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1、第第1111章章 热力学基础热力学基础风力发电 为了环境不受污染，也为解决一次性能源大量消耗终将导致枯竭的危险，人 们在不断的寻求新能源。目前全球风力发电装机容量已超过13932 MW 教学安排（1）内容热学、机械振动、机械波、波动光学、量子物理基础力学、狭义相对论、电磁学（2）答疑地点：中2-3218 （答疑室）时间：周一 周四 （晚上 7：300 10：00）（第二周开始）（3）作业（4）物理竞赛（大约在12周进行）一、热学的研究对象11.1 热力学的研究对象和研究方法热现象：与温度有关的物理现象.热 学：研究热现象的理论例如：（与温度有关的物理性质及状态的变化）气体的受热膨胀 物质的三态
2、变化金属零件的热处理（淬火、退火） 温 度：是热学中所引入的物理量.宏观-冷热程度微观-物质内部微观粒子热运动的剧烈程度与物质内部的微观粒子热运动有关的物理现象. 半导体器件的散热 二、热学的研究方法热现象：与温度有关的物理现象（宏观宏观量）宏观： P 随温度 T 的变化与微观粒子的热运动有关的物理现象（微观微观量）. 例如气体微观：x（实验）热学有两种研究方法, 并形成了对应的两个理论.气体模型 微观粒子 力学原理 统计平均 宏观方法(宏观理论) -热力学（通过观察、实验总结归纳）. 微观方法(微观理论) -统计物理学或统计力学.三、气体动理论(微观理论) 的基本观点1.分子的观点 （组成）
3、 2.热运动的观点（与温度相关）3.分子力的观点（电作用力）4.统计平均的观点（统计规律）由大量微观粒子所构成的系统遵循统计规律.11.2 平衡态与准静态过程理想气体状态方程热力学系统：热力学所研究的具体对象，简称系统. 热力学中的常见名词： 加热系统外界( 环境）：系统以外的部分。系统与外界有相互作用例如：热传递、作功、质量交换孤立系统：不受外界影响。绝热系统：与外界无热量交换。热力学系统都是由大量分子组成的系统（气、液、固）最简单的热力学系统是作功外界气体系统。一、气体的状态参量 1.状态参量:描述系统状态的物理量.2.气体的状态参量：( p,V,T )说明：几何参量 力学参量热学参量(
4、温度 T )热力学第零定律热平衡ABBTA TBTA1 = TB1ABC温度测量TA=TC TB=TC TA=TB温度计 测量方法Tmax=108K Tmin=2x10-8 K THEl=4K TNl=77K Tsunin=107K Tsuns=6000K接触式测温的依据温度测量（接触式）：温度计 测温物质+温标温标： 热力学温标、摄氏温标和华氏温标（欧美）温标：273.16K0.01 -32.02F-273.15 -459.67F0K(热力学温标、摄氏温标和华氏温标的对应关系) 水的三相点P =610.6 Pa相图相变系统二、平衡态 1.平衡态与状态参量 2.平衡态定义： 在不受外界影响的条
5、件下 ，系统各部分的宏观性质不再 随时间变化的状态。 平衡态是一种宏观效果，是一种热动平衡。说明：平衡态与外界影响的关系系统平衡态时系统各部分的宏观性质不一定相同外界影响孤立系统外界影响T2平衡态时系统内各不存在宏观量的流（可作为判据）（温度均匀）平衡态时的气体系统： T1 T1 T2若没有外场影响，则系统各部分性质均匀稳态三、准静态过程讨论：过程与平衡态1.热力学过程：1 2212.准静态过程：无限缓慢进行的过程是准静态过程,准静态过程是理想过程.4.实际过程的处理准静态过程过程进行时间 t 弛豫时间例如实际汽缸的压缩过程3.准静态过程的特点：可用状态参量的变化描述过程。中间状体是否是平衡态
6、？是否有可能？在过程进行的每一时刻，系统都无限地接 近平衡态，这样的过程称作准静态过程。系统从某状态开始经历一系列的中间 状态到达另一状态的过程，简称过程。=10 -310 -2s T ？四、理想气体的状态方程气体的状态方程理想气体的状态方程 混合气体的理想 气体的状态方程说明： 只适用于平衡态； 只与状态有关，与过程无关。 系统的一个平衡态可在( p,V )上可用一个点表示。 （p1,V1）pVpV 过程曲线（过程方程）等压过程方程：p = C (恒量)等容过程方程： V = C (恒量)Q 等温过程方程： T = C (恒量)或 pV = (恒量)T准静态过程1 2Qm五、 实际气体的状态
7、方程理想气体适用范围：温度不太低、压强不太大.范德瓦尔斯方程（1 mol ）：实际气体CO2的等温线 范德瓦耳斯等温线 （a,b是与气体有关的范德瓦尔斯修正量，由实验确定）pOV4813CBAAB48.1 31.1 2113p/105Pa液液汽共存气ACB73.246.5 2.17 10-3比容v/(m3/kg)汽31.05TCO2=31.05TH2O=401TN2=147.1511.3 功、热量、内能 热力学第一定律一. 功、热量、内能1.功与内能的关系F对系统作绝热功：AQ结论：若初末态一定，则绝热功相同。光滑12内能:系统中存在一种与热运动状态相关的能量内能。内能是系统状态的函数 即E(
