P.,*,/69,热力学基础,*,P.,*,/76,*,质点动力学,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热力学基础,热力学基础,热学,热力学,分子动理论,从现象中找规律,透过现象追本质,宏观规律,微观机制,观察 记录 分析 总结,建模 统计 理论 验证,第,9,章,热力学基础,理论基础是,:,热力学第一定律,热力学第二定律,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。,体积,(volume),V,：,气体分子自由活动的空间。,国际单位：,米,3,（,m,3,）,当气体分子大小不计时，气体体积等于容器的容积。,2.,压强,(pressure),p,：,垂直作用在容器壁单位面积上的,气体压力。,国际单位：,Pa(,帕斯卡,)Pa=Nm,-2,1,标准大气压,=1.0132510,5,Pa,1,工程大气压,=9.8066510,4,Pa,3.,温度,(,temperature),T,：,表征热平衡状态下系统的宏观性质。,冷热程度的物理量,温度的数值表示法,温标。,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,热学热力学分子动理论从现象中找规律透过现象追本质宏观规律微观,2.,压强,(pressure),p,：,垂直作用在容器壁单位面积上的,气体压力。,国际单位：,Pa(,帕斯卡,)Pa=Nm,-2,1,标准大气压,=1.0132510,5,Pa,1,工程大气压,=9.8066510,4,Pa,温度的数值表示法,温标。,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,3.,温度,(,temperature),T,：,表征热平衡状态下系统的宏观性质。,冷热程度的物理量,水三相点,(,气态、液态、固态的共存,状态,)273.16 K,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),：,在不受外界影响的条件下，如果处,于确定状态下的物体,C,分别与物体,A,、,B,达到热平衡，则物体,A,和,B,也必相互,热平衡。,A,B,C,A,B,C,二、平衡态,(equilibrium status),2.压强(pressure)p：国际单位：Pa(帕斯,热力学第零定律,(Zeroth law of,thermodynamics),：,在不受外界影响的条件下，如果处,于确定状态下的物体,C,分别与物体,A,、,B,达到热平衡，则物体,A,和,B,也必相互,热平衡。,A,B,C,A,B,C,二、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。,平衡态下系统各部分的温度、压强,相同。,热动平衡,三、准静态过程,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。,实际过程的中间态为非平衡态。,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。,平衡过程,理想过程！,热力学第零定律ABCABC二、平衡态(equilibrium,三、准静态过程,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。,实际过程的中间态为非平衡态。,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。,平衡过程,理想过程！,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。,(,p,B,V,B,T,B,),(,p,A,V,A,T,A,),p,V,O,9-2,理想气体的状态方程,状态参量之间的关系,一、理,想气体,(idea gas),：,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。,二、理,想气体的状态方程,(status equation of idea gas),：,易得：,对于系统,质量不变的气体,试验证明：,1,摩尔气体在标准状态下，,占有的体积为：,标准状态：,则对于,1,摩尔理想气体有：,三、准静态过程热力学过程(thermodynamic pr,9-2,理想气体的状态方程,状态参量之间的关系,一、理,想气体,(idea gas),：,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。,二、理,想气体的状态方程,(status equation of idea gas),：,易得：,对于系统,质量不变的气体,试验证明：,1,摩尔气体在标准状态下，,占有的体积为：,标准状态：,则对于,1,摩尔理想气体有：,令,称为“,摩尔气体常量,”,从而，对于质量为,m,、摩尔质量为,M,的理想气体状态方程可写为：,9-3,热力学第一定律 内能 功 热量,一、基本物理量,1,、内能,(internal energy,),E,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,.,9-2 理想气体的状态方程 状态参量之间的关系一、,和分子间相互作用的势能。,(,不包括系,统整体运动的机械能,),9-3,热力学第一定律 内能 功 热量,一、基本物理量,1,、内能,(internal energy,),E,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,.,理想气体的内能：,理想气体的内能是温度的单值函数，,它是一个状态量，只和始、末两位置,有关，与过程无关。