热力学第一定律和第二定律热力学第一定律和第二定律 当一个科学家发现，自然界的结构当一个科学家发现，自然界的结构有这么多不可思议的奥妙，他会有一个有这么多不可思议的奥妙，他会有一个触及灵魂的震动。而这个时候的感觉，触及灵魂的震动。而这个时候的感觉，我想是和最真诚的宗教信仰很接近的。我想是和最真诚的宗教信仰很接近的。 杨振宁杨振宁结构框图结构框图热力学系统热力学系统内能变化的内能变化的两种量度两种量度功功热量热量热力学热力学 第一定律第一定律热力学热力学 第二定律第二定律等值过程等值过程绝热过程绝热过程循环过程循环过程卡诺循环卡诺循环应用应用（理想气体）（理想气体）（对热机效率的研究）（对热机效率的研究）2021/6/161重点：重点：内能、功、热量、摩尔热容，泊松比内能、功、热量、摩尔热容，泊松比热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律应用于理想气体等体、等压、等温热力学第一定律应用于理想气体等体、等压、等温过程，绝热过程，和各种循环过程过程，绝热过程，和各种循环过程。卡诺循环卡诺循环热机效率和制冷系数热机效率和制冷系数热力学第二定律热力学第二定律难点：难点：热力学概率，热力学第二定律的统计意义热力学概率，热力学第二定律的统计意义2021/6/1621)1)微观理论统计物理微观理论统计物理物质的微观结构物质的微观结构粒子的热运动粒子的热运动统计方法统计方法平均效果平均效果确定宏观量与微观量的联系，确定宏观量与微观量的联系，描述热现象的规律和本质描述热现象的规律和本质由基本假设由基本假设构造性理论构造性理论热学发展历史的两大特征：热学发展历史的两大特征：技术技术物理物理技术模式技术模式两种研究方法两种研究方法两种理论两种理论前言前言2)2)宏观理论宏观理论热力学热力学归纳归纳观测观测实验实验热现象基本定律，宏观过程进行的热现象基本定律，宏观过程进行的方向和限度，不涉及微观本质方向和限度，不涉及微观本质永动机是不可能成功的永动机是不可能成功的自然遵循什么法则自然遵循什么法则由现象出发由现象出发原理性理论原理性理论2021/6/1633)3)相互关系：相互关系：互相补充，相辅相成互相补充，相辅相成统计物理统计物理热力学热力学宏观理论，基本结论来自实验事实，普遍可靠，宏观理论，基本结论来自实验事实，普遍可靠，但不能解释其本质但不能解释其本质微观理论，揭示热现象本质微观理论，揭示热现象本质验证验证解释解释热力学第一定律热力学第一定律的创始人的创始人热力学第二定律热力学第二定律的创始人的创始人2021/6/16420.1 20.1 热力学基本概念热力学基本概念一、热力学系统一、热力学系统 外界外界大量粒子组成的宏观、有限的体系称为热力学系统。大量粒子组成的宏观、有限的体系称为热力学系统。与其比邻的环境称为外界与其比邻的环境称为外界与外界有与外界有 E 交换，无交换，无 m 交换交换开放系统：开放系统： 封闭系统：封闭系统：孤立系统：孤立系统：与外界有与外界有 m、E 交换交换与外界无与外界无 E、m 交换交换绝绝热热例例开放系统开放系统 封闭系统封闭系统孤立系统孤立系统2021/6/1651. 描述系统宏观性质的物理量描述系统宏观性质的物理量，如：如：p、T、V、E .称为系统的状态参量。称为系统的状态参量。广延量广延量强度量强度量无可加性，如无可加性，如 p、T状态参量有确定值的状态状态参量有确定值的状态平衡态平衡态二、状态参量、二、状态参量、 热力学过程热力学过程热力学研究热力学系统的状态及状态变化热力学研究热力学系统的状态及状态变化2 2、系统状态变化、系统状态变化热力学过程热力学过程例：例：气体自由膨胀气体自由膨胀非静态过程：非静态过程：中间状态不中间状态不是平衡态是平衡态气体等温膨胀气体等温膨胀准静态过程：准静态过程：过程进行得足够过程进行得足够缓慢缓慢中间状态中间状态 平衡态平衡态（平衡过程）（平衡过程）2021/6/1663. 3. 相平面相平面 相图相图以状态参量为坐标变量以状态参量为坐标变量 相平面、相平面、 相空间相空间相图中的点相图中的点对应平衡态对应平衡态相图中的线相图中的线对应平衡过程对应平衡过程例：例：等温、等压、等体过程的相图等温、等压、等体过程的相图V2021/6/167三、系统内能三、系统内能热力学主要研究系统能量转换规律热力学主要研究系统能量转换规律1.