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大学物理授课教案第六章热力学基础

引言

热力学基本概念与定律

热量传递与热容量

气体分子运动论基础

热力学循环与效率

总结与展望

引言

01

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研究对象

热力学系统、热力学过程和热力学性质。

研究意义

揭示热现象的本质和规律，为能源利用、环境保护等领域提供理论基础。

现状

热力学已成为物理学的一个重要分支，广泛应用于工程、化学、生物等领域。

发展历史

热力学起源于18世纪，经历了多个发展阶段，包括热质说、热力学第一定律、热力学第二定律等。

本章主要介绍热力学的基本概念、热力学第一定律、热力学第二定律以及熵的概念和应用。

掌握热力学的基本概念、理解热力学定律的表述和意义、学会运用热力学知识解决实际问题。

内容概述

学习目标

热力学基本概念与定律

02

01

系统

由大量微观粒子组成的宏观物体或物体集合，用于研究热现象。

02

环境

与系统发生相互作用的其他物体或物体集合。

03

状态参量

描述系统状态的物理量，如压强、体积、温度等。

系统在没有外界影响的条件下，各部分的性质长时间内不发生变化的状态。

系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，经历的所有中间状态都可以近似看作平衡态的过程。

平衡态

准静态过程

如果两个系统与第三个系统各自处于热平衡状态，那么这两个系统之间也必定达到热平衡。

热力学第零定律

热力学系统的一个物理属性，是热力学平衡态下系统状态的标志，用于表示物体冷热程度。

温度

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。

热力学第一定律的表述

ΔU=Q+W，其中ΔU表示系统内能的增量，Q表示系统吸收的热量，W表示外界对系统所做的功。

热力学第一定律的数学表达式

热力学第二定律的表述

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不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。

02

热力学第二定律的微观解释

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

03

热力学第二定律的统计意义

在封闭系统中，无论发生何种变化或过程，其总熵（即系统无序性的量度）只可能增加，不可能减少。

热量传递与热容量

03

通过物体内部微观粒子的热运动，将热量从高温部分传至低温部分，常见于固体内部热量传递。

热传导

热对流

热辐射

流体中温度不同的各部分之间发生相对运动而引起的热量交换，如水的自然对流。

物体通过电磁波传递能量的方式，不需要介质，可在真空中进行，如太阳辐射。

03

02

01

物体温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量，表示物体对热能的储存能力。

通过实验测定物体在一定温度范围内的吸热或放热数据，再根据比热容公式进行计算。

计算方法

热容量

比热容

单位质量的物质温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量，表示物质的吸热或放热能力。

摩尔热容

1mol物质温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量，常用于计算化学反应中的热量变化。

潜热

物质在相变过程中吸收或放出的热量，如冰融化成水需要吸收潜热。

应用

在制冷、空调等领域中，利用潜热进行能量转换和储存；在农业中，利用潜热调节温室内的温度和湿度。

气体分子运动论基础

04

03

气体分子运动论的意义

阐述气体分子运动论在解释气体宏观现象、预测气体性质等方面的重要意义。

01

气体分子运动论的提出与发展

简要介绍气体分子运动论的历史背景、主要贡献者及其理论发展。

02

气体分子运动论的假设

详细阐述气体分子运动论的基本假设，如分子无规则运动、分子间相互碰撞等。

理想气体状态方程的形式

给出理想气体状态方程的具体形式，解释各个物理量的含义。

理想气体状态方程的推导

详细推导理想气体状态方程，阐述其物理意义和适用范围。

理想气体状态方程的应用

通过实例说明理想气体状态方程在解决实际问题中的应用。

1

2

3

介绍气体压强与温度关系的实验定律，如查理定律、盖吕萨克定律等。

气体压强与温度关系的实验定律

从微观角度解释气体压强与温度的关系，阐述分子无规则运动对气体压强的影响。

气体压强与温度关系的微观解释

通过实例说明气体压强与温度关系在解决实际问题中的应用。

气体压强与温度关系的应用

解释气体分子平均自由程的概念，阐述其物理意义。

气体分子平均自由程的概念

给出气体分子平均自由程的计算公式，解释各个物理量的含义。

气体分子平均自由程的计算

解释气体分子碰撞频率的概念，阐述其物理意义。

气体分子碰撞频率的概念

给出气体分子碰撞频率的计算公式，解释各个物理量的含义，并通过实例说明其在解决实际问题中的应用。

气体分子碰撞频率的计算

热力学循环与效率

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热力学循环定义

热力学系统从某一状态出发，经过一系列过程又回到初始状态，且过程中涉及热交换和功交换的完整操作。

循环分类

根据循环过程中工