1、热力学基础 一 第一讲 本讲主要内容 A 热力学基本概念 一 热力学系统与外界 热力学研究的对象 热力学系统 它包含极大量的分子 原子以阿伏伽德罗常数NA 6 022 1023计 热力学系统以外的物体称为外界 例 若汽缸内气体为系统 其它为外界 二 平衡态与状态参量 在不受外界影响的条件下 系统的宏观性质不随时间改变的状态 称为平衡态 思考 1 什么是非平衡态 2 为什么说平衡态是理想模型 3 为什么说平衡态是动态平衡 状态参量 描述热力学系统平衡态的宏观性质的物理量 P T V E S 描述系统状态的宏观量 一般可以直接测量 V E等 可以累加 称为广延量 P T等 不可累加 称为强度量 温
2、度T A B两系统互不影响 各自达到平衡态 A B两系统的平衡态若有联系 在达到热平衡时 A B两系统具有一个共同的宏观性质 称为系统的温度 温度测量 设A和C B和C分别热平衡 则A和B一定热平衡 热力学第零定律 A和C热平衡 TA TC C A A改变很小 TA基本是原来系统A的温度 摄氏温标利用水银或酒精的热胀冷缩特性标准状态下 水的冰点 0 水的沸点 100 之间一百等份 A 热力学温标 与任何物质特性无关 与理想气体温标等价 摄氏温度t 与热力学温度T K 的关系 水的三相点T 273 16K 三 准静态过程与相图 准静态过程 平衡过程 过程进行得足够缓慢 过程中系统的每一个状态都是
3、平衡态 非静态过程 中间状态不是平衡态 以状态参量为坐标轴构成相空间 相图 平衡态 对应相空间中的点 准静态过程 对应相空间中的线 理想气体状态方程 对于一定质量的理想气体 理想气体是理想模型 在压强不太高和温度不太低的情况下 实际气体可看成理想气体 理想气体状态方程 其中 m为气体的总质量 M为气体的摩尔质量 摩尔数 R 普适气体常数 C 热力学第一定律 一 内能功热量 内能 热力学系统内所有分子热运动的能量 分子的平动 转动与振动的能量 和分子间相互作用的势能 不包括系统整体的机械能 内能是状态量 实际气体 理想气体 理想气体的内能是温度的单值函数 导致系统内能变化的两种能量传递方式 做功
4、 热传递 功 有规则运动与无规则运动 热运动 之间的能量转换 与宏观位移相联系 准静态过程中系统对外界所做的功 系统所做的功等于P V图上过程曲线下的面积 注意 功是过程量 热量 系统与外界之间热运动能量的传递 通过分子碰撞来实现 与温差相联系 摩尔热容量 1mol物质温度升高一度所需要吸收的热量 系统从外界吸收的热量用Q表示 单位为J Q是过程量 定压摩尔热容量 1mol气体在压强不变的过程中 温度升高一度所需要吸收的热量 定容摩尔热容量 1mol气体在体积不变的过程中 温度升高一度所需要吸收的热量 二 热力学第一定律 1 数学形式 对于微小过程 注意 系统吸热Q 0 系统放热Q 0 系统对
5、外界作功W 0 外界对系统作功W 0 2 物理意义 涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律 3 其它表述 第一类永动机是不可能实现的 第一类永动机 系统经历一系列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 D 热力学第一定律的应用 一 等容过程 仅讨论理想气体的几种准静态过程 V const 过程方程 系统对外界不做功 系统吸收的热量全部用来增加系统的内能 吸收的热量 内能的增量 因为理想气体的内能是温度的单值函数 所以上式也适用于理想气体的其他过程 二 等压过程 P const 过程方程 系统对外界所做的功 吸收的热量 内能的增量 等压过程中系统吸收热量的一部分增加系统的内能
6、 一部分用于对外界做功 因此CP CV 迈耶公式 泊松比 三 等温过程 T const 过程方程 等温过程系统内能不变 系统对外界所做的功 吸收的热量 例题 将500J的热量传给标准状态下2mol的氢 1 V不变 热量变为什么 氢的温度为多少 2 T不变 热量变为什么 氢的P V各为多少 3 P不变 热量变为什么 氢的T V各为多少 解 1 QV E 热量转变为内能 2 QT W 热量转变为功 2 QP W E 热量转变为功和内能 解 例 质量为2 8 10 3kg 压强为1atm 温度为27 的氮气 先等容增压 压强升至3atm 再等温膨胀 压强降至1atm 然后等压压缩 体积压缩一半 试求氮气在全部过程中的内能变化 所做的功和吸收的热量 并画出P V图 解 等容过程 等温过程 等压过程 本讲要点小结 1 理想气体状态方程 2 热力学第一定律 3 理想气体的内能是温度的单值函数 4 准静态过程中系统对外界所做的功 5 在理想气体三个 等值过程 中的应用 0 0 作业
