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1、 P.2/69 热力学基础 * 基本要求： （1）掌握气体系统的状态参量，理解平衡态、 准静态过程的概念 （2）熟练掌握理想气体状态方程。 P.3/69 热力学基础 * （3）掌握内能、功、热量和摩尔热容的概念 （4）掌握热力学第一定律及其在等值过程中的 应用 （5）掌握循环过程及卡诺循环、循环效率的计 算 P.4/69 热力学基础 * 前言： 热力学研究对象：物质的热运动 （另一种运动形式） 热运动：（固体、液体、气体）大量微粒 （原子，分子等）不停地无规则运动 研究对象（系统）的复杂性： 大量微粒1023；速度102103ms-1；线 度10-10m；质量10-26kg；每秒碰撞次 数10
2、9 P.5/69 热力学基础 * 研究方法（气体）： 1、能量观点出发，以实验方 法研究热现象的宏观规律（ 热力学） 2、应用统计方法（大量无规律运动微粒的 集体行为）研究其微观本质（气体动理论 ） P.6/69 热力学基础 * 热力学中的几个基本概念和重 要物理量 1、热力学系统：研究的对象 孤立系统：不受外界任何影响的系统 开放系统：与外界有能量等交换的系统 2、热力学过程：系统从一个平衡态到另 一个平衡态的变化过程 平衡（准静态）过程：过程的中间 状态都可以看作平衡状态 P.7/69 热力学基础 * 图上可用一条曲线表 示过程曲线 准静态过程是理想过程 3、热力学的几个重要物理量 （1）
3、功（体积变化所作的功） 图上过程曲线 下所包围的面积 功是过程量不是状态量 P.8/69 热力学基础 * （2）热量：系统与外界由于 温差而传递的能量 热量传递与过程有关，也是过程量 （3）内能：系统内部的能量 是描述系统状态的一个物理量（系统内所 有分子热运动的能量） 复习：热量 热容 内能是状态量，内能的变化（增量） 与经历过程无关 P.9/69 热力学基础 * 第9章 热力学基础 大量实验规律的总结 理论基础是热力学第一定律、热力学第二定律 热力学 热学热学 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 P.10/69 热力学
4、基础 * 9-1 热力学系统 平衡态 准静态过程 一、气体的状态参量一、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 1. 体积(volume) V ：气体分子自由活动的空间气体分子自由活动的空间 国际单位：国际单位： m3(米3 ) 当气体分子大小不当气体分子大小不 计时，气体体积等于计时，气体体积等于 容器的容积。容器的容积。 P.11/69 热力学基础 * 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：国际单位：Pa (帕斯卡) Pa = Nm-2 1标准大气压 = 1.01325105Pa 1工程
5、大气压 = 9.80665104Pa 3. 温度(temperature) T ：表征热平衡状态下系统的宏表征热平衡状态下系统的宏 观性质观性质 摄氏温标：摄氏温标： t 冰点为 0 热力学热力学( (开氏开氏) )温标：温标： T K 冰点为 273.15K 绝对零度：T = 0 K 温标 温度的数值表示法。 水三相点(气态、液态、固态的共存状态)273.16 K P.12/69 热力学基础 * 热平衡热平衡 (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。 热力学第零定律热力学第零定律 (Zeroth law o
6、f 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。 4. 热力学第零定律测温原理 A A B B C C A A B B C C P.13/69 热力学基础 * 二、平衡态二、平衡态 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。 热动平衡 P.14/69 热力学基础 * 三、准静态过程三、准静态过程 1. 热力学过程 (thermodynamic process
7、)：热力学系 统的状态随时间发生变化的过程。 p p 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。 慢 ?!理想过程！ (pB,VB,TB ) (pA,VA,TA) p V O 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.15/69 热力学基础 * 9-2 9-2 理想气体的状态方程 状态参量之间的关系状态参量之间的关系 (质量不变) 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“ “玻玻- -马定律马定律” ”、 “ “
8、 盖盖- -吕定律吕定律” ”以及以及“ “查理定律查理定律” ”的气体。的气体。 m气体的总质量 M气体的摩尔质量 P.16/69 热力学基础 * 理想气体状态方程理想气体状态方程(status equation of idea gas)： 令：令： R R 称为称为“ “摩尔气体常量摩尔气体常量 ” ” 代入： P.17/69 热力学基础 * 9-3 9-3 热力学第一定律 内能 功 热量 一、内能一、内能 (internal energy) 内能：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. 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、 P.18/69 热力学基础 * 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 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 P.19/69 热力学基础 * 二、功与二、功与热热热热 1. 功 (work) W (pB,VB,TB) (pA,VA,TA) p V O dlV1V2 dl 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。 P.20/69 热力学基础 * 2. 热量(heat) Q: 系统之间由于热相互作用而传递的能 量。 焦耳