系统内能系统内能 E指所有分子热运动能量和分子间相互作用势能指所有分子热运动能量和分子间相互作用势能例：例：实际气体实际气体理想气体理想气体( (刚性分子刚性分子) )2. 内能内能E 是状态函数是状态函数 内能变化内能变化E只与初末状态有关，与所经过的过程无只与初末状态有关，与所经过的过程无关，关，可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。2021/6/168四、功和热量四、功和热量注意：注意：非静态过程不适用非静态过程不适用1. 准静态过程的体积功准静态过程的体积功3. 内能变化方式内能变化方式做功做功热传递热传递2021/6/169示功图：示功图： p - V 图上过程曲线下的面积图上过程曲线下的面积系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功循环过程的功循环过程的功2021/6/1610思考：思考：注意：注意：功是过程量功是过程量过程不同，曲线下面积不同过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）（可正、可负、可零）2.2.热量热量中学：中学：比热比热热容：热容：摩尔热容：摩尔热容：等体摩尔热容：等体摩尔热容：等压摩尔热容：等压摩尔热容：注意：注意：热量是过程量热量是过程量定义：定义：2021/6/16113. A 与与 Q 比较比较E改变改变方式方式特点特点能量转换能量转换量度量度做功做功热传递热传递与宏观位移相联系与宏观位移相联系通过非保守力做功通过非保守力做功实现实现机械机械运动运动热运动热运动A与温差相联系，与温差相联系，通过分子碰撞实现通过分子碰撞实现热运动热运动热运动热运动Q在系统状态变化过程中，在系统状态变化过程中，A、Q、E 间数量关系间数量关系包含热运动和机械运动范围的能量守恒定律包含热运动和机械运动范围的能量守恒定律热力学第一定律热力学第一定律2021/6/161220.2 20.2 热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用一一. 热力学第一定律热力学第一定律1. 1. 数学形式：数学形式：系统从外界吸热系统从外界吸热= =内能增量内能增量+ +系统对外界做功系统对外界做功准静态：准静态：dQ=dE+pdV理想气体：理想气体：微小过程：微小过程： dQ=dE +dA增量增量微小量微小量微小量微小量2021/6/16132.2.物理意义：物理意义：涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律。涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律。3.3.其它表述：其它表述：第一类永动机是不可能制成的。第一类永动机是不可能制成的。第一类永动机：第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态系统不断经历状态变化后回到初态（不消耗内能），不从外界吸热，只对外做功（不消耗内能），不从外界吸热，只对外做功蓄水槽蓄水槽发电机发电机泵泵电池电池蓄水槽蓄水槽重力型重力型浮力型浮力型毛细型毛细型子母型子母型违反热力学第一定律，所以不可能成功。违反热力学第一定律，所以不可能成功。即：即：2021/6/1614二二. 对理想气体的应用对理想气体的应用等值过程等值过程 等体过程等体过程 等压过程等压过程 等温过程等温过程绝热过程绝热过程1 1）过程方程）过程方程查理定律查理定律1. 等体过程等体过程 （dV=0 V=c )2021/6/16152 2） 热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式3 3）等体摩尔热容）等体摩尔热容单原子分子气体单原子分子气体双原子分子（刚性）双原子分子（刚性）由由得得吸热全部用于增加内能：吸热全部用于增加内能：注意：注意：2021/6/16162. 