第九章热力学定律-(学生版)

第九章统计热力学初步8+2学时本章从最可几分布引出配分函数的概念，得出配分函数与热力学函数的关系。

由配分函数的分离与计算可求得简单分子的热力学函数与理想气体简单反应的平衡常数。

使学生了解系统的热力学宏观性质可以通过微观性质计算出来。

基本要求：1、理解统计热力学中涉及的一些基本概念如（定域子系统与非定位系统、独立粒子系统与相依粒子系统、微观状态、分布、最可几分布与平衡分布、配分函数）2、理解统计力学的三个基本假定。

理解麦克斯韦–玻尔兹曼分布公式的不同表示形式及其适用条件。

3、理解粒子配分函数的物理意义和析因子性质。

4、明确配分函数与热力学函数间的关系5、了解平动、转动、振动对热力学函数的贡献，了解公式的推导过程。

6、学会利用物质的吉布斯自由能函数、焓函数计算化学反应的平衡常数与热效应。

7、学会由配分函数直接求平衡常数的方法重点：1．平衡分布和玻耳兹曼分布公式；2．粒子配分函数的定义、物理意义及析因子性质；3．双原子分子的平动、转动和振动配分函数的计算；4．热力学能与配分函数的关系式；5．熵与配分函数的关系式；玻耳兹曼熵定理。

难点：1. 粒子配分函数的定义、物理意义及析因子性质；2. 双原子分子的平动、转动和振动配分函数的计算。

第九章统计热力学初步主要公式及其适用条件1. 分子能级为各种独立运动能级之和2. 粒子各运动形式的能级及能级的简并度（1）三维平动子简并度：当a = b = c时有简并,()相等的能级为简并的。

（2）刚性转子（双原子分子）：其中。

简并度为：g r,J = 2J +1。

（3）一维谐振子其中分子振动基频为，k为力常数，μ为分子折合质量。

简并度为1，即g v,ν = 1。

（4）电子及原子核全部粒子的电子运动及核运动均处于基态。

电子运动及核运动基态的简并度为常数。

3.能级分布微态数定域子系统：离域子系统：温度不太低时（即时）：一般情况下：系统总微态数：4. 等概率定理在N，V，U确定的情况下，系统各微态出现的概率相等。

第9章 热力学基础本章是热现象的宏观描述—热力学,其主要内容有:平衡态、准静态过程、热量、体积功、内能、热容等概念.热力学第一定律及其对理想气体等值过程、绝热过程和多方过程的应用;循环过程、卡诺循环、热力学第二定律、熵和熵增加原理等.§9.1 热力学系统 理想气体状态方程一、热力学系统人们通常把确定为研究对象的物体或物体系统称为热力学系统(简称为系统),这里所说的物体可以是气体、液体或固体这些宏观物体,在热力系统外部,与系统的状态变化直接有关的一切叫做系统的外界.热力学研究的客体是由大量分子、原子组成的物体或物体系.若系统与外界没有能量和质量的交换,这样的系统称为孤立系统,与外界没有质量交换,但有能量交换的系统,称为封闭系统,既有质量又有能量交换的系统称为开放系统.二、气体的状态参量在力学中研究质点机械运动时,我们用位矢和速度(动量)来描述质点的运动状态.而在讨论由大量作无规则运动的分子构成的气体状态时,位矢和速度(动量)只能用来描述分子运动的微观状态,不能描述整个气体的宏观状态.对一定量的气体,其宏观状态常用气体的体积V 、压强P 和热力学温度T(简称温度)来描述。

