热力学基础,物理竞赛课件概要.ppt

二、宏观描述方法与微观描述方法 2、微观描述过程：统计物理学 11－1 平衡态、理想气体物态方程 3、混合理想气体物态方程 11－2 热力学第一定律及其应用 11－3 循环过程 卡诺定理 11－4 热力学第二定律 一、循环过程 系统(工质)经一系列变化回到初态的整个过程。 泵 气缸 T1 Q1 T2 Q2 W1 锅炉（高温热库） 冷凝器（低温热库） W2 循环过程的特征：工质复原，内能不变? E = 0 循环过程可用P－V图上的闭合曲线表示： 正(热)循环 逆(致冷)循环 系统对外界做净功A 外界对系统做净功A W = Q1－Q2 W＝Q1－ Q2 p V W Q1 Q2 p V W Q1 Q2 一、内能、功和热量 1．内能 　　热力学系统的内能由系统内所有分子的热运动动能和分子间相互作用势能两部分组成。通常可认为热力学系统的内能与温度T和体积V有关： 注意：内能是状态的单值函数，完全由系统所处的状态决定。 理想气体的内能仅是温度的函数，质量为m，摩尔质量为M的理想气体的内能为 其中i 是分子运动自由度，对单原子分子、刚性双原子分子和刚性多原子分子，i 的值分别为3、5、6。 由于理想气体的内能仅与温度有关，所以理想气体内能的增量也仅与始、末态的温度有关，而与系统所经历的过程无关 2．功 气体压强 活塞面积 作功是改变系统内能的一种方法，通过宏观位移使机械运动能量转化为分子热运动能量。 当活塞移动一段微小距离dl 时，气体所做的元功为 可用右图中画有阴影的小矩形面积表示。 当气体体积从Va 变到Vb 时系统所做的功 比较d、c两过程曲线下的面积可知，功的数值不仅与初态和末态有关，而且还依赖于所经历的中间状态，功与过程的路径有关。所以功是过程量。 功的大小等于P－V图上曲线下方的面积。 3．热量 当热力学系统和外界之间存在温差时，就会有热量通过热传导的方式从高温的地方传向低温的地方。传递热量也是改变系统内能的一种方法。 作功和传递热量都与具体过程有关，都是过程量。 外 界 质量 m 比热 c 吸收热量 dQ 温度升高 dT 改用摩尔热容C，则 系统由温度 T1 变到温度 T2的过程中所吸收的热量 二、热力学第一定律 　　实验表明，一个热力学系统，在任一热力学过程中，从外界吸收的热量Q等于它对外界作的功A及它的内能增量之和。称为热力学第一定律。 　　热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律的一种表达形式。 　　该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机是不可能造成的。 对于一个无限小的过程，热力学第一定律可写成 三、热力学第一定律对理想气体的应用 1．等容过程 　　等容过程体积不变，所以dW=0，即气体不做功。 定容摩尔热容量：一摩尔气体在体积不变的条件下，温度升高（或降低）1 K时吸收（或放出）的热量，称为该气体的定容摩尔热容量，用CV 表示。 注意：对 摩尔气体，不论其经历什么过程，只 要初态和末态都为平衡态，其内能变化总可以写为 单原子分子理想气体的 刚性双原子分子理想气体的 刚性多原子分子理想气体的 2．等压过程 等压过程中气体做的功为 气体的内能增量仍为 吸收(或放出)的热量为 　定压摩尔热容量：一摩尔气体在压强不变的条件下温度升高（或降低）1K时从外界吸收（或放出）的热量，称为该气体的定压摩尔热容量，用CP表示。由上式知，其数学表示式为 　　定压摩尔热容量CP 与定容摩尔热容量CV 的比值称为比热容比或绝热系数。 3．等温过程 　温度始终保持不变的过程称为等温过程。因而有 理想气体的内能始终保持不变吸收的热量全部用来对外做功。 4．绝热过程 　　一个热力学系统在状态变化的过程中与外界没有热量的交换，这种过程称为绝热过程。绝热过程的特征是dQ=0 ，因而 　　气体绝热膨胀时对外做的功等于气体内能的减少,即对外做功是以消耗系统的内能为代价的。 绝热过程方程：绝热过程中气体的温度、压强和体积同时发生变化，为推导过程方程，考察一微小的绝热过程 将理想气体状态方程微分，得 联立以上两式，整理后得出绝热过程微分方程 积分后得出绝热方程： 　　将理想状态方程代入上式，分别消去P或V可得出另两个绝热方程： 　　下图中的实线是绝热线，虚线是同一气体的等温线；绝热线比等温线要陡些。因为在等温过程中，只有体积的变化引起压强的变化；而在绝热过程中，体积的变化引起压强变化，气体的温度变化也要引起压强的变化。 等温线在任一点的斜率为 而绝热线在任一点的斜率为 例5　设一定质量的双原子分子理想气体，经历了下图所示1→2的直线过程，试求此过程中的温度最高点