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1、每学期、每章首页上次课的主要内容上章主要公式归纳第九章热力学研究的是本章内容、重点与难点热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律自然过程的方向性自然过程的方向性热力学第一定律对理想气体的应用热力学第一定律对理想气体的应用第一节一、热力学系统孤立系统孤立系统: :与外界既无能量交换又无质量交换的系统与外界既无能量交换又无质量交换的系统. .封闭系统封闭系统: :与外界有能量交换但没有质量交换的系统与外界有能量交换但没有质量交换的系统. .开放系统开放系统: :与外界既有能量交换又有质量交换的系统与外界既有能量交换又有质量交换的系统. .二、平衡态和准静态过程平衡态是一种动态平衡，
2、系统内的粒子仍在作不停息平衡态是一种动态平衡，系统内的粒子仍在作不停息的无的无规则运动，只是其总体平均效果不随时间改变。规则运动，只是其总体平均效果不随时间改变。准静态过程的图示 平衡态平衡态 平衡态平衡态 从一个实验中，引出准静态过程的概念从一个实验中，引出准静态过程的概念 .气体气体活塞活塞沙子沙子2、准静态过程 从一个实验中，引出准静态过程的概念从一个实验中，引出准静态过程的概念 .气体气体活塞活塞沙子沙子续 从一个实验中，引出准静态过程的概念从一个实验中，引出准静态过程的概念 .气体气体活塞活塞沙子沙子续准静态过程在图上 当一个过程进行得当一个过程进行得充分充分缓慢缓慢的状况下，过程中
3、的每的状况下，过程中的每一个状态都可以一个状态都可以近似近似地看作地看作平衡态平衡态。这样的过程称为。这样的过程称为准准静态过程静态过程。准准静态过程静态过程平衡态平衡态平衡态平衡态回顾例如：理想气体例如：理想气体 其状态方程为其状态方程为等等体体过过程程等等压过程压过程等等过过温温程程等温过程等温过程等等体体过过程程等等压压程程过过常量常量常量常量常量常量第二节引言气体压强气体压强活塞面积活塞面积气体系统体积变化过程所气体系统体积变化过程所做的功（称为做的功（称为体积功体积功）微过程做的微功微过程做的微功一、做功做功气体系统体积变化过程所气体系统体积变化过程所做的功（称为做的功（称为体积功体
4、积功）微过程做的微功微过程做的微功续做功与与过过程程有有关关沿沿 a c b 过程的功过程的功沿沿 a d b 过程的功过程的功系统通过体积变化实现作功。系统通过体积变化实现作功。体积功是与系统始末状态和过程都有关的体积功是与系统始末状态和过程都有关的过程量过程量。系统的宏观有序机械运动与系统的宏观有序机械运动与系统内大量分子无规热运动系统内大量分子无规热运动的相互转化过程。的相互转化过程。做功是做功是作功通过物体宏观位移来完成。作功通过物体宏观位移来完成。例功值比较abab二、传热近似的近似的定体定体比喻比喻近似的近似的定压定压比喻比喻相同物质分子在不同的过程相同物质分子在不同的过程 ( 等
5、体等体或或等压等压 ) 中中, 升高同样的温度升高同样的温度 所吸收的热量也会有所不同所吸收的热量也会有所不同.不同物质分子在相同的过程不同物质分子在相同的过程 ( 等体等体或或等压等压 ) 中中, 升高同样的温度升高同样的温度 所吸收的热量会有所不同所吸收的热量会有所不同.外外界界传热通过分子相互作用来完成。传热通过分子相互作用来完成。运动的相互转化过程。运动的相互转化过程。是外界与系统间物质分子无规热是外界与系统间物质分子无规热三、热量与热容外外界界吸收热量吸收热量 D DQ Q温度升高温度升高 D DT T热容热容是在是在一定的过程一定的过程中中, 温度温度升高（或降低）升高（或降低）1
