热力学(同济大学课件)
60页1、第九章,热力学基础,9-1 热力学的基本概念,9-1-1 热力学系统,在热力学中把要研究的宏观物体(气体、液体、固体)称为热力学系统 简称系统。,外界:系统以外与系统有着相互作用的环境,孤立系统:与外界不发生任何能量和物质交换的热力学系统。,封闭系统: 与外界只有能量交换而没有物质交换的系统。,物态参量:描述热力学系统物态的物理量。,描述气体的物态参量:压强、体积和温度,垂直作用在单位容器壁面积上的气体压力。,压强(p):,国际单位制单位:,帕斯卡(1 Pa =1 N/m2),1标准大气压 = 1.01325105(Pa),体积(V ):,气体分子自由活动的空间。,国际单位制单位:,米3(m3 ),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。,两热力学系统相互接触,而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。,温度的宏观定义:,表征系统热平衡时宏观性质的物理量。,温标 温度的数值表示法。,摄氏温标:,t ,热力学温标: T
2、K,水的冰点 0 ,水的沸点 100,冰点和沸点之差的百分之一规定为1 。,绝对零度: T = 0 K t = - 273.15 ,水三相点(气态、液态、固态的共存状态)273.16 K,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(即其物态参量不再随时间改变)的物态。,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。,热力学过程:热力学系统的物态随时间发生变化的过程。,准静态过程:,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。,准静态过程的过程曲线可以用p -V 图来描述,图上的每一点都表示系统的一个平衡态。,( pC,VC,TC ),9-1-3 理想气体物态方程,理想气体:在任何情况下都严格遵守“波意耳定律”、“盖-吕萨克定律”以及“查理定律”的气体。,(质量不变),标准状态:,m 为气体的总质量。 M 为气体的摩尔质量。,其中:,理想气体物态方程:,令:,R 称为“摩尔气体常量 ”,代入:,分子质量为 m0,气体分子数为N,分子数密度 n。,阿伏伽德罗常量,玻
3、耳兹曼常量,标准状态下的分子数密度:,称为洛施密特常量,标准状态:,9-2 热力学第一定律,9-2-1 改变系统内能的两条途径 热功当量,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:,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。,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。,烤火 通过热量传递提高物体内能。,热量(Q) : 系统之间由于热相互作用而传递的能量。,焦耳用于测定热功当量的实验装置。,注意:功和热量都是过程量,而内能是物态量,通过做功或传递热量的过程使系统的物态(内能)发生变化。,热功当量:,1 cal = 4.186 J,9-2-2 热力学第一定律的数学描述,热力学第一定律:,包括热现象在内的能量守恒定律。,Q 表示系统吸收的热量,W 表示系统所做的功,E 表示系统内能的增量。,热力学第一定律微分式:,符号规定:,1. 系统吸收热量Q为正,系统放热Q为负。,2. 系统对外做功W为正,外界对系统做功W为负。,3. 系统内能增加E为正,系统内能减少E为负。,第一类永动机:,不需要外界提供能量,但
4、可以连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。”,9-2-3 准静态过程中热量、功和内能,(1) 准静态过程中功的计算,结论:系统所做的功在数值上等于p-V 图上过程曲线以下的面积。,(2)准静态过程中热量的计算,热容量:物体温度升高1 K 所需要吸收的热量。,比热:单位质量的物质热容量。,单位:,单位:,摩尔热容量:1 mol 物质的热容量。,摩尔定容热容: 1 mol 理想气体在体积不变的状态下,温度升高1 K 所需要吸收的热量。,摩尔定压热容: 1mol 理想气体在压强不变的物态下,温度升高1 K 所需要吸收的热量。,( 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 ,水蒸气、二氧化碳、甲烷,微过程的热量计算式:,热量计算式:,(3)准静态过程中内能变化的计算,设想一个物态变化过程,过程中系统的体积不变。,即有,内能增量:,内能:,结论:理想气体的内能只是温度的单值函数。,注意:内能是状态量,内能的增量与过程无关,因此上式适合于任意过程。,9-3 热力学第一定律的应用,9
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