大学物理3剖析

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1、第三章 热力学基础,热力学是以物质的热现象为研究对象的理论，是物理学的一个分支学科。,宏观方法：把系统看成一个整体，从基本的热力学定律（这些定律是从观察、实验中总结出来的）出发，通过严密的逻辑推理的方法研究系统的各种宏观性质及其变化规律热力学。,微观方法：依据微观粒子热运动所满足的力学定律，通过统计的方法研究系统的宏观性质，并揭示各种热现象的本质统计物理学。,3 1 理想气体的状态方程 准静态过程,1. 热力学系统,一、热力学系统的状态参量,把热力学研究的对象视为一个系统，称为热力学系统，而系统以外的部分则称为外界。,根据系统与外界的关系可以将系统分为不同的类型： （1）开放系统：能够与外界进

2、行物质及能量交换的系统。 （2）封闭系统：与外界仅有能量交换无物质交换的系统。 （3）孤立系统: 与外界无任何相互作用（即无能量交换也无物质交换）的系统。,2. 状态参量,（1） 状态参量：描述热力学系统平衡态的宏观性质的物理量。,例：P、T、V、E、S .,（2） 气体的状态参量：压强(P)、体积(V)、温度(T),压强(P)：作用于容器壁上单位面积的力。,体积(V)：分子热运动所能达到的空间，即容器体积。,单位：帕斯卡（Pa）、大气压（atm）,单位：立方米（m3）、升（L）,温度(T)：是物体的冷热程度的量度，温度的本质与物质分子的无规则运动有关，是热学所特有的物理量。在SI中，温度的单

3、位为开，符号是K。,温标：温度的定量表示。,摄氏温标：t（0C）,热力学温标：T（K）,二. 平衡态,（1）这种平衡态是宏观意义上的平衡态，在微观上，大量的微观粒子仍在不停的做着无规则的热运动，因此，平衡态也称“热动平衡态”。 （2）一个与外界有相互作用的系统，在外界的影响保持不变的条件下经历了适当的时间后，其宏观性质也将稳定不变。 （3）平衡态是一个理想概念，因为一个真实的热力学系统不可能完全与外界无关。在具体问题中，只要系统的状态相对稳定，就可以近似地按平衡态来处理。,一个孤立系统的宏观性质不随时间变化的状态一平衡态。,三. 理想气体状态方程,1. 理想气体：,一般气体在温度不太低、压强不

4、太大时，都可近似看成理想气体。,2. 理想气体状态方程：一定质量的理想气体，处于任一个平衡态时，它的状态参量和质量m之间的关系式为,摩尔气体常量,是摩尔质量,四准静态过程,1热力学过程：,2. 准静态过程：,系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程,系统的热力学过程进行得无限缓慢，以致于每一个中间状态都可视为平衡态,一个点：表示一个平衡态 一条曲线：表示一个准静态过程,3-2 热力学第一定律,1. 内能,一个物质系统，由其内部运动状态决定的能量，称为内能。 理想气体的内能是气体内所有分子的动能和分子内原子之间相互作用的势能之和。 系统的内能仅是系统状态的单质函数，当系统的状态一定时，其内能也是

5、一定的；当系统的状态变化时，系统内能的增量只与系统始、末两状态的内能有关，与过程无关。,用E表示系统的内能。,一. 内能 功 热量,内能是状态量：,实际气体：,理想气体：,内能是温度的单值函数：,内能指与微观热运动有关的能量，不包括系统整体的机械能。,2气体系统做功,做功的概念：做功是系统与外界进行能量交换，从而使系统的状态发生改变的一种形式。,功的计算,3热量,热传递的概念：热传递是系统与外界进行能量交换，从而使系统的状态发生改变的另一种形式。,热量：系统通过只热传递过程与外界交换的能量，即,（无功过程）,热量与过程有关。,做功与热传递：做功使宏观运动（分子有规运动）的能量与微观粒子的热运动

