《大学物理简明教程 上册 教学课件 ppt 作者 施卫 主编 第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理简明教程 上册 教学课件 ppt 作者 施卫 主编 第六章（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章 热力学基础,第一节 热力学第一定律 第二节 理想气体的等值过程 第三节 绝 热 过 程 第四节 循环过程 卡诺循环 第五节 热力学第二定律 第六节 熵,第一节 热力学第一定律,一、热力学过程 二、内能 功 热量 三、热力学第一定律,一、热力学过程,图6-1 准静态过程,二、内能 功 热量,1.内能 2.功 热量,1.内能,在上一章当中，我们从微观角度定义了系统的内能。系统的内能是系统内分子无规则运动所具有的动能和分子之间相互作用的势能的总和。对于理想气体，分子间相互作用力可以忽略，理想气体的内能仅是温度的单值函数。对于实际气体，当实际气体的压强较大时，气体的内能还包括分子间的势能，该势
2、能与气体的体积有关，所以一般地讲，实际气体的内能是状态的单值函数。,2.功 热量,实验证明，要改变一个热力学系统的状态，也即改变其内能，有两种方式：做功和热传递。例如一杯水，可以通过加热，即热传递的方法，从某一温度升高到另一温度；也可通过搅拌做功的方法，使该杯水的温度升高。两者虽然方式不同，但都能导致内能增加，这表明做功和热传递是等效的，因此，做功和热传递均可作为内能变化的量度。,三、热力学第一定律,根据能量转换与守恒定律，在系统状态发生变化的过程中，做功和热传递往往是同时存在的。假定系统从内能E1的状态变化到内能为E2的状态的某一过程中，外界对系统热传递的热量为Q，同时系统对外做功为A，根据
3、能量转换守衡定律有Q=(E2E1)+A 即系统从外界吸收的热量一部分使系统内能增加，另一部分用于对外做功。这就是热力学第一定律。显然，热力学第一定律是包含热现象在内的能量守恒与转换定律。,三、热力学第一定律,图6-2 气缸中气体膨胀时对外做功,第二节 理想气体的等值过程,一、等体过程 二、等压过程 三、等温过程,一、等体过程,等体过程可以这样实现：设封闭气缸内有一定质量的理想气体，活塞保持固定不动，把气缸连续地与一系列有微小温差的恒温热源相接触，让缸中气体经历一个准静态升温过程，同时压强增大，且体积不变。,一、等体过程,图6-4 等体过程,二、等压过程,设想装有一定质量的理想气体的封闭气缸，与
4、一系列有微小温差的恒温热源连续接触。接触过程中活塞上所加外力保持不变，接触结果，将有微小的热量传给气体，使气体温度升高，压强也随之较外界所施压强增加以微小量，于是推动活塞对外做功，体积随之膨胀。体积膨胀反过来使气体压强降低，从而保证气缸内外压强随时保持不变，系统经历一准静态等压过程。,二、等压过程,图6-5 等压过程,二、等压过程,表6-1 几种气体摩尔热容的理论值和实验值,三、等温过程,设想一气缸，其四壁和活塞是绝对不导热的，而底部绝对导热。今将汽缸底部与一恒温热源相接触，当活塞上的外界压强无限缓慢地降低时，缸内气体随之逐渐膨胀，对外做功，气体内能缓慢减少，温度随之微微降低。此时，由于缸底部
5、与恒温热源相接触，当气体温度比热源温度稍低时，就有微小的热量传给气体，使气体的温度维持原值不变，气体经历一个准静态等温过程。,三、等温过程,图6-6 等温过程,第三节 绝 热 过 程,一、绝热过程 二、绝热线与等温线,一、绝热过程,1.绝热过程方程 2.绝热过程的功和内能,一、绝热过程,图6-7 理想气体的绝热过程,1.绝热过程方程,2.绝热过程的功和内能,二、绝热线与等温线,图6-8 绝热线与等温线,第四节 循环过程 卡诺循环,一、循环过程 二、循环效率 三、卡诺循环,一、循环过程,图6-9 循环过程 a)正循环 b)逆循环,一、循环过程,图6-11 热机循环的示意图,二、循环效率,在热机循
