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优质）大学物理热力学教学课件PPT课件第三章第三章 热力学基础热力学基础结构框图结构框图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应用应用（理想气体）（理想气体）（对热机效率（对热机效率的研究）的研究）第一节第一节 热力学第一定律热力学第一定律一、热力学系统一、热力学系统 外界外界大量粒子组成的宏观、有限的体系大量粒子组成的宏观、有限的体系与热力学系统比邻的周围环境称为与热力学系统比邻的周围环境称为外界与外界有与外界有 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绝绝热热例例开放系统开放系统 封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统热力学：热力学：研究热力学系统的状态及其变化的规律研究热力学系统的状态及其变化的规律1. 描述系统宏观性质的物理量：描述系统宏观性质的物理量：p、T、V、E .广延量广延量强度量强度量无可加性，如无可加性，如 p、T平衡态：平衡态：无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间无外界影响时，孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态，称为变化的状态，称为热力学平衡态热力学平衡态。

此时，状态参量有确此时，状态参量有确定的值二、状态参量二、状态参量 平衡态平衡态（1）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡）平衡态是一种理想模型，包括（力学、热学、化学）平衡（2）平衡态和稳衡态）平衡态和稳衡态 平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变平衡态：孤立系统，无外界影响，状态不变 稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态稳衡态：非孤立系统，受外界影响，状态不变，是非平衡态三、准静态过程三、准静态过程初态、末态及中间态无限接近平衡态初态、末态及中间态无限接近平衡态的过程这是一种进行得非常缓慢的的过程这是一种进行得非常缓慢的过程（判据：弛豫时间）过程（判据：弛豫时间）准静态过程：准静态过程： 热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简热力学系统的状态随时间变化的过程叫做热力学过程，简称过程按平衡性质分，热力学过程可分为：称过程按平衡性质分，热力学过程可分为：非静态过程：非静态过程：至少有一个态是非平衡态的过程至少有一个态是非平衡态的过程1.准静态过程准静态过程2.准静态过程的功准静态过程的功注意注意：非静态：非静态过程不适用过程不适用示功图：示功图： p - V 图上过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积结结论论：在在准准静静态态过过程程中中，系系统统对对外外做做的的功功在在数数值值上上等等于于P-V图图上上过过程程曲曲线线下方的面积。

下方的面积思考：注意：注意：功是过程量功是过程量过程不同，曲线下面积不同过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）（可正、可负、可零）四、热力学第一定律四、热力学第一定律 如果一个系统经过一个过程，如果一个系统经过一个过程， 其状态的变化完全由于机其状态的变化完全由于机械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程在绝热过程中械的或电磁的作用，则称此过程为绝热过程在绝热过程中外界对系统所做的功称为绝热功外界对系统所做的功称为绝热功 焦耳实验结果表明：焦耳实验结果表明： 用用各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度，各种不同的绝热过程使物体升高一定的温度， 所需的功在所需的功在实验误差范围内是相等的，实验误差范围内是相等的， 如图所示如图所示1.焦耳实验焦耳实验 在绝热过程中，外在绝热过程中，外界对系统所做的功仅取界对系统所做的功仅取决于系统的初、末状态决于系统的初、末状态2 2、系统的内能、系统的内能 热量热量（1 1）系统内能）系统内能 E广义：广义： 系统内所有粒子各种能量总和系统内所有粒子各种能量总和 包括平动、转动、振动能量、化学能、原子能、包括平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能核能.等，等，但不包括系统整体运动的机械能。

但不包括系统整体运动的机械能狭义：狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能所有分子热运动能量和分子间相互作用势能实际气体实际气体理想气体理想气体 内能内能 是状态函数是状态函数 内内能能变变化化 只只与与初初末末状状态态有有关关，与与所所经经过过的的过过程程无无关关，可可以以在在初初、末末态态间间任任选选最最简简便便的过程进行计算的过程进行计算EE 改变内能的方式改变内能的方式做功做功热传递热传递（2） 热量的计算热量的计算热量：热量：物体间由于温度差别而转移的能量物体间由于温度差别而转移的能量热量的传递称为传热传热有三种方式：热量的传递称为传热传热有三种方式： 热传导、对流、热辐射热传导、对流、热辐射摩尔热容：摩尔热容：物质的比热容物质的比热容摩尔热容：摩尔热容：1摩尔物质在某一过程中温度变化摩尔物质在某一过程中温度变化1K时，时，吸收或放出的热量吸收或放出的热量注意：热量也是过程量注意：热量也是过程量等体摩尔热容：等体摩尔热容：1摩尔理想气体在等容过程中温度变化摩尔理想气体在等容过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量无相变和化学反应）时，吸收或放出的热量无相变和化学反应）等压摩尔热容：等压摩尔热容：1摩尔理想气体在等压过程中温度变化摩尔理想气体在等压过程中温度变化1K时，吸收或放出的热量。

无相变和化学反应）时，吸收或放出的热量无相变和化学反应）3. A 与与 Q 比较比较改变改变E的的方式方式特点特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与宏观位移相联系通过非保守力做功通过非保守力做功实现实现机械机械运动运动热运动热运动A与温差相联系与温差相联系通过分子碰撞实现通过分子碰撞实现热运动热运动热运动热运动Q在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中，A、Q、E之之 间满足一定数量关系间满足一定数量关系 这种关系就是包含热运动和机械运动范围的能量守恒与转这种关系就是包含热运动和机械运动范围的能量守恒与转化定律化定律热力学第一定律热力学第一定律3 热力学第一定律热力学第一定律准静态过程：准静态过程：理想气体：理想气体：微变过程：微变过程：（1） 热力学第一定律的数学形式热力学第一定律的数学形式(2) 物理意义：物理意义：热力学第一定律热力学第一定律是涉及热运动和机械运动的能量是涉及热运动和机械运动的能量转换和守恒定律转换和守恒定律3) 其它表述：其它表述：第一类永动机是不可能制成的第一类永动机是不可能制成的第一类永动机第一类永动机：系统不断经历状态变化回到初态，：系统不断经历状态变化回到初态，不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功。