6、（分子无规运动）的能量相互转换；热传递使系统内、外微观粒子的热运动的能量的能量相互转换。,二. 热力学第一定律,内容：在系统变化的过程中，系统所吸收的热量，等于该过程中系统内能的增量和系统对外界作功的和。,无限小过程：,E1,3 3 理想气体的等值过程 绝热过程,研究理想气体状态变化的理论依据是：,1、热力学第一定律,2、 理想气体状态方程,一、等体过程,1、等体过程: 体积保持不变。 状态方程： 常数 热力学第一定律 表示为： p-V图像为,定义：定容摩尔热容,质量为m、摩尔质量为M的理想气体，经等体过程从温度为 的状态变化到温度为 的状态，需要吸收的热量为,对无限小的微等体过程，则有,1m

7、ol气体经等体过程，温度变化1K所吸收或放出的热量称为该气体的摩尔定容热容。用 表示，单位：,二等压过程：气体的压强保持不变,状态方程: 常数 气体对外作功 热力学第一定律表示为 p-V图像为,定义： 定压摩尔热容,质量为m、摩尔质量为M的理想气体，经等压过程从温度为 的状态变化到温度为 的状态，需要吸收的热量为,1mol理想气体经等压过程温度变化1K所吸收或放出的热量为摩尔定压热容。用 符号表示。单位：,三、等温过程,状态方程：,热力学第一定律变成,气体从状态（ ）等温膨胀到状态（ ），理想气体系统做功为：,或,四绝热过程,绝热过程是系统与外界不发生热量交换的过程。,状态方程,1. 绝热过程

8、的热力学第一定律表示为：,所以绝热过程中理想气体所作的功为,或,由于,绝热线与等温线,3-4 循环过程 卡诺循环,一循环过程,系统由某一状态出发，经过一系列变化过程后又回到原来的状态，这样的过程称为循环过程：,二热机与致冷机,1热机循环及其效率,热机：利用工作物质的循环过程把热转变成功的装置。,要使热不断地转变成功，只能通过循环过程。,热机循环为正循环（顺时针）。,热机的效率,2致冷机及其致冷系数,致冷机：利用工质的循环过程，使热量从低温热源向高温热源传递的装置。,要把热量从低温热源传给高温热源，只能通过循环过程。,致冷循环为负循环（逆时针）。,致冷机的致冷系数,1. 卡诺循环：由两个等温过程

9、和两个绝热过程组成:,三. 卡诺循环及其效率,2. 卡诺热机的效率,结论： 1）只与T1和T2有关，而与工质无关 2）=1-T2/T1100%,3. 卡诺致冷机的致冷系数,结论：,2）,1）只与T1和T2有关，而与工质无关,萨迪-卡诺（Sadi Carnot）, 17961832, 法国物理学家。1824年，他（28岁）创立理想热机理论，“卡诺热机”、“卡诺循环”和“卡诺定理”，已是大家所熟悉的科学名词。但卡诺的理论在创立后长期未能得到应有的重视。,35热力学第二定律 卡诺定理,一、自发过程的方向性及其限度,在没有外界的帮助下自动发生的过程称为自发过程。,自发过程具有确定的方向性,2. 自发过

10、程的进行是有一定的限度的,二. 热力学第二定律的两种表述,1. 开尔文表达,不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功，而不放出热量给其他物体，或者说不产生其它影响。,理解“不产生其影响”的含义,单热源热机（第二类永动机）是不可能制成的,实际热机最少要有两个高低温热源（T1，T2）， 热机的效率100%,表明了热功转化的不可逆性,2. 克劳修斯表达,不可能把热量从低温物体传向高温物体而不产生其它影响,理解“不产生其影响”的含义,要使热量从低温物体传给高温物体，必须有外界 做功。即致冷机的致冷系数不可能无限大。,表明了热量传递的不可逆性,二. 两种表述的等效性,1. 如果开尔文表述不成立，则克