6、K , ,系统吸收（或放出）的热量。系统吸收（或放出）的热量。热量热量是系统与外界由于温度不同而传递的能量。是系统与外界由于温度不同而传递的能量。吸收热量吸收热量 D DQ Q温度升高温度升高 D DT T热容热容吸收热量吸收热量 D DQ Q温度升高温度升高 D DT T摩尔热容摩尔热容 ( 1mol 物质的热容物质的热容 )热量热量和和热容热容都是都是过程量过程量，与过程有关。，与过程有关。摩尔热容1mol1mol 物质，温度升高（或降低）物质，温度升高（或降低）1K , ,系统吸收（或放出）的热量系统吸收（或放出）的热量: : mol 物质物质, 温度从温度从 T T1 1 变到变到 T
7、 T2 2 , ,系统系统与外界交换的热量与外界交换的热量:压压 强强 不不 变变1mol1mol 物质，温度升高（或降低）物质，温度升高（或降低）1K , ,系统吸收（或放出）的热量系统吸收（或放出）的热量: : mol 物质物质, 温度从温度从 T T1 1 变到变到 T T2 2 , ,系统系统与外界交换的热量与外界交换的热量:体体 积积 不不 变变四、内能内内 能能 是是 状状态量态量，是状态参量是状态参量 的单值函数。的单值函数。刚性分子理想气体的内能刚性分子理想气体的内能某某理想气体系统理想气体系统内能的变化内能的变化只由只由 始、末状态的温度变化始、末状态的温度变化 来决定，与来
8、决定，与过程无关。过程无关。内能、功、热量对比表内能内能 功功 热量热量 的国际标准单位都是的国际标准单位都是 焦耳焦耳 （ J J ） 内能内能热量热量功功过程量过程量理想气体的内能是构成系统的理想气体的内能是构成系统的全部分子的平均动能之和。全部分子的平均动能之和。是外界与系统间物质分子无规热是外界与系统间物质分子无规热运动的相互转化过程。运动的相互转化过程。状态量状态量过程量过程量是系统的宏观有序机械运动与是系统的宏观有序机械运动与系统内大量分子无规热运动的相互系统内大量分子无规热运动的相互转化过程。转化过程。做功通过物体宏观位移来完成。做功通过物体宏观位移来完成。传热通过分子相互作用来
9、完成。传热通过分子相互作用来完成。五、热力学第一定律续归纳定性判断在解题中，可应用在解题中，可应用 pVpV 图图 得出一些得出一些重要的定性结论重要的定性结论温度温度等温线过程过程等体升压升温等体升压升温等温膨胀降压等温膨胀降压等等压压缩降温压压缩降温内能增减、热量内能增减、热量吸放吸放升温升温等体等体吸热吸热等温等温膨胀膨胀吸热吸热压缩压缩降温降温放热放热功功膨胀，膨胀，A系统对外界作功系统对外界作功压缩，压缩，A外界对系统作功外界对系统作功例例例例本次课小结完又一次课上次课的主要内容第三节等值概念理想气体的状态方程理想气体的状态方程理想气体的内能增量理想气体的内能增量应用热力学第一定律应
10、用热力学第一定律 定量分析定量分析 理想气体的理想气体的等体过程等体升压过程所吸收的热量等体升压过程所吸收的热量 全部用于增加系统的内能全部用于增加系统的内能理想气体的内能增量理想气体的内能增量理想气体的状态方程理想气体的状态方程过程方程过程方程常量常量体积体积 V 不变不变即为即为定体摩尔热容定体摩尔热容其中其中等压过程等压膨胀过程所吸收的热量等压膨胀过程所吸收的热量一部分用于增加系统的内能一部分用于增加系统的内能一部分用于对外界做功一部分用于对外界做功常量常量过程方程过程方程理想气体的状态方程理想气体的状态方程压强压强 p 不变不变理想气体的内能增量理想气体的内能增量得：得：称为定压摩尔热