不消耗内能，不从外界吸热，只对外做功违反热力学第一定律违反热力学第一定律即：即：AE第二节第二节 热力学第一定律的应用热力学第一定律的应用等值过程等值过程 等体过程等体过程 等压过程等压过程 等温过程等温过程绝热过程绝热过程（1） 过程方程过程方程查理定律查理定律一、等容过程一、等容过程（ dV = 0 ，V = C )（2） 热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式（3）等体摩尔热容）等体摩尔热容吸热全部用于增加内能：吸热全部用于增加内能：注意：注意：适用于一切过程适用于一切过程二、等压过程二、等压过程 ( dp = 0 p = C)（1） 过程方程过程方程盖盖. .吕萨克定律吕萨克定律（2 2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式（3）等压摩尔热容）等压摩尔热容由由可得可得讨论：讨论：三、等温过程三、等温过程 ( dT = 0 T = C )（1）过程方程）过程方程玻意耳玻意耳 马略特定律马略特定律（2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式吸收的热量全部用于对外做功吸收的热量全部用于对外做功四、绝热过程四、绝热过程特点：特点： dQ = 0绝热材料绝热材料快速进行快速进行（如气体自由膨胀）（如气体自由膨胀）（1） 过程方程过程方程热力学第一定律热力学第一定律条件条件准静态：准静态：理想气体：理想气体：消去消去dT消去消去dT令令有有两边同除以两边同除以有有两边积分，得两边积分，得过程方程的推导过程方程的推导（2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式*五、绝热线和等温线的比较五、绝热线和等温线的比较绝热线：绝热线：比等温线陡比等温线陡等温线等温线 ： pV=恒量恒量 双曲线双曲线过过p-V图中某点（图中某点（A) )a.比较斜率比较斜率 b.比较压强变化比较压强变化 使同一理想气体从相同初态压缩相同体积使同一理想气体从相同初态压缩相同体积pVo*5. 多方过程多方过程( (一般情况一般情况) ) 小结：小结：A：准静态过程准静态过程非静态过程非静态过程Q：等体等体绝热绝热 Q = 0等温（准静态）等温（准静态）等压等压练习练习1 1理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？(1) 等体加热，内能减少，压强升高等体加热，内能减少，压强升高(2) 等温压缩，压强升高，同时吸热等温压缩，压强升高，同时吸热(3) 等压压缩，内能增加，同时吸热等压压缩，内能增加，同时吸热(4) 绝热压缩，压强升高，内能增加绝热压缩，压强升高，内能增加答案：答案：不可能发生的有不可能发生的有: (1), (2), (3)例1.讨论理想气体在如图所示两过程中,T,E,A和Q的正负.判定 的正负：由图知由图知:例：有bmol理想气体，其定容摩尔热容为3R/2，若按如图所示的无摩擦准静态过程由C状态变到Z状态，求它对外所做的功和吸收的热量。

第三节第三节 热力学第二定律热力学第二定律一、循环过程一、循环过程1. 定义：定义：系统经历一系列状态变化后又回到初始状态系统经历一系列状态变化后又回到初始状态的过程叫循环过程的过程叫循环过程准静态循环过程准静态循环过程 对应于对应于 图中的闭合曲线图中的闭合曲线顺时针：顺时针：正循环正循环逆时针：逆时针：逆循环逆循环OpV正正逆逆参与循环的物质称为工作物质参与循环的物质称为工作物质2. 循环过程的特征循环过程的特征热力学第一定律：热力学第一定律：3. 正循环及其效率正循环及其效率dOpVabcV1V2正正功功负功负功净功净功AT1T2整个过程吸的净热整个过程吸的净热 整个过程对外做的净功整个过程对外做的净功d和和 取绝对值取绝对值由于由于所以所以热机的能量转换热机的能量转换:从高温热源吸热从高温热源吸热（可能不止一个）（可能不止一个）向低温热源放热向低温热源放热（可能不止一个）（可能不止一个）对外做功对外做功效果效果代价代价热机效率热机效率:热机及其效率热机及其效率热机：利用工作物质的正循环不断把热转化为功的装置热机：利用工作物质的正循环不断把热转化为功的装置实例：实例：蒸汽机的循环蒸汽机的循环Q1Q2A1A24. 逆循环及致冷系数逆循环及致冷系数OPV逆逆abcV1V2净功净功dT1T2Q1Q2A=Q1-Q2和和 取绝对值取绝对值由于由于所以所以外界对系统做的净功外界对系统做的净功能量转换：能量转换：从低温热源吸热从低温热源吸热（效果）（效果）外界对系统做功外界对系统做功 （代价）（代价）向高温热源放热向高温热源放热注意：注意：注意：注意：这里的这里的Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量量 衡量致冷的效力衡量致冷的效力致冷机及致冷系数致冷机及致冷系数致冷机：利用工作物质的逆循环获取低温的装置。

致冷机：利用工作物质的逆循环获取低温的装置致冷系数致冷系数实例：实例：电冰箱电冰箱Q1A（1）高温热源与低温热源是相对的注意：对于热机和致冷机：注意：对于热机和致冷机： 正循环中，把热量传递给工作物质的热源叫高温热源；反之就是低温热源逆循环与正循环正好相反2）热量）热量逆循环逆循。