8、状态)12122.热量与内能的关系T传递热量亦可以改变 热力学系统的状态热量是物体之间存在温差 时传递的内能说明： 内能是系统状态的单值函数，E=E（状态），是状态量。 功和热量是过程量，不属于任何系统。 功和热量的比较。 二、热力学第一定律对于无限小过程： （注意符号规定） 本质：能量守恒作功 传热121212相同, 不同 11.4 准静态过程中功和热量的计算一、准静态过程中功的计算S pV适合于任何的准静态过程12功是过程量，见图。V1V2 几何意义：二、准静态过程中热量的计算 Q = E2 E1 + A1. 摩尔热容：比热(c):摩尔热容( C ):摩尔热容是过程量与具体过程有关。例 ：
9、绝热过程、等温过程2. 定体和定压摩尔热容(CV、 Cp )3. 热量计算（一般情况下Cx，是温度的函数. ）若Cx与温度无关，则11.5 理想气体的内能和CV，CP 一、理想气体的内能 内能是状态的函数，函数的具体形式怎样？E(气体状态参量)焦耳实验（英国物理学家焦耳在1845年通过试验研究了这个问题） 1. 实验装置温度一样实验结果：膨胀前后温度 计的读数未变气体自由膨 胀过程中Q = E2 E1 + A焦耳定律理想气体分析：水 量 热 器说明： 焦耳实验室是在1845完成的。温度计的精度为：0.01 C水的热容比气体热容大的多，因而水的温度可能有 变化，由于温度计精度不够而未能测出。目前
10、温度计（铂电阻）的精度可达到：万分之一C的变化。通过改进实验或其它实验方法（焦耳汤姆孙实验）证实仅理想气体有上述结论。真实气体的内能与体积有关的微观解释：Epr0由于分子间存在相互作用力 ，存在有相互作用势能。绝热系统，气体自由膨胀 气体温度升高？下降？焦耳自由膨胀实验是非准静态过程。根据热力学第一定律，有解因为初、末两态是平衡态，所以有如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等 的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为 p0，右边一半为真空。 例求 把中间隔板抽去后，达到新平衡时气体的压强绝热过程自由膨胀过程讨论:真实气体.二、理想气体的摩尔热容和内能的计算E = E(气体状态参量)
11、 = E ( T )1. 理想气体定体和定压摩尔热容(CV、 Cp )（迈耶公式 ）为什么 ？ CpCV（比热容比 ）单原子分子：双原子刚性分子：2. 理想气体内能的计算11.6 热力学第一定律的应用（） （理想气体准静态过程）回顾：一、 等体过程（ V = C , ） 1.功：A = 0pVab2.吸收的热量：3.内能的增量：吸收的热量，全部用来增加系统的内能，使的温度上升。二、等压过程（p = C , ）SpVab1.功：2.吸收的热量：3.内能的增量：等压过程 吸收的热量，一部分用来对外作功，其余部分则用来增加其内能。 结论验证：？Q双曲线 S恒 温 热 源三、等温过程( T = C ,
12、 )pVab1.内能的增量：2.功：3.吸收的热量：等温膨胀过程中 ，理想气体吸收的热量全部用来对外作功 ；在等温压缩 中，外界对气体所的功，都转化为气体向外界放出的热量 总结：一、 等体过程（ V = C , ） A = 0二、等压过程（p = C , ）三、等温过程( T = C , )例1. 1 mol 氦气由状态 M(p1,V1) 沿图中的直线到 N(p2V2)。 M(p1,V1)N(p2V2)p求：（1）过程方程；（2）E=?, A=?,Q=?（3）求此过程的摩尔热容。V解（1）（2）（3）求此过程的摩尔热容：理想气体内能的计算PVT1T21211.7热力学第一定律的应用（）(绝热过
13、程)一、绝热过程( Q = 0 , dQ = 0 )系统在绝热过程中始终 不与外界交换热量.良好绝热材料包围的系统发生的过程进行得较快(仍是准静态)而来不及和外界交换热量的过程 1. 过程方程 无限小的准静态绝热过程 微分泊松方程 RCV2. 过程曲线pVA微分绝热线等温线3. 绝热过程中功和热量的计算绝热过程中 ，理想气体不吸收的热量，系统减少内能，对外作功 。 一定量氮气，其初始温度为300K，压强为1atm。将其绝热 压缩，使其体积变为初始体积的 。试求压缩后的压强和 温度。解：分析：p、V 的关系 T、V 的关系 例：测定空气比热容比 = Cp / CV 的实验装置如图所示 。先关闭活
14、塞B，将空气由活塞 A 压入大瓶 C 中，并 使瓶中气体的初温与室温T0相同，初压 p1略高于大气 压 p0；关闭活塞 A，然后打开活塞 B，待气体膨胀到 压强与大气压平衡后，迅速关闭 B，此时瓶内气体温 度已略有降低。待瓶内气体温度重新与室温平衡时， 压强变为p2。把空气视为理想气体，试证明空气的 可以从下式算出例AB分 析： C(p2,V,T0) (p1,V1,T0) (p0,V,T ) 绝 热 等 体解 ABC(p2,V,T0) (p1,V1,T0) (p0,V,T ) 绝热等体二、多方过程1. 多方过程功的计算(n 多方指数)n = 1等温过程 n = 绝热过绝热过 程n = 0等压过程n = 等体过过程2. 多方过程内能增量的计算3. 多方过程热量的计算例 指出图中各多方过程摩尔热容的范围。解 (1) 0 0=00dQ 0pVA绝热线等温线pVv 摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的热力学过程,试求在该过程中的摩尔热容。分析：例：解：
