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大学物理第10章热力学

引言

热力学基本概念

热力学第一定律

热力学第二定律

热力学函数与热力学关系

热力学在生活和科技中的应用

总结与展望

contents

目

录

01

引言

热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用的学科。

热力学定义

热力学是物理学的一个重要分支，它揭示了能量转化过程的基本规律，为理解和利用热现象提供了理论基础。同时，热力学在工业、农业、医学等领域都有广泛应用，对于推动科学技术的发展具有重要意义。

重要性

研究对象

热力学的研究对象是大量粒子组成的宏观物质系统，如气体、液体、固体等。这些系统的共同特征是粒子间的相互作用可以忽略，因此可以用宏观参量如温度、压力、体积等来描述系统的状态。

研究方法

热力学的研究方法主要是基于实验观测和理论分析。通过实验观测，可以获取物质系统在热现象中的宏观性质和变化规律；通过理论分析，可以建立描述这些性质和规律的数学模型，进而揭示其内在的物理机制。

与统计物理学的关系

统计物理学是从微观角度研究大量粒子组成的宏观物质系统的学科，而热力学则是从宏观角度研究这些系统的学科。两者之间相互补充，共同构成了对物质系统的完整描述。

与经典力学的关系

经典力学是研究质点和刚体等宏观物体的运动规律的学科，而热力学则是研究物质系统在热现象中的运动规律的学科。两者在研究对象和方法上有所不同，但都是物理学的重要组成部分。

与电磁学的关系

电磁学是研究电磁现象的学科，而热力学则是研究热现象的学科。虽然两者在研究对象上有所不同，但在实际应用中常常相互交叉和渗透，如电磁感应加热、热电转换等现象都需要同时考虑电磁学和热力学的因素。

02

热力学基本概念

系统

热力学系统是指某一特定空间内所有物质的集合，它是我们研究的对象。

环境

与系统发生相互作用的其他物质的集合称为环境。系统与环境之间通过物质和能量的交换而相互影响。

状态

一个热力学系统所表现出来的宏观物理性质的总和称为状态。

状态参量

用来描述系统状态的物理量称为状态参量，如温度、压力、体积等。状态参量的变化能够反映系统状态的变化。

平衡态

在没有外界影响的条件下，系统各部分的性质长时间内不发生变化的状态称为平衡态。平衡态是一种理想化的状态，实际系统总存在不同程度的涨落和扰动。

非平衡态

系统各部分性质随时间发生变化的状态称为非平衡态。非平衡态是普遍存在的，但可以通过一定的条件或过程趋近于平衡态。

热力学过程

系统从一个状态变化到另一个状态所经历的全部状态的总和称为热力学过程。热力学过程可以通过状态参量的变化来描述。

等温过程

系统温度保持不变的热力学过程称为等温过程。在等温过程中，系统内能不变，但可能吸收或放出热量。

等容过程

系统体积保持不变的热力学过程称为等容过程。在等容过程中，系统不做功，但温度和压力可能发生变化。

等压过程

系统压力保持不变的热力学过程称为等压过程。在等压过程中，系统体积和温度可能发生变化，同时可能伴随吸热或放热现象。

03

热力学第一定律

能量守恒

热力学系统能量的变化等于传入或传出的热量与对外做功或外界对系统做功之和。

热量转移

热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，但不可能自发地从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。

做功与热传递

做功和热传递是改变系统内能的两种方式，它们在改变内能方面是等效的。

积分形式

Q=ΔU+W，其中Q表示系统吸收的热量，ΔU表示系统内能的变化量，W表示系统对外做的功。

符号规定

系统吸热Q为正，放热为负；系统对外做功W为正，外界对系统做功为负；系统内能增加ΔU为正，减少为负。

微分形式

dQ=dU+dW，其中dQ表示系统吸收的热量，dU表示系统内能的变化，dW表示系统对外做的功。

理想气体等温过程

在等温过程中，理想气体内能不变，因此吸收的热量全部用于对外做功。

理想气体等容过程

在等容过程中，系统体积不变，不对外做功，因此吸收的热量全部转化为系统内能的增加。

热机效率

热机效率定义为有用功与吸收热量之比，根据热力学第一定律可以推导出热机效率的最大值。

绝热过程

在绝热过程中，系统与外界没有热量交换，因此系统内能的变化等于外界对系统所做的功或系统对外所做的功。

04

热力学第二定律

克劳修斯表述

热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。

开尔文-普朗克表述

不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。

熵增表述

在孤立系统中，一切实际发生的过程都使系统的熵增加，不可能发生使熵减少的过程。

03

02

01

对于任意可逆循环过程，有∮(δQ/T)r=0；对于任意不可逆循环过程，有∮(δQ/T)ir0。其中，δQ表示系统吸收或放出的热量，T表示热源温度，r和ir分别表示可逆和不可逆过程。

克劳修