予微观本质微观本

3、质说明。说明。由基本假设由基本假设构造理论构造理论热学发展历史的两大特征：热学发展历史的两大特征：3验证其理论验证其理论解释其理论解释其理论3.3.两种理论的相互关系：两种理论的相互关系：互相补充，相辅相成互相补充，相辅相成统计物理统计物理热力学热力学宏观理论，基本结论来自实验事实，宏观理论，基本结论来自实验事实，普遍可靠，但不能解释其微观本质。普遍可靠，但不能解释其微观本质。微观理论，揭示热现象本质。微观理论，揭示热现象本质。宏观理论：热力学宏观理论：热力学 不涉及物质的微观本质，根据由不涉及物质的微观本质，根据由观察和实验观察和实验所归所归纳、总结出来的纳、总结出来的宏观热现象宏观热现象所

4、遵循的基本定律，用所遵循的基本定律，用严密的逻辑推理方法，研究宏观物体的热的性质的严密的逻辑推理方法，研究宏观物体的热的性质的一门学科。一门学科。由现象出发由现象出发原理性理论原理性理论 具体而言，用具体而言，用能量转化能量转化观点，从宏观上研究物质观点，从宏观上研究物质状态变化时，热、功、内能等宏观量变换规律的一状态变化时，热、功、内能等宏观量变换规律的一门学科。门学科。4理论体系理论体系微微观观宏宏观观研究方法研究方法以气体分以气体分子热运动子热运动规律为基规律为基础，用统础，用统计方法。计方法。以事实以事实为基础，为基础，应用热应用热力学基力学基本定律本定律统统计计物物理理学学研究物质热

5、现象、热运动的学科研究物质热现象、热运动的学科热热力力学学分析宏观本分析宏观本质质相互关系相互关系验证微观理验证微观理论论5第十三章第十三章 热力学基础热力学基础结构框图结构框图应用应用热力学系统热力学系统内能变化的内能变化的两种量度两种量度功功热量热量热力学热力学 第一定律第一定律热力学热力学 第二定律第二定律等值过程等值过程绝热过程绝热过程循环过程循环过程卡诺循环卡诺循环（理想气体）（理想气体）（对热机效（对热机效率的研究）率的研究）理想气体理想气体物态方程物态方程准静态准静态过程过程熵熵熵增加原理熵增加原理平衡态、准静态过程，热量、功、内能等基本概念，平衡态、准静态过程，热量、功、内能等

6、基本概念，热力学第一定律及其对理想气体各等值过程的应用，热力学第一定律及其对理想气体各等值过程的应用，理想气体的摩尔热容，循环过程，卡诺循环，热力学理想气体的摩尔热容，循环过程，卡诺循环，热力学第二定律，熵和熵增加定理等。第二定律，熵和熵增加定理等。主要内容：主要内容：6物理学物理学第五版第五版一一 气体的物态参量气体的物态参量(宏观量宏观量)1 压强压强 ：力学力学描述描述 单位单位:标准大气压标准大气压:纬度海平面处纬度海平面处,时时的大气压的大气压.2 体积体积 :几何几何描述描述单位单位:第十二章第十二章 气体动理论气体动理论12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热

7、力学第零定律热力学第零定律7物理学物理学第五版第五版 3 温度温度 :热学热学描述描述单位单位:(开尔文开尔文).二二 平衡态平衡态第十二章第十二章 气体动理论气体动理论12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律1.1.热力学系统（简称系统）热力学系统（简称系统）:在给定范围内，由大量微观粒子所组成的宏观物体。在给定范围内，由大量微观粒子所组成的宏观物体。2.2.系统的外界（简称外界）系统的外界（简称外界）与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体。8物理学物理学第五版第五版若气体状态变化很微小，可略去近似平