10、用于测定热功当量的 实验装置 注意：注意：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。 P.21/69 热力学基础 * 改变热力学系统内能的途径之一是作功W 改变热力学系统内能的途径之二是传递热量Q 功与热的等效性 P.22/69 热力学基础 * 小结 (1) 在改变系统的内能上,作功与传递热量 的具有等效性; 热功当量：1卡 = 4.186 焦耳 (2)区别: 作功是通过物体作宏观位移来完成;而传递 热量是通过分子间的相互作用来完成. P.23/69 热力学基础 * 三、热力学第一定律三、热力学第一定律(First law of ther
11、modynamics) 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： ？ 微小过程 一个系统从外界吸收的热量等于系统自身内能 的增加加上系统对外所做的功之和 P.24/69 热力学基础 * 系统吸热 系统放热 系统对外作功 外界对系统作功 系统内能增加 系统内能减少 P.25/69 热力学基础 * 四、热量和热容量四、热量和热容量 热容量(thermal capacity)：物体温度升高一度所需要 吸收的热量。 比热(specific heat)：单位质量物质热容量。 单位： 单位： 摩尔热容(Mo
12、lar specific heat)：1摩尔物质的热容量。 i 表示不同的过程 P.26/69 热力学基础 * 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。 等体过程: 定体摩尔热容 1mol气体等体过程中内能变化公式 mol气体等体过程中内能变化公式 P.27/69 热力学基础 * 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。 吸收热量 内能增量 系统对外做功 P.28/69 热力学基础 * 迈耶公式： 摩尔热容比： 与定压过程多 吸收的热有关 C V,m Cp,m 单原子He, Ar5/3=1.673R/25R
13、/2 双原子H2,O27/5=1.45R/27R/2 多原子H2O,CO24/3=1.333R4R 实验证明： P.29/69 热力学基础 * 总结 (1) 内能是系统内部的总能量，系统内部的分子在不 停地运动，分子热运动包括分子的平动、转动和振动 等，分于热运动动能就是这些运动动能的总和。它不 包括系统作为整体时的机械能(动能和势能)，但如果 系统内部还有电磁的、化学的、原子能等其他形式的 能量及其变化，那么系统购内能应包括它们。 P.30/69 热力学基础 * (2) 对于理想气体来说，由于不考虑分子力，所以 它的内能就等于分子无规则运动动能的总和。 （3）每个系统在一定的状态下，它的内能
14、只有 一个置值，例如一定质量的气体在任一给定状态 时(状态参量入P、V、T为一确定量值)，相应的 内能有一确定量范。所以说内能是状态的单值函 数。 P.31/69 热力学基础 * Q 结论：在等体过程中，系统吸收的热量完全用来增 加自身的内能。 9-3 热力学第一定律的应用 一、等体一、等体过过过过程程 (process at constant volume) 等体过程: 气体在状态变化过程中体积保持不变。 p VV0O P.32/69 热力学基础 * V= 恒量 ， dV= 0， 等体过程的热力学第一定律: 吸收热量： 系统内能增量： P.33/69 热力学基础 * 等压过程:气体在状态变化
15、过程中压强保持不变。 p= 恒量 ， dp= 0 p p Q 二、等二、等压过压过压过压过 程程 (process at constant pressure) p VV1V2 p O P.34/69 热力学基础 * 等压过程系统的吸热： 等压过程系统内能的增量： 等压过程系统作功： P.35/69 热力学基础 * 等温过程:气体在状态变化过程中温度保持不变。 T = 恒量，dE =0 等压过程的热力学第一定律: Q = A 三、等温三、等温过过过过程程 (process at constant temperature) p p Q p V1V2VO P.36/69 热力学基础 * 等温过程系统
16、内能的增量： 等温过程系统作功和吸热： P.37/69 热力学基础 * 例例9-9-1 1 将500J的热量传给标准状态下的2mol氢。 (1) V不变，热量变为什么？氢的温度为多少？ (2) T不变，热量变为什么？氢的p、V各为多少？ (3) p不变，热量变为什么？氢的T、V各为多少？ 解：(1) V不变， Q = E，热量转变为内能 P.38/69 热力学基础 * (2) T不变， Q = W，热量转变为功 P.39/69 热力学基础 * (3) p不变， Q = W+ E，热量转变为功和内能 P.40/69 热力学基础 * 例例9-2: 9-2: 质量为2.810-3kg、压强为1.013105Pa、温度 为27的氮气, 先在体积不变的情况下使其压强增至 3.039105Pa, 再经等温膨胀使压强降至1.013105Pa , 然 后又在等压过程中将体积压缩一半。试求氮气在全部过 程中的内能变化，所作的功以及吸收的热量，并画出p- V图。 解：