11、容称为定压摩尔热容例定体、定压摩尔热容算式热容热容和和热量一样热量一样都是都是过程量过程量，与过程有关。，与过程有关。摩尔热容摩尔热容 （1mol 物质的热容物质的热容）注意：摩尔气体常量注意：摩尔气体常量 R 的单位和摩尔热容的一样的单位和摩尔热容的一样例例等温过程理想气体的状态方程理想气体的状态方程常量常量过程方程过程方程等温过程气体吸收的热量全部转化为对外作功。等温过程气体吸收的热量全部转化为对外作功。理想气体的内能增量理想气体的内能增量例在绝热过程中，在绝热过程中，全靠消耗系统自身的内能对外作功全靠消耗系统自身的内能对外作功系统不与外界交换热量系统不与外界交换热量理想气体的内能增量理想
12、气体的内能增量理想气体的状态方程理想气体的状态方程绝热过程绝热过程方程绝热过程方程绝热过程方程 为为在绝热过程中在绝热过程中都变化，因此有都变化，因此有由于理想气体的状态方程为由于理想气体的状态方程为，可以证明，可以证明，又有又有 与与等温线等温线等温等温常量常量除除 共同因素外，还因消耗内能共同因素外，还因消耗内能， ，等温膨胀等温膨胀绝热膨胀绝热膨胀 不变，导致不变，导致 的因素只是的因素只是使使绝热线较陡的物理解释：绝热线较陡的物理解释：即即绝热线绝热线绝热绝热常量常量绝热线等温线比较四过程归纳表例例本次课小结第四节一、循环过程 系统从某一状态出发经历系统从某一状态出发经历一系列变化后又
13、回到了原态的整个变化过程。一系列变化后又回到了原态的整个变化过程。循环过程循环过程内能变化内能变化准静态循环过程准静态循环过程循环曲线包围面积循环曲线包围面积代表系统作的净功代表系统作的净功净净顺时针顺时针 正循环正循环 热机热机净净系统对外作正功系统对外作正功逆时针逆时针 逆循环逆循环 致冷机致冷机净净外界对系统作功外界对系统作功净循环的功与热吸热膨胀吸热膨胀吸收热量吸收热量对外作功对外作功放热压缩放热压缩放出热量放出热量外界作功外界作功绝对值吸收的吸收的净热净热量量对外作的对外作的净功净功循环过程循环过程净净则则循环中能流高温热源高温热源低温热源低温热源热机效率热机的循环效率热机的循环效率
14、例回顾热机效率热机的循环效率热机的循环效率卡诺 蒸蒸汽汽机机发发明明的的初初期期，效效率率很很低低（约约4%4%）。法法国国青青年年工工程程师师卡卡诺诺不不像像别别人人那那样样着着眼眼于于机机械械细细节节的的改改良良，而而是是从从理理论论上上对对理理想想热热机机的的工工作作原原理理去去研研究究，提提出出了了一一种种理理想想的的由由两两个个等等温温及及两两个个绝绝热热过过程构成的循环程构成的循环 卡诺循环。卡诺循环。可见，循环过程不同，工可见，循环过程不同，工质质不同都会导致效率不同。不同都会导致效率不同。到底怎样的循环过程才可得到最高的效率？到底怎样的循环过程才可得到最高的效率？完又一次课上次
15、课的重要内容例回顾热机效率热机的循环效率热机的循环效率卡诺 蒸蒸汽汽机机发发明明的的初初期期，效效率率很很低低（约约4%4%）。法法国国青青年年工工程程师师卡卡诺诺不不像像别别人人那那样样着着眼眼于于机机械械细细节节的的改改良良，而而是是从从理理论论上上对对理理想想热热机机的的工工作作原原理理去去研研究究，提提出出了了一一种种理理想想的的由由两两个个等等温温及及两两个个绝绝热热过过程构成的循环程构成的循环 卡诺循环。卡诺循环。可见，循环过程不同，工可见，循环过程不同，工质质不同都会导致效率不同。不同都会导致效率不同。到底怎样的循环过程才可得到最高的效率？到底怎样的循环过程才可得到最高的效率？二
16、、卡诺循环高温热源高温热源低温热源低温热源 两个等温两个等温 两个绝热两个绝热 过程构成的一种过程构成的一种理想循环理想循环卡诺循的分析续绝热膨胀绝热膨胀 过程方程过程方程绝热压缩绝热压缩 过程方程过程方程等温压缩等温压缩 放放热量热量等温膨胀等温膨胀 吸吸热量热量两式对比两式对比得得卡诺循环效率高温热源高温热源低温热源低温热源例第五节一、热现象过程 1、热传导高温高温物体物体低温低温物体物体Q Q高温高温物体物体低温低温物体物体Q Q会会自动发生自动发生不会自动发生不会自动发生违背热力学第一定律的过程都不可能发生。违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不不违背热力学第一定律的过程不一定都可以