,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。,内能变化方式,做功,热传递,2,、功,(work),W,热力学系统作功的装置,活塞,d,l,p,-V,图,和分子间相互作用的势能。(不包括系9-3 热力学第一定律,2,、功,(work),W,热力学系统作功的装置,活塞,d,l,p,-,V,图,(,p,B,V,B,T,B,),(,p,A,V,A,T,A,),p,V,O,V,1,V,2,d,V,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。,热力学系统作功的本质：,无规则的分子热运动与有规则的机,械运动之间的能量转化。,3,、热量,(heat),Q,:,系统之间由于热相互作用而传递的能量。,热量传递的本质：,无规则的分子热运动之间的能量转化。,功和热量都是过程量，而内能是,状态量，通过做功或传递热量的过程使,系统的状态（内能）发生变化。,热量的单位：国际单位：焦耳（,J,）,工程单位：卡,焦耳当量：,1,卡,=4.186,焦耳,功与热的等效性,：,作功或传递热量都可以改变热力学,系统的内能,2、功(work)W热力学系统作功的装置活塞dlp-,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。,热力学系统作功的本质：,无规则的分子热运动与有规则的机,械运动之间的能量转化。,3,、热量,(heat),Q,:,系统之间由于热相互作用而传递的能量。,热量传递的本质：,无规则的分子热运动之间的能量转化。,功和热量都是过程量，而内能是,状态量，通过做功或传递热量的过程使,系统的状态（内能）发生变化。,热量的单位：国际单位：焦耳（,J,）,工程单位：卡,焦耳当量：,1,卡,=4.186,焦耳,功与热的等效性,：,作功或传递热量都可以改变热力学,系统的内能,二、热量和热容量,1,、热容量,(,thermal capacity),：,物体温度升高一度所需要吸收的热量。,单位：,2,、比热,(,specific heat),：,单位质量物质的热容量。,单位：,结论：系统所做的功在数值上等于p-V 3、热量(heat),二、热量和热容量,1,、热容量,(,thermal capacity),：,物体温度升高一度所需要吸收的热量。,单位：,2,、比热,(,specific heat),：,单位质量物质的热容量。,单位：,3,、摩尔热容,(Molar,specific heat),：,1,摩尔物质的热容量。,i,表示不同的过程,（,1,）定体摩尔热容：,1mol,理想气体在体积不变的状态下，,温度升高一度所需要吸收的热量。,（,2,）定压摩尔热容：,1mol,理想气体在压强不变的状态,下，温度升高一度所需要吸收的热量。,（,3,）,C,v,m,和,C,p,m,的关系,实验证明：,迈耶公式,摩尔热容比,（绝热系数）,令,实验证明：,二、热量和热容量1、热容量(thermal capacity,（,3,）,C,v,和,C,p,的关系,实验证明：,迈耶公式,摩尔热容比,（绝热系数）,令,实验证明：,C,V,m,C,p,m,单原子,He,Ar,5/3=1.67,3,R,/2,5,R,/2,双原子,H,2,O,2,7/5=1.4,5,R,/2,7,R,/2,多原子,H,2,O,CO,2,4/3=1.33,3,R,4,R,三、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,：,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：,其中,i,为自由度数：,单原子,i,=3,双原子,i,=5,多原子,i,=6,（3）Cv和Cp的关系实验证明：迈耶公式 摩尔热容比令,例9-4:3.,t ，冰点为 0,=p-V图上循环曲线所包围的面积,绝对零度：T=0 K,因为，气体的内能仅为状态函数，,3、一个循环过程中的吸热和放热,01325105Pa,(3)p不变，热量变为什么？氢的T、V各为多少？,810-3kg、压强为1.,与所经过的过程无关，可以在初、,它是一个状态量，只和始、末两位置,低 温 热 源 T2,9-3,热力学第一定律的应用,一、等体过程,(process at constant volume),V,热源,Q,d,A,=0,特征：,V,=,d,0,P-V,图：,p,V,V,0,O,根据热力学第一定律,等体过程,在等体过程中，系统吸收,的热量完全用来增加自身的内能：,因为，气体的内能仅为状态函数，,所以，,在任意的热力学过程中均适用。,理想气体的内能：,（理想气体）,例9-4:3.9-3 热力学第一定律的应用一、等体过程,根据热力学第一定律,等体过程,在等体过程中，系统吸收,的热量完全用来增加自身的内能：,因为，气体的内能仅为状态函数，,所以，,在任意的热力学过程中均适用。,理想气体的内能：,（理想气体）,二、等压过程,(process at constant pressure),特征：,气体在状态变化过程中压,强保持不变。,热源,P,Q,P-V,图：,p,V,V,1,V,2,p,O,根据热力学第一定律,根据热力学第一定律 等体过程在等体过程中，系统吸收因,二、等压过程,(process at constant pressure),特征：,气体在状态变化过程中压,强保持不变。,热源,P,Q,P-V,图：,p,V,V,1,V,2,p,O,根据热力学第一定律,三、等温过程,(process at constant temperature),特征：,气体在状态变化过程中温度,保持不变。,T,=,恒量，,d,E,=0,根据热力学第一定