8、衡态。若气体状态变化很微小，可略去近似平衡态。第十二章第十二章 气体动理论气体动理论12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律与外界有与外界有 m、E 交换交换与外界有与外界有 E 交换，无交换，无 m 交换交换与外界无与外界无 E、m 交换交换开放系统开放系统 孤立系统孤立系统封闭系统封闭系统系统系统 在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态。随时间变化的状态。或孤立系统达到的稳定状态。或孤立系统达到的稳定状态。说明：说明：指外界对系统既不作功，又不传热；指外界对系统既不作功，又不传热；理想模

9、型，实际中不存在；理想模型，实际中不存在；3.3.热力学平衡态：热力学平衡态：9物理学物理学第五版第五版真真 空空 膨膨 胀胀第十二章第十二章 气体动理论气体动理论12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律10物理学物理学第五版第五版三三 理想气体物态方程理想气体物态方程12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律1.1.气体物态方程气体物态方程 气体处于平衡态时，其物态参量气体处于平衡态时，其物态参量p,V,Tp,V,T之间的之间的关系，即其中一个量是其他两个量的函数。关系，即其中一个量是其他两个量的函数。

10、其具体形式由实验决定。其具体形式由实验决定。2.2.理想气体的物态方程理想气体的物态方程注：注：状态方程在热力学中是通过大量实践总结来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，的。然而应用统计物理学，原则上可根据物质的原则上可根据物质的微观结构推导出来。微观结构推导出来。12物理学物理学第五版第五版第十二章第十二章 气体动理论气体动理论理想气体理想气体：在任何情况下都严格遵守：在任何情况下都严格遵守“玻意耳玻意耳-马马略特定律略特定律”、“盖盖-吕定律吕定律”、“查理定律查理定律”三条三条实验定律和实验定律和阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律的气体。的气体。气体在温度不太低、压强

11、不太大时，可近似为理想气体。气体在温度不太低、压强不太大时，可近似为理想气体。12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律玻意耳玻意耳(Boyle)(Boyle)定律定律 实验证明：一定质量的气体，当温度保持不变时，实验证明：一定质量的气体，当温度保持不变时，它的压强与体积的乘积等于恒量。它的压强与体积的乘积等于恒量。即：即：C C在不同的在不同的T T时，有不同的值。玻意耳时，有不同的值。玻意耳-马略特定律马略特定律盖盖吕萨克吕萨克(Gay-(Gay-LussacLussac)定律定律:一定质量的气体，一定质量的气体，当压强保持不变时，它的体积与热力

12、学温度成正比。当压强保持不变时，它的体积与热力学温度成正比。13物理学物理学第五版第五版第十二章第十二章 气体动理论气体动理论12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律即：即：查理查理(Charles)(Charles)定律定律:一定质量的气体，当体积保一定质量的气体，当体积保持不变时，它的压强与热力学温度成正比。持不变时，它的压强与热力学温度成正比。即：即：阿伏伽德罗阿伏伽德罗(A.AvogadroA.Avogadro)定律定律 在相同的温度和压强，相同体积的气体含有相同数在相同的温度和压强，相同体积的气体含有相同数目的分子。目的分子。由此可知：在

13、标准由此可知：在标准状态下，状态下，1mol1mol任何气体的体积都任何气体的体积都为为 22.422.4升。升。14物理学物理学第五版第五版摩尔气体常量摩尔气体常量对对一定质量的一定质量的同种气体同种气体理想气体物理想气体物态方程一态方程一 系统总质量，系统总质量，摩尔质量，摩尔质量，单个分子质量单个分子质量第十二章第十二章 气体动理论气体动理论12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律15物理学物理学第五版第五版k 称为玻耳兹曼常量称为玻耳兹曼常量.n=N/V，为气体分子数密度为气体分子数密度.理想气体物理想气体物态方程二态方程二12-1 平衡态

14、平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律第十二章第十二章 气体动理论气体动理论16一柴油的汽缸容积为一柴油的汽缸容积为 0.82710-3 m3。压缩前汽缸的空气温。压缩前汽缸的空气温度为度为320 K，压强为压强为8.4104 Pa，当活塞急速推进时可将空气，当活塞急速推进时可将空气压缩到原体积的压缩到原体积的 1/17，使压强增大到使压强增大到 4.2106 Pa。解解T2 柴油的燃点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。活塞作功，这就是柴油机点火