11、劳修斯表述也不成立,B,2. 如果克劳修斯表述不成立，则开尔文表述也不成立,克劳修斯（Ruelolf Clausius,1822-1888）,三. 可逆过程和不可逆过程,1可逆过程与不可逆过程,如果逆过程能重复正过程的每一过程，而且不引起其它变化，这样的过程称为可逆过程。,在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽然能重复正过程的每一状态，但必然会引起其他变化，这样的过程称为不可逆过程。,2自然过程的不可逆性,例：,1）热功转换是不可逆的。,2）热传递是不可逆的。,3）气体绝热自由膨胀是不可逆的。,结论：,大量事实表明：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，热力学

12、第二定律的实质在于揭示了自然过程的不可逆性。 只有无耗散的准静态过程才是可逆过程。,四.卡诺定理,1）在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切可逆机，不论用什么工作物质，效率相等。,2）在相同的高温热源与相同的低温热源之间工作的一切不可逆机的效率小于可逆机的效率。,1.卡诺定理,四能源问题,热力学第一定律：第一类永动机不存在：,热力学第二定律：第二类永动机不存在：,3 6 熵 熵增加原理,一、 熵,1、卡诺定理,（1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关。,（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都不可能大于可

13、逆热机的效率。,2、分别描述可逆循环和不可逆循环特征的表达式。,在卡诺中，系统热温比的综合总是小于或等于零。,任意循环过程可看成一系列微小卡诺循环组成,3、熵的定义,热温比的积分只取决于初、末状态，与过程无关,微小过程,1、熵是热力学系统的态函数,2、某一状态的熵值只有相对意义,3、系统熵变只取决于始态和末态,引入新的态函数熵，用S表示,4、熵值具有可加性,说明,二、熵增加原理,注意： 熵增加是指孤立系统的所有物体的熵之和的增加 孤立系统内个别物体，熵也可能减少。,孤立系统中的可逆过程，其熵不变； 孤立系统中的不可逆过程，其熵要增加。,3 7 开放系统与耗散结构,一、开放系统的熵变,开放系统的

14、熵变有两部分构成：,是系统自身在进行不可逆过程中所产生的熵，它横大于零,表示外界与系统交换能量是所引起的熵流，可正、可负。,负熵的意义：熵是一个系统中大量分子运动的无序程度的量度，熵越大，越无序。因此，对开放系统而言，如果通过与外界进行物质或能量的交换引入了负熵流，则系统就有可能进入更加有序的状态，并有可能出现新的有序结构。,二、自组织现象,一个系统内部由无序变为有序使其中大量分子按一定的规律运动的现象。,1、贝纳德对流花样,有热传递，整个液体仍保持静止,热传导变为热对流,3、B-Z反应,2、激光现象,铈离子催化下柠檬酸的溴酸氧化反应,激光器泵浦功率低于某一临界值，发出的光的频率、相位和振动方

15、向都是无规则的。,激光器泵浦功率超过某一临界值，发出同频率、同相位和同振动方向的光。,铈离子催化下丙二酸的溴酸氧化反应,控制反应物和生成物的浓度,出现化学振荡,混合物颜色周期性地在黄色和白色中变化,混合物颜色周期性地在红色和蓝色中变化,平衡结构,二、平衡结构与耗散结构,系统可以与环境不进行能量或物质交换就能维持有序,自组织系统的组织行为是自发的， 即获得的有序结构和功能并非外界强加给系统的。,两类稳定的有序化宏观体系结构：,耗散结构,系统必须与外界环境不断交换物质和能量（即不断“耗散”能量）才能维持有序,说明：,1. 平衡结构是一种“死”的结构，其维持不依赖外界。,2. 耗散结构是“活”结构，其内部不断产生熵， 就要从外界引入负熵流。,三、耗散结构,定义：在非平衡条件下通过能量耗散过程产生和维持的时间和空间的有序结构，成为耗散结构。,耗散结构的特征归纳为五点：,1、耗散结构发生在开放系统中，它要靠外界不断地提供能量或物质才能维持。,2、只有当控制参量达到一定临界值时，耗散结构才会出现。,3、它具有时间或空间的结构，其对称性低于耗散结构发生前的时空均匀状态。,4、耗散结构是稳定的，它不受任何小扰动的破坏。,5、耗散结构是一种非线性现象,