6、环中，工作物质对外所做的功A与它吸收的热量Q的比值，称为热机效率或循环效率,三、卡诺循环,19世纪初，蒸汽机在工业上的应用越来越广泛，但当时蒸汽机的效率很低，只有3%5%左右。因此,如何提高热机的效率，成为当时科学家和工程师的重要课题。那时人们已经认识到，要使热机有效地工作，必须具备至少两个温度不同的热源，那么，在两个温度一定的热源之间工作的热机所能达到的最大效率是多少呢？1824年，年仅28岁的法国青年工程师卡诺发表了关于火力动力的见解这篇著名的论文，从理论上回答了上述问题。他提出一种理想的热机循环，证明了它的效率最大，从而指出了提高热机效率的途径。这种热机的工作物质只与两个恒温热源接触(即
7、温度恒定的高温热源和温度恒定的低温热源)并交换能量，不存在散热、漏气等因素，人们把这种理想热机称为卡诺热机，其循环过程为卡诺循环。卡诺的研究工作不仅指明了提高热机效率的途径，还为热力学第二定律的建立奠定了基础。,三、卡诺循环,图6-14 卡诺正循环热机 a)p-V图 b)工作示意图,三、卡诺循环,图6-15 卡诺逆循环制冷机 a)p-V图 b)工作示意图,第五节 热力学第二定律,一、可逆过程与不可逆过程 二、热力学第二定律 三、卡诺定理,一、可逆过程与不可逆过程,1.自然过程的方向性 2.可逆过程与不可逆过程,1.自然过程的方向性,1)热传导过程的方向性。 2)功热转换过程的方向性。 3)气体
8、自由膨胀过程的方向性。,图6-16 气体向真空自由膨胀,2.可逆过程与不可逆过程,从前面的讨论可知，自然界与热现象有关的所有宏观自然过程都具有方向性，为了进一步说明方向性的问题，我们引入可逆过程与不可逆过程的概念。 在系统状态变化的过程中，如果逆过程能重复正过程的每一状态，而且不引起其他变化，这样的过程称为可逆过程；反之，在不引起其他变化的情况下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽然重复但必然会引起其他变化，这样的过程称为不可逆过程。,二、热力学第二定律,1.开尔文表述 2.克劳修斯表述 3.两种表述的等效性,1.开尔文表述,在开尔文叙述中，“循环动作”、“单一热源”、“不引起其他变化”
9、是三个关键条件。应当指出，在等温膨胀过程中，系统从单一热源吸收热量全部用于对外做功，但在该过程中，体积膨胀了，即引起了其他变化，而且它不是循环动作的热机。而要使系统压缩回到原来的状态，必然要释放一部分热量给其他物体，故这一循环对外界产生了其他影响，与开尔文表述相矛盾。,2.克劳修斯表述,1850年，克劳修斯在大量事实的基础上提出了热力学第二定律的另一种表述：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。克劳修斯表述中，“自动地”是一个关键词，意思是，不需消耗外界能量，热量可直接从低温物体传向高温物体。但这是不可能的。从上一节的制冷机的分析中可以看到，要使热量从低温物体传到高温物体，靠自发的进行是不可
10、能的，必须依靠外界做功。克劳修斯的表述正是反映了热传递这种特殊规律，即热传导过程的方向性。,3.两种表述的等效性,图6-17 两种表述等效性的证明,三、卡诺定理,1)在相同的高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机，都具有相同的效率 2)在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆机的效率都不可能高于(实际上是小于)可逆机，即,第六节 熵,一、热力学第二定律的统计意义 二、熵,一、热力学第二定律的统计意义,图6-18 热力学第二定律的 统计意义,一、热力学第二定律的统计意义,表6-2 4个分子在A和B中的分布方式,二、熵,在热力学中，熵的引进可以把热力学第二定律表示为定量的形式，为了进一步介绍熵的概念，先介绍热力学概率的概念。 在热力学中，我们定义任一宏观态所包含的微观态数目为该宏观状态的热力学概率，用符号表示，由上面分析可知，对于孤立系统，在一定条件下值最大的状态就是平衡态，如果系统原来所处的宏观态的值不是最大，那么系统就是处于非平衡态，随着时间的推移，系统将向值增大的宏观态过渡，最后达到值为最大的平衡态。,