15、的原理。例例求求 这时空气的温度这时空气的温度17物理学物理学第五版第五版四四 热力学第零定律热力学第零定律 如果物体如果物体 A 和和 B 分别与物体分别与物体 C 处于处于热平衡的状态，那么热平衡的状态，那么 A 和和 B 之间也处于之间也处于热平衡热平衡.第十二章第十二章 气体动理论气体动理论12-1 平衡态平衡态 理想气体物态方程理想气体物态方程 热力学第零定律热力学第零定律18物理学物理学第五版第五版一一 准静态过程准静态过程（理想化的过程）（理想化的过程）13-1 准静态过程准静态过程 功功 热量热量热力学过程：热力学过程：当一热力学系统的状态随时间改变当一热力学系统的状态随时间改

16、变时，系统就经历了一个热力学过程时，系统就经历了一个热力学过程(简称过程简称过程)。非静态过程：非静态过程：中间状态不是平衡态中间状态不是平衡态准静态过程：准静态过程：（平衡过程）（平衡过程）过程进行得足够缓慢，中间状过程进行得足够缓慢，中间状态近似平衡态理想过程。态近似平衡态理想过程。实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时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。间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。如：如：实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程 第十二章第十二章 气体动理论气体动理论19物理学物理学第五版第

17、五版13-1 准静态过程准静态过程 功功 热量热量十三章十三章 热力学基础热力学基础气体气体活塞活塞砂子砂子1220物理学物理学第五版第五版二二 功功（过程量）（过程量）十三章十三章 热力学基础热力学基础系统在准静态过程中，由于其体积变化所作的功。系统在准静态过程中，由于其体积变化所作的功。13-1 准静态过程准静态过程 功功 热量热量结论：系统所作的功在数值结论：系统所作的功在数值上等于上等于P-VP-V图上过程曲线以图上过程曲线以下的面积。下的面积。注意：功不是态函数，而是一个过程量。功不是态函数，而是一个过程量。注意注意：非静态过程不适用：非静态过程不适用21示功图：示功图：p-V 图上

18、过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积 当气体膨胀时，它对外界作正功；当气体被压缩时，它对外作负功，但其数值都等于过程曲线下面的面积。净22物理学物理学第五版第五版注：功注：功（过程量）（过程量）13-1 准静态过程准静态过程 功功 热量热量十三章十三章 热力学基础热力学基础 1 功是能量传递和转换的量度，它引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起系统热运动状态的变化.2 准静态过程功的计算准静态过程功的计算23国际单位制中，热量国际单位制中，热量Q Q的单位：的单位：J(J(焦耳焦耳)系统之间或系统与外界之间由于热相互作用（或由系统之间或系统与外界之间由于热相互作用（或由于温度

19、差），而传递的能量。于温度差），而传递的能量。热量传递的多少与其传递的方式有关，所以，热热量传递的多少与其传递的方式有关，所以，热量与功一样都是与热力学过程有关的量，也是一量与功一样都是与热力学过程有关的量，也是一个个过程量过程量。说明：说明：在系统与外界之间发生能量传递时，无论系统在系统与外界之间发生能量传递时，无论系统的温度是否发生变化，都是热量的传递过程。的温度是否发生变化，都是热量的传递过程。传递热量传递热量和和作功作功是能量传递的两种方式，其量值是能量传递的两种方式，其量值可以作为内能变化的量度。就内能的变化来说，可以作为内能变化的量度。就内能的变化来说，外界对系统作功和传递热量是等

20、效的。外界对系统作功和传递热量是等效的。三、热量三、热量Q Q（过程量）（过程量）24物理学物理学第五版第五版（1）都是都是过程量：与过程有关；过程量：与过程有关；（3）功与热量的物理本质不同功与热量的物理本质不同.1 cal=4.18 J ，1 J=0.24 cal功与热量的异同功与热量的异同（2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；等效性：改变系统热运动状态作用相同；十三章十三章 热力学基础热力学基础13-1 准静态过程准静态过程 功功 热量热量25物理学物理学第五版第五版 实验证明系统从状态实验证明系统从状态A 变化到状态变化到状态B，可以采用可以采用做功做功和和传热传热的方法，不管经的