17、发生。违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。自然过程是按一定方向进行的。2、功热转换高温高温物体物体低温低温物体物体Q Q高温高温物体物体低温低温物体物体Q Q会会自动发生自动发生不会自动发生不会自动发生违背热力学第一定律的过程都不可能发生。违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。自然过程是按一定方向进行的。功功转变转变成热量成热量会自动发生会自动发生热量自行热量自行转变成功转变成功不会自动发生不会自动发生续违背热力学第一定律的过程都不可能发生。违背
18、热力学第一定律的过程都不可能发生。不不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。自然过程是按一定方向进行的。功功转变转变成热量成热量会自动发生会自动发生热量自行热量自行转变成功转变成功不会自动发生不会自动发生3、气体自由膨胀违背热力学第一定律的过程都不可能发生。违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过程是按一定方向进行的。自然过程是按一定方向进行的。功功转变转变成热量成热量会自动发生会自动发生热量自行热量自行转变成功转变成功不会自动发
19、生不会自动发生气体自由膨胀会自动发生气体自动收缩不会自动发生热现象过程的归纳热量不可能自动地由低温物体传向高温物体。热量不可能自动地由低温物体传向高温物体。热量不可能在不引起其它变化的条件下而全部转变为功。热量不可能在不引起其它变化的条件下而全部转变为功。气体的体积不可能自动地等温缩小。气体的体积不可能自动地等温缩小。 各种自然过程进行方向的规律性将用热力学第二定律来表述。各种自然过程进行方向的规律性将用热力学第二定律来表述。违背热力学第一定律的过程都不可能发生。违背热力学第一定律的过程都不可能发生。不不违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。违背热力学第一定律的过程不一定都可以发生。自然过
20、程是按一定方向进行的。自然过程是按一定方向进行的。二、可逆与不可逆过程 可逆过程一定是准静态过程可逆过程一定是准静态过程，但准静，但准静过程未必是可逆过程。只有无摩擦和无过程未必是可逆过程。只有无摩擦和无耗散因素的准静过程才是可逆过程。耗散因素的准静过程才是可逆过程。 一一个个热热力力学学系系统统由由某某一一初初态态出出发发，经经过过某某一一过过程程到到达达末末态态后后，如如果果还还存存在在另另一一过过程程，它它能能使使系系统统和和外外界界完完全全复复原原（即即系系统统回回到到初初态态，又又同同时时消消除除了了原原过过程程对对外外界界引引起起的的一一切切影影响响），则则原原过过程程称称为为可逆
21、过程可逆过程。 一一个个热热力力学学系系统统由由某某一一初初态态出出发发，经经过过某某一一过过程程到到达达末末态态后后，如如果果不不存存在在另另一一过过程程，它它能能使使系系统统和和外外界界完完全全复复原原，则则原原过过程称为不可逆过程程称为不可逆过程。 由由于于摩摩擦擦等等耗耗散散因因素素的的实实际际存存在在，不可能使系统和外界完全复原。不可能使系统和外界完全复原。因此因此, 一切自发过程都是不可逆过程。一切自发过程都是不可逆过程。 凡有摩擦的过程，一定是不可逆过程。凡有摩擦的过程，一定是不可逆过程。三、热力学第二定律表述 不可能将热量从低温物体传不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其