P 、V 、T 这三个物理量叫做气体的状态参量,是描述整个气体特征的量,它们均为宏观量,而象分子的质量、速度、能量等则是微观量.三个量中,气体的体积V 是几何参量,是指气体分子所能到达的空间,对于装在容器中的气体,容器的容积就是气体的体积.在国际单位制中,体积的单位是立方米,符号是m 3.气体的压强是力学参量,是作用于容器器壁上单位面积上的正压力.在国际单位制中,压强的单位是帕斯卡，符号为2a a m N 1P 1P ⋅=，，有时也用标准大气压(atm),厘米汞柱高(cmHg)它们之间的关系为a 5P 100131cmHg 76atm 1⨯==.温度T 是物体冷热程度的量度,是热学量.定义温度的科学依据是热力学第零定律要进行温度的测量,必须建立温标,温标是温度的数值表示法.各种各样的温度计都是由各种温标确定的.常用的温标有摄氏温标;而热力学温标是最基本的温标,符号为T ,单位是开尔文(K).1960年国际计量大会规定摄氏温度与热力学温度之间的关系为15273.-=T t三、平衡态气体平衡状态的概念是个非常重要的概念.把一定质量的气体装在一给定体积的容器中,经过足够长的时间后,容器内各部分气体的压强相等.温度相同,此时气体的状态参量具有确定的值.如果容器中的气体与外界没有能量和物质的交换,气体内部也没有任何形式的能量与物质转化(例如没有发生化学变化或原子核的变化等),则气体的状态参量将不随时间而变化,这样的状态叫做平衡状态.应该指出,容器中的气体总不可避免的会与外界发生程度不同的能量和物质交换.所以平衡态只是一个理想的模型.实际中,如果气体状态的变化很微小,可以略去不计时就可以把气体的状态看成是近似平衡态.还应指出,气体的平衡状态只是一种动态平衡,因为,分子的无规则运动是永不停息的.通过气体分子的运动和相互碰撞,在宏观上表现为气体各部分的密度、温度、压力均匀且不随时间变化的平衡态.对于处在平衡态、质量为M 的气体,它的状态可用一组P 、V 、T 值来表示.例如,一组参量值111T V P 、、表示一个状态,另一组参量222T V P 、、表示另一状态,在以P 为纵轴,V 为横轴的P —V 图上,气体的一个平衡状态可以用一个确定的点来表示.如图9.1中的点A（111T V P 、、）或点B （222T V P 、、） . 四、理想气体物态方程实验证明,当一定量的气体处于平衡态时,描述平衡状态的三个参量P 、V 、T 之间存在一定的关系,当其中任意一个参量发生变化时,其他两个参量也将随之改变,即其中一个量是其他两个量的函数,如0==)()(T V P f V P T T 、、或、上述方程就是一定量的气体处于平衡态时气体的物态方程.在中学物理中我们已经知道,一般气体, 在密度不太高,压力不太大(与大气压强相比)和温度不太低(与室温比较)的实验范围内,遵守玻意耳定律,盖·吕萨克定律和查理定律,我们把任何情况下都遵守上述三条实验定律和阿伏伽德罗定律的气体称为理想气体.一般气体在温度不太低,压强不太大时,都可以近似当作理想气体.描述理态气体状态的三个参量P 、V 、T 之间的关系即为理想气体物态方程.可由三个实验定律和阿伏)(111T V P A 、、)(222T V P B 、、P VO 图9.1伽德罗定律导出.对一定质量的理想气体,物态方程的形式为）（摩尔数μ=νμ=M RT M PV (9.1) 式中的M 为气体质量, μ为一摩尔气体的质量,简称摩尔质量,如氧气的摩尔质量13m ol kg 1032--⋅⨯=μ。

过程中, 温度每升高(或降低) 10C,吸收的热量.
i C R
V2
单 i 3 双 i 5 多 i 6
i 气体分子的自由度
ν摩尔理想气体在等体过程中, 温度从T1升高到 T2(或降低) ,吸收的热量为
Q V
E - E
2
1
i RT - T
2
2
1

CV T2 - T1
2
1
2
2
1
V
Q E - E + pV V
p
2
1
2
1
C DT + RDT V
定压摩尔热容: 1mol 理想气体在等压过程中吸
收的热量dQp ，温度升高 dT，其定压摩尔热容为
dQ C p
dT p ,m
dQ C dT
p
p ,m
定压摩尔热容另一表述: 1mol 理想气体在等压
p
等 p2 体
升 压
p1
o
2 ( p2,V ,T2 )
1 ( p1,V ,T1)
V
V
T1 T2 Q 0 DE 0
QV
E1
E2
p
等 p1
体
降 压
p2
o
Q E - E i RT - T
V
2
1
2
2
1
1( p1,V ,T1)
2( p2,V ,T2 )
V
V
T1 T2 Q 0 DE 0
2 公式适用条件 气体压强不太大，温度不太低，密度不太高
例1 一容器内贮有氧气 0.10kg，压强为10atm， 温度为 470C。因容器漏气，过一段时间后，压强 减到原来的 5/8，温度降到 270C。问： （1）容器体积为多大？ （2）漏去了多少氧气？

