大学物理_刘果红_热力学资料.doc

热力学 热力学中，常把所研究的物体系统（气体、液体、固体）或一组物体，称为热力学系统或简称系统。热力学系统是由大量粒子构成的，在热力学中，往往不考虑系统整体的机械运动，而是从能量的观点出发，研究在系统状态变化过程中有关热功转换的关系和条件等问题。 —、功、热量、内能 事实证明，热力学系统的状态变化，总是通过外界对系统作功或向系统传递热量、或两者兼施并用来完成的。 取水为系统，它从状态1（P,T1）变到状态2（P,T2），一种方法是使容器直接与热源接触（外界传递热量给系统）使水温上升，这就是通常所说的热传递；另一种方法是在水中置一叶轮，叶轮搅动使水温上升（外界对系统作功）使水温上升。这就是通常所说的做功生热。两者方式虽不同，但导致相同的状态变化，可以看出做功和传递热量是等效的，一定量的功相当于一定量的热，热功之间的当量式为1卡=4、186焦耳，在国际单位制中，A,Q均用焦耳作单位。 外界对系统做功或向系统传递热量虽有等效的一面，但两者是有本质区别的：做功是能量传递的宏观形式，系统与外界物体发生宏观的相对位移，所起的作用是物体的有规则的运动与系统内分子无规则运动之间的转换。热交换是热现象，而热现象是大量分子无规则运动的体现，热交换是通过分子的碰撞或热辐射来完成的，是热源中分子无规则运动与系统内分子无规则运动之间的转换，虽也是能量传递的宏观形式，但物质水的微观运动有紧密的联系。 系统的状态发生变化时，只要初、末状态给定，则不论所经历的过程有何不同，外界对系统所做的功和向系统所传递热量的总和总是恒定不变的都使系统能量增加。因此系统的一定状态必有一定的能量，称为热力学系统的内能。水之例表明，内能的改变量只决定与初末两个状态，而与所经历的过程无关。即：内能是系统状态的单值函数。 从分子运动论的观点来说，内能就是系统中所有分子热运动的能量和分子与分子间相互作用的势能之和。 二、热一律 热一律的物理意义 假定热力学系统状态发生变化时，外界对系统做功和向系统传递热量是同时存在的，则 Q = E2 – E1 + A (1) 式中Q ----外界对系统传递的热量 E2 –E1-----系统内能的增量 A----系统对外界做的功 由此可见，热一律实际上就是包括能量在内的能量守恒和转化定律。 对（1）式的几点讨论： 热一律的适用范围：不论是固、液、汽的系统都能适用； 对状态的微小变化过程，热一律可表示为： dQ = dE + dA 应注意：内能是状态量，系统在某状态下，对应一定的内能，但不能说在某一状态下，系统有多少功，多少热，功和热量是过程量，只有在过程发生时才有意义， 也只有联系到某一具体的过程，才能计算出功和热量来。 （3）热一律也可以叙述为：第一类永动机是不可能造成的。热一律是在19世纪40年代确定了热功当量以后才建立起来的，在这以前，有人企图设计一种永动机，使系统不断地经历状态变化而仍回到初始状态，同时在这过程中，无需外界任何能量的供给而能不断地对外做功。这种永动机称为第一类永动机。所有这种企图都失败了，热一律指出：作功必须由能量转化而来，第一类永动机是造不成的。 2、热力学中的准静态过程（在这种过程进行中的每一时刻，系统 都处于平衡态） 我们认识到，平衡和过程是两个对立的概念，实际过程都不可能真正是准静态过程。即：准静态过程只是实际过程的抽象，热力学的研究是以准静态过程的研究为基础的，把理想的准静态过程弄清楚后，将有助于对实际的非准静态过程的探讨。 在一个大气压下，要使系统温度由 T1升到T 2的过程是一个准静态过程，需采用彼此温度相差甚微的物体作为中间热源，这些热源的温度分别是： T1; T +dT; T+2dT;--------T2 –dT; T2 (dT是无限小量) 系统分别与T1 + dT;-----T2的热源相接触，并先后与这些热源建立热平衡，直到系统的温度生到T 2为止。显然，由于所有热量的传递都是在系统和热源的温度相差为无限小的情形下进行的，这个温度生高的过程无限接近于准静态过程，这些过程进行的无限缓慢。 在研究系统状态变化过程中所做的功也是如此，取汽缸内的气体的膨胀为例，缸中气体的压强为T ，活塞的面积为 S，当活塞移动一微小距离dl 时，使气体经历一个微小的变化过程，其中P 处处均匀，且几乎不变（其实是有dp 的微小变化）气体所做的功 dA =PS dl =P dl 在气体的微小变化过程中，热一律可写为 ：dQ = dE +P dV dA= PdV 在气体整个变化过程中， Q =E? – E?+