热学课件第4章热力学第一定律.ppt

第4章 热力学第一定律 基本要求： 本章作业： 具体内容： 前面三章主要特点是从微观和统计角度来研究分子运动，第一章总述概念，第二章介绍了分子动理论的平衡态理论，第三章介绍了近平衡态条件下分子动理论的非平衡态理论。 第4章和第5章将重点介绍热物理学的宏观描述：热力学第一、第二定律，这是本书的第二大块内容。 学习过程中,将会发现前后两块的知识体系、风格迥异，学习时学会类比，总结，归纳。 §4.1 可逆与不可逆过程 §4.1.1 准静态过程(quasi-static process) 我们常以一条随意画的虚线来表示这种不能确切描述的非平衡态的变化过程，如下图的i-B-f。 定义 显然，准静态过程是不可能达到的理想过程，但我们可尽量趋近它。 对于实际的物理操作，我们只要求准静态过程的状态变化足够缓慢就可， 而缓慢是否足够的标准是驰豫时间。 教材举例说明非准静态过程与准静态过程的区别。 [例1] 从活塞上移走砝码的实验。有两种方法: [例2] 如图所示，热量传递的准静态过程 要使物体温度从T1变为T2过程是准静态过程： 应要求任一瞬时，物体中各部分间温度差均在非常小范围ΔT 之内(ΔT T，其中 T 为某一瞬时物体的平均温度)。 可采用一系列温度彼此相差ΔT的恒温热源，这些热源的温度从 T1逐步增加到T2，使物体依次与一系列热源接触 系列热源，其温度依次递增ΔT，并且ΔT T。 [例3] 在等温等压条件下氧气与氮气互扩散过程中所经历的任一中间状态，氮气与氧气的成分都处处不均匀，该系统不满足化学平衡条件，它经历每一个中间状态都不是平衡态，因而是非准静态过程。 如果要使得整个过程为准静态，则要求氧气和氮气的互扩散过程十分缓慢 准静态要求系统经历的每一个中间态都是平衡态，因此系统内部各部分间之间及系统与外界之间都始终满足力学、热学、化学平衡条件的过程才是准静态过程。 处于平衡态的系统受到外界的瞬时微小扰动。取消该扰动系统回复到原来的平衡状态所需经历的时间称为弛豫时间 (relaxation time)，以?表示，相应的这类过程称为弛豫过程。 §4.1.2 弛豫时间? 问：对一个要看成是准静态变化的系统而言，弛豫时间长好还是短好？ 扩展到人，一个人的适应性，对应Ta的弛豫时间是长还是短？ 所以，我们要适应社会，要做一个适应性强的人，就是要做一个弛豫时间很短的人，通过不断的爹打滚爬来减小自己的?值，而不能总是问谁动了你的奶酪。 §4.1.3 可逆与不可逆过程 (reversible and irreversible process) ?若小球经历的是非弹性碰撞，其机械能不守恒，其逆向碰撞后的动能要小于正向碰撞前的动能，其速率不能复原。 如：覆水难收，倒过来，泼出去的水，自动回到盆里。 再如：火焰加热水壶中的冰 ，使冰逐步融化为水，又使水全部烧干。把这一过程拍成的录像带倒过来放，则一些人一定会大叫活见鬼。 有些过程的逆过程不可能出现，因为这类逆过程不可能自发发生的。 在不可逆现象中时间的方向是确定的。因为时间不能倒过来变化，所以这类现象的逆过程不可能出现。 一切生命过程都是不可逆的。非生命的过程也有一大类问题是不可逆的。 这正是热学要研究的。 可逆和不可逆的严格定义 (I)?(III): 1.若活塞与气缸间无摩擦，此过程可认为是可逆的。 它的逆过程可这样进行：自上而下缓慢的把一个个小砝码移回到活塞上，气体将缓慢的回到原状态(I)，正向过程吸收的热量等于逆向过程放出的热量，外界完全复原。 2.若活塞与气缸有摩擦，则此过程是不可逆过程 因为摩擦做功，逆过程中活塞不可能回到原来的位置。 (I)→(II)： 此过程是不可逆过程，不论活塞与气缸是否存在摩擦力。 因为要使得活塞回到原位，外界必须压缩活塞做功，活塞回到原位后，外界做的功转变成热量回到外界。 此时，尽管系统回到原态，但是外界损失了功得到了热量，显然外界已经产生了不可消除的影响。 ?从上面所举例子可看出： §4.2 功和热量 §4.2.1 功是力学相互作用下的能量转移 注意： 1.热力学中，力学相互作用所指的力是一种广义力，它不仅包括机械力(如压强、 拉力、表面张力等)，也包括电场力、磁场力，所以功也是一种广义功，包括机械功、电磁功等。 2.功与过程有关，不是状态参量，与系统状态无对应关系。只有在系统状态变化过程中才有能量转移。 3.只有在广义力作用下产生了广义位移后才做了功。 4.在非准静态过程中，系统内部压强处处不同，且随时间变化，很难计算系统对外作的功，以后的讨论中，系统对外做功都是指在准静态过程中。 5.功有正负之分，将外界对系统作的功以W表示。气体(系统)对外作的功用W?表示，