表述
$Delta U = Q + W$，其中$Delta U$表示系统内能的增量，$Q$表示系 统吸收的热量，$W$表示对系统所做 的功。
适用范围
01
适用于封闭系统或孤立系统，即系统与外界既无物 质交换又无热量交换的系统。
02
适用于宏观低速的物理现象，不适用于微观或高速 的物理现象。
03
适用于理想气体和凝聚态物质，不适用于非理想气 体和液态、固态物质。
等温过程
总结词
等温过程是指气体在温度保持不变的情况下进行的热力学过程。
详细描述
在等温过程中，气体的温度在整个过程中保持恒定。这种过程通常发生在气体与外界的热 交换非常缓慢，以至于气体的温度几乎不发生变化的情况下。由于温度不变，气体的内能 将与外界的热量和功相互转化。
公式表示
$Delta U = Q - W$，其中$Delta U$是气体内能的改变，$Q$是外界对气体所做的热量， $W$是外界对气体所做的功。
实际循环效率
实际循环效率是指在实际运行过程中，由于热量损失、摩擦等损耗因 素存在，热机所达到的效率。实际循环效率总是低于理想循环效率。
制冷机循环效率
制冷机循环效率
制冷机循环效率是指制冷机在循环过程中，从低温热源吸 收热量并传递给高温热源的效率。制冷机循环效率是衡量 制冷机性能的重要指标。
理想制冷循环效率
实质与意义
实质
热力学第一定律揭示了能量守恒和转换的基本规律，即能量 可以从一种形式转换为另一种形式，也可以从一种物体传递 到另一种物体，但在转换和传递的过程中，能量的总值保持 不变。
意义
热力学第一定律是热力学的基石，是研究热力学问题的基础 。它提供了分析和解决热力学问题的基本方法和思路，对于 理解热力学现象、预测物质性质以及开发能源技术等方面具 有重要的意义。