21、方法，不管经过什么过程，只要过什么过程，只要始末状态始末状态确定，做功确定，做功和传热之和保持不变和传热之和保持不变.一一 内能内能（状态量）（状态量）十三章十三章 热力学基础热力学基础13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能例：例：实际气体实际气体理想气体理想气体26物理学物理学第五版第五版2AB1*2AB1*十三章十三章 热力学基础热力学基础13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能27物理学物理学第五版第五版 理想气体内能理想气体内能:表征系统状态的单值函数表征系统状态的单值函数，理想气，理想气体的内能仅是温度的函数体的内能仅是温度的函数.十三章十三章 热力学基础热力学基础

22、13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能28物理学物理学第五版第五版十三章十三章 热力学基础热力学基础内能变化方式内能变化方式做功做功热传递热传递E E改变方式改变方式特特 点点能量转换能量转换量度量度做功做功热传递热传递与宏观位移相联系通与宏观位移相联系通过非保守力做功实现过非保守力做功实现机械机械运动运动热运动热运动W W与温差相联系，通与温差相联系，通过分子碰撞实现过分子碰撞实现热运动热运动热运动热运动Q Q29物理学物理学第五版第五版 系统内能的增量只与系统的初态和末系统内能的增量只与系统的初态和末态有关，与系统所经历的过程无关态有关，与系统所经历的过程无关.2AB1*2AB1

23、*十三章十三章 热力学基础热力学基础13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能30物理学物理学第五版第五版二二 热力学第一定律热力学第一定律 系统系统从外界吸收的热从外界吸收的热量，一部分使系统的内能量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对增加，另一部分使系统对外界做功外界做功.12*十三章十三章 热力学基础热力学基础13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能31物理学物理学第五版第五版准静态过程准静态过程微变过程微变过程十三章十三章 热力学基础热力学基础13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能32物理学物理学第五版第五版+系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增

24、加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第一定律的符号规定第一定律的符号规定十三章十三章 热力学基础热力学基础13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能33物理学物理学第五版第五版（1）能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律.第一类永动机第一类永动机是不可能制成的是不可能制成的.物理意义物理意义十三章十三章 热力学基础热力学基础13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能第一类永动机：第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态，系统不断经历状态变化后回到初态，既不消耗系统的内能既不消耗系统的内能,又不需要外界向它传递热量，又不需要外界向它传递热量，即

25、不消耗任何能量而能不断地对外作功。即不消耗任何能量而能不断地对外作功。即：即：违反热力学第一定律违反热力学第一定律（2）实验经验总结，自然界的普遍规律实验经验总结，自然界的普遍规律.34物理学物理学第五版第五版(3)讨论讨论 或或 的意的意义义 规定：规定：系统从外界吸热：系统从外界吸热：；对外作功：对外作功：；内能增加：；内能增加：系统向外界放热：系统向外界放热：；外界对系统作功：外界对系统作功：；内能减少：内能减少：十三章十三章 热力学基础热力学基础13-2 热力学第一定律热力学第一定律 内能内能35根据热力学第一定律，有根据热力学第一定律，有解解因为初、末两态是平衡态，所以有因为初、末两态是平衡态，所以有如图，一绝热密封容器，体积为如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等，中间用隔板分成相等的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为 p0，右边一半，右边一半为真空。为真空。例例求求把中间隔板抽去后，把中间隔板抽去后，达到新平衡时气体的压强达到新平衡时气体的压强绝热过程绝热过程自由膨胀过程自由膨胀过程36小小 结结热学的研究对象及其分类热学的研究对象及其分类气体物态参量气体物态参量平衡态与准静态过程平衡态与准静态过程理想气体的物态方程理想气体的物态方程功功热量热量内能内能热力学第一定律热力学第一定律37