22、它变化（即热量不会自动到高温物体而不引起其它变化（即热量不会自动地从低温物体传到高温物体）。地从低温物体传到高温物体）。 不可能从单一热源吸取热量不可能从单一热源吸取热量并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。并使它完全变为有用的功而不引起其它变化。外界需对系统作功，就属外界需对系统作功，就属“其它变化其它变化”。此表述说明热传导过程的不可逆性。此表述说明热传导过程的不可逆性。 等温膨胀时系统体积增大亦属等温膨胀时系统体积增大亦属“其它变化其它变化”。此表述说明功变热过程的不可逆性。此表述说明功变热过程的不可逆性。%企图制造单一热源且企图制造单一热源且的的热机称为热机称为第二类永动机第二类永动
23、机。开尔文另一开尔文另一表述为：第二类永动机是不可能造成的。表述为：第二类永动机是不可能造成的。它它并不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律。并不违背热力学第一定律，但违背热力学第二定律。实际热机效率新式苏-30喷气式战斗机内燃机式普通摩托车机内燃机式高速赛车内燃机式航空母舰内燃机式普通小轿车靠火箭发动机推进的长征2号火箭内燃机式或核动力潜艇内燃机式普通邮轮内燃机式普列车普通内燃机大型船舰或列车用的内燃机现代蒸汽透平机现代喷气涡轮发动机两种表述等价 热热力力学学第第二二定定律律不不但但在在两两种种表表述述上上是是等等价价的的，而而且且它它在在表表明明一一切切与与热热现现象象有有关关的的自自
24、然然宏宏观观过过程程的的不不可可逆逆性性方方面面也也是是等等价价的的。历历史史上上的的两两种种表表述述只只是一种代表性的表述。是一种代表性的表述。四、卡诺定理第六节一、热二定律统计意义热力学第二定律说明热现象的自然宏观过程都是不可逆的。热力学第二定律说明热现象的自然宏观过程都是不可逆的。这种不可逆性是分子的微观统计行为的一种表现。这种不可逆性是分子的微观统计行为的一种表现。取消隔板，气体自由膨胀取消隔板，气体自由膨胀 每每一个一个分子有分子有两种两种可能的等概率可能的等概率微观分布状态（在微观分布状态（在A或或B）具体分析如下：具体分析如下： 四四个个可可区分区分的分子出现在的分子出现在A、B
25、两半的可能分布方式，即两半的可能分布方式，即系统的系统的微观分布状态总数目是各分子微微观分布状态总数目是各分子微观态数目的乘积观态数目的乘积即即两格两格以以气体的自由膨胀为例气体的自由膨胀为例隔板孤立容器用隔板等分成孤立容器用隔板等分成中：四个气体分子中：四个气体分子微观上可区分，宏观上不可区分。微观上可区分，宏观上不可区分。中：真空中：真空四个分子分布统计ABAB614411/164/164/161/166/16共 1616 种微观态5 5 种宏观态6144111111热力学概率 气体自由膨胀的不可逆性，从统计观点解释就是一个不气体自由膨胀的不可逆性，从统计观点解释就是一个不受外界影响的理想气体系统，其内部所发生的过程受外界影响的理想气体系统，其内部所发生的过程ABAB614411/164/164/161/166/16共 1616 种微观态5 5 种宏观态统计表述二、熵函数三、熵增加原理本次课小结完备选内容与题目绝热过程系统不与外界交换热量系统不与外界交换热量理想气体的内能增量理想气体的内能增量理想气体的状态方程理想气体的状态方程在绝热过程中，在绝热过程中，全靠消耗系统自身的内能对外作功全靠消耗系统自身的内能对外作功火箭发动机
