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热力学第一章优秀课件

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目录

热力学基本概念与定律

热力学过程与循环

热量传递与热力学第二定律

熵与熵增加原理

热力学函数与方程

热力学在生活和工程中的应用

01

热力学基本概念与定律

与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统。

与外界只有能量交换而无物质交换的系统。

与外界既有能量交换又有物质交换的系统。

与外界没有热量交换的系统。

孤立系统

闭系

开系

绝热系统

描述系统状态的物理量，如体积V、压力p、温度T等。

状态参量

平衡态

热平衡

在无外界影响的条件下，系统各部分的宏观性质长时间内不发生变化的状态。

两个系统与第三个系统各自处于热平衡状态时，它们彼此也处于热平衡状态。

03

02

01

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡状态。

热力学第零定律

温度是表征物体冷热程度的物理量，是物体分子运动平均动能的标志。

温度概念

温度的数值表示法，如摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

温标

能量守恒

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。

热力学第一定律

热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。

热力学能

热力学系统内部的所有能量之和，包括系统内所有分子的动能、势能、化学能、电离能和原子核内部的核能等。

02

热力学过程与循环

等温过程

系统温度保持不变的过程。在等温过程中，系统与外界的热交换使得系统能够维持恒定的温度。

绝热过程

系统与外界没有热交换的过程。在绝热过程中，系统的温度变化完全取决于其内部能量的转化。

等温线与绝热线

在p-V图上，等温过程沿等温线进行，绝热过程沿绝热线进行。等温线的斜率与温度有关，而绝热线的斜率与比热容比有关。

多方过程

01

系统状态变化时，其压强和体积按一定关系变化的过程。多方过程的特性由多方指数n描述，表示压强与体积的n次方成正比。

可逆过程

02

系统状态变化可以无限缓慢地进行，使得在每一个瞬间，系统都接近于平衡态的过程。可逆过程是理想化的过程，实际中难以实现，但具有重要的理论意义。

多方过程与可逆过程的比较

03

多方过程是实际过程中常见的近似过程，而可逆过程是理论上的理想过程。在可逆过程中，系统的熵保持不变；而在多方过程中，系统的熵可能发生变化。

系统经历一系列状态变化后，最终回到初始状态的过程。循环过程是实现能量转换的基本方式，如热机、制冷机等。

循环过程

热机从热源吸收的热量与向冷源放出的热量之差与从热源吸收的热量之比。热机效率是衡量热机性能的重要指标，其大小取决于热机的设计和工作条件。

热机效率

减少各种不可逆损失，如摩擦、传热等；优化热机设计，如改进燃烧室结构、提高压缩比等；采用高性能材料和技术，如陶瓷材料、超导技术等。

提高热机效率的途径

03

热量传递与热力学第二定律

热量传递方式

热传导、热对流、热辐射。

热量传递速率

与温差、导热系数、传热面积等因素有关，可通过傅里叶定律、牛顿冷却定律等进行定量描述。

热量不可能自发地从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。

揭示了自然界中宏观过程的方向性，指出了与热现象有关的宏观自然过程具有不可逆性。

热力学第二定律的意义

热力学第二定律的表述

在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关，只与热源温度有关。

卡诺定理

在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。

卡诺定理的推论

04

熵与熵增加原理

熵的定义

熵是热力学中表征系统无序度的物理量，符号为S。对于任意可逆过程，熵的微增量dS等于系统吸收的热量dQ与绝对温度T的比值，即dS=(dQ/T)可逆。

熵的物理意义

熵的物理意义可以理解为系统无序度或混乱度的量度。一个系统的熵越大，表示系统越无序或越混乱；反之，一个系统的熵越小，表示系统越有序或越有规则。

在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵的不断增加的方向进行，这就是熵增加原理。也就是说，在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。

熵增加原理表述

熵增加原理在热力学、统计物理和许多其他领域都有广泛的应用。例如，在热力学中，它解释了为什么热量总是自发地从高温物体流向低温物体，而不是相反。在统计物理中，它提供了对大量微观粒子组成的宏观系统行为的深刻理解。

熵增加原理应用

熵判据：根据熵增加原理，对于孤立系统而言，其自发变化总是向着熵增大的方向进行。因此，熵判据可以用来判断一个过程是否可能自发进行。如果过程的熵变小于零，则该过程不可能自发进行；如果过程的熵变大于零，则该过程可能自发进行。

能量判据：能量判据是判断系统变化是否