等压过程等压过程 （ dp=0 p=c )2) 热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式1) 过程方程过程方程盖盖.吕萨克定律吕萨克定律2021/6/16173) 3) 等压摩尔热容等压摩尔热容迈耶公式迈耶公式泊松比泊松比单原子分子气体单原子分子气体双原子刚性分子双原子刚性分子2021/6/1618讨论：讨论：理论值与实验值的差异（理论值与实验值的差异（P648 P648 ）注意：注意：2021/6/1619实验结果：实验结果：CV随温度变化随温度变化显示经典理论缺陷，是导致近代物理革命原因之一。显示经典理论缺陷，是导致近代物理革命原因之一。理论值与实验值差异的原因：理论值与实验值差异的原因：经典理论认为能量连续分布，实际上只有经典理论认为能量连续分布，实际上只有 近似近似连续，连续， 均是量子化的。随均是量子化的。随T升高，转动、振动升高，转动、振动能量相继解冻（被激发），曲线出现三个台阶。能量相继解冻（被激发），曲线出现三个台阶。2021/6/16203. 等温过程等温过程 （ dT=0 T=c )1） 过程方程过程方程玻意耳玻意耳 马略特定律马略特定律2）热力学第一定律的具体形式）热力学第一定律的具体形式吸热全部用于对外做功吸热全部用于对外做功2021/6/16213 3） 摩尔热容摩尔热容4. 4. 绝热过程绝热过程特点：特点：dQ=0绝热材料绝热材料快速进行快速进行（如气体自由膨胀）（如气体自由膨胀）2021/6/16221 1） 过程方程过程方程热力学第一定律热力学第一定律条件条件: :准静态：准静态：理想气体：理想气体：消去消去dT绝热方程绝热方程2021/6/16232） 绝热线绝热线绝热线：绝热线：比等温线陡比等温线陡等温线等温线 ： pV=恒量恒量 双曲线双曲线过过pV图中某点（图中某点（A)微观解释：微观解释：等温等温绝热绝热2021/6/16243)3)热力学第一定律的具体形式热力学第一定律的具体形式4) 4) 摩尔热容摩尔热容2021/6/1625* * 5. 5. 多方过程多方过程( (一般情况一般情况) ) pVo特例：特例：2021/6/1626小结：小结：1. P651 表表 理想气体典型过程比较理想气体典型过程比较2021/6/16272021/6/1628小结：小结：2. A：准静态过程准静态过程非静态过程非静态过程Q：等体等体绝热绝热 Q=0等温（准静态）等温（准静态）等压等压2021/6/1629练习练习1.1. 理想气体绝热自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强理想气体绝热自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强 p=?由绝热方程由绝热方程解解1：解解2 2：哪一个解对？为什么？哪一个解对？为什么？绝热方程对非静态过程不适用绝热方程对非静态过程不适用2021/6/1630解：解： 由气体状态方程可得由气体状态方程可得答案：（答案：（D） 一定量的理想气体，在一定量的理想气体，在 pT 图上沿着一条直线从平图上沿着一条直线从平衡态衡态 a 变化到变化到 b 则这是则这是 一个：（一个：（ ） (A) 绝热膨绝热膨 胀（胀（B）等容吸热）等容吸热 (C) 吸热压缩（吸热压缩（D）吸热膨）吸热膨 胀胀练习练习 2abp2p1T1T2Tp02021/6/1631练习练习3.3.理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？理想气体的下列过程，哪些是不可能发生的？（1 1） 等体加热，内能减少，压强升高等体加热，内能减少，压强升高（2 2） 等温压缩，压强升高，同时吸热等温压缩，压强升高，同时吸热（3 3） 等压压缩，内能增加，同时吸热等压压缩，内能增加，同时吸热（4 4） 绝热压缩，压强升高，内能增加绝热压缩，压强升高，内能增加答案：答案：不可能发生的有：（不可能发生的有：（1 1），（），（2 2），（），（3 3）2021/6/1632 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！