大学物理第九章热力学基础试题第9章热力学基础一、选择题1.对于准静态过程和可逆过程,有以下说法．其中正确的是[](A)准静态过程一定是可逆过程(B)可逆过程一定是准静态过程(C)二者都是理想化的过程(D)二者实质上是热力学中的同一个概念2.对于物体的热力学过程,下列说法中正确的是[](A)内能的改变只决定于初、末两个状态,与所经历的过程无关(B)摩尔热容量的大小与所经历的过程无关(C)在物体内,若单位体积内所含热量越多,则其温度越高(D)以上说法都不对3.有关热量,下列说法中正确的是[](A)热是一种物质(B)热能是物质系统的状态参量(C)热量是表征物质系统固有属性的物理量(D)热传递是改变物质系统内能的一种形式4.关于功的下列各说法中,错误的是[](A)功是能量变化的一种量度(B)功是描写系统与外界相互作用的物理量(C)气体从一个状态到另一个状态,经历的过程不同,则对外作的功也不一样(D)系统具有的能量等于系统对外作的功5.理想气体状态方程在不同的过程中有不同的微分表达式,式pdV示[](A)等温过程(B)等压过程(C)等体过程(D)绝热过程MRdT表6.理想气体状态方程在不同的过程中可以有不同的微分表达式,式VdpMRdT表示[](A)等温过程(B)等压过程(C)等体过程(D)绝热过程7.理想气体状态方程在不同的过程中可以有不同的微分表达式,式VdppdV0表示[](A)等温过程(B)等压过程(C)等体过程(D)绝热过程8.理想气体状态方程在不同的过程中可以有不同的微分表达式,则式VdppdVMRdT表示[](A)等温过程(B)等压过程(C)等体过程(D)任意过程9.热力学第一定律表明:[](A)系统对外作的功不可能大于系统从外界吸收的热量(B)系统内能的增量等于系统从外界吸收的热量(C)不可能存在这样的循环过程,在此过程中,外界对系统所作的功不等于系统传给外界的热量(D)热机的效率不可能等于110.对于微小变化的过程,热力学第一定律为dQ=dEdA．在以下过程中,这三者同时为正的过程是[](A)等温膨胀(B)等容膨胀(C)等压膨胀(D)绝热膨胀11.对理想气体的等压压缩过程，下列表述正确的是[](A)dA＞0,dE＞0,dQ＞0(B)dA＜0,dE＜0,dQ＜0(C)dA＜0,dE＞0,dQ＜0(D)dA=0,dE=0,dQ=012.功的计算式AVpdV适用于V)．一次是等温压缩到2[](A)理想气体(B)等压过程(C)准静态过程(D)任何过程13.一定量的理想气体从状态(p,V)出发,到达另一状态(p,VV,外界作功A；另一次为绝热压缩到,外界作功W．比较这两个功值的大小是22[](A)A＞W(B)A=W(C)A＜W(D)条件不够，不能比较14.1mol理想气体从初态(T1、p1、V1)等温压缩到体积V2,外界对气体所作的功为[](A)RT1lnV2V(B)RT1ln1V1V22(C)p1(V2V1)(D)p2V2p1V115.如果W表示气体等温压缩至给定体积所作的功,Q表示在此过程中气体吸收的热量,A表示气体绝热膨胀回到它原有体积所作的功,则整个过程中气体内能的变化为[](A)W＋Q－A(B)Q－W－A(C)A－W－Q(D)Q＋A－W16.理想气体内能增量的表示式ECVT适用于[](A)等体过程(B)等压过程(C)绝热过程(D)任何过程17.刚性双原子分子气体的定压比热与定体比热之比在高温时为[](A)1.0(B)1.2(C)1.3(D)1.418.公式CpCVR在什么条件下成立[](A)气体的质量为1kg(B)气体的压强不太高(C)气体的温度不太低(D)理想气体19.同一种气体的定压摩尔热容大于定体摩尔热容,其原因是[](A)膨胀系数不同(B)温度不同(C)气体膨胀需要作功(D)分子引力不同20.摩尔数相同的两种理想气体,一种是单原子分子气体,另一种是双原子分子气体,从同一状态开始经等体升压到原来压强的两倍．在此过程中,两气体[](A)从外界吸热和内能的增量均相同(B)从外界吸热和内能的增量均不相同(C)从外界吸热相同,内能的增量不相同(D)从外界吸热不同,内能的增量相同21.两气缸装有同样的理想气体,初态相同．经等体过程后,其中一缸气体的压强变为原来的两倍,另一缸气体的温度也变为原来的两倍．在此过程中,两气体从外界吸热[](A)相同(B)不相同,前一种情况吸热多(C)不相同,后一种情况吸热较多(D)吸热多少无法判断22.摩尔数相同的理想气体H2和He,从同一初态开始经等压膨胀到体积增大一倍时[](A)H2对外作的功大于He对外作的功(B)H2对外作的功小于He对外作的功(C)H2的吸热大于He的吸热(D)H2的吸热小于He的吸热23.摩尔数相同的两种理想气体,一种是单原子分子,另一种是双原子分子,从同一状态开始经等压膨胀到原体积的两倍．在此过程中,两气体3[](A)对外作功和从外界吸热均相同(B)对外作功和从外界吸热均不相同(C)对外作功相同,从外界吸热不同(D)对外作功不同,从外界吸热相同24.摩尔数相同但分子自由度不同的两种理想气体从同一初态开始作等温膨胀,若膨胀后体积相同,则两气体在此过程中[](A)对外作功相同,吸热不同(B)对外作功不同,吸热相同(C)对外作功和吸热均相同(D)对外作功和吸热均不相同25.两气缸装有同样的理想气体,初始状态相同．等温膨胀后,其中一气缸的体积膨胀为原来的两倍,另一气缸内气体的压强减小到原来的一半．在其变化过程中,两气体对外作功[](A)相同(B)不相同,前一种情况作功较大(C)不相同,后一种情况作功较大(D)作功大小无法判断26.理想气体由初状态(p1、V1、T1）绝热膨胀到末状态(p2、V2、T2)，对外作的功为[](A)MCV(T2T1)(B)MCp(T2T1)(C)MCV(T2T1)(D)MCp(T2T1)27.在273K和一个1atm下的单原子分子理想气体占有体积22.4升．将此气体绝热压缩至体积为16.8升,需要作多少功[](A)330J(B)680J(C)719J(D)223J28.一定量的理想气体分别经历了等压、等体和绝热过程后其内能均由E1变化到E2．在上述三过程中,气体的[](A)温度变化相同,吸热相同(B)温度变化相同,吸热不同(C)温度变化不同,吸热相同(D)温度变化不同,吸热也不同29.如果使系统从初态变到位于同一绝热线上的另一终态则[](A)系统的总内能不变(B)联结这两态有许多绝热路径(C)联结这两态只可能有一个绝热路径(D)由于没有热量的传递,所以没有作功30.一定量的理想气体,从同一状态出发,经绝热压缩和等温压缩达到相同体积时,绝热压缩比等温压缩的终态压强[](A)较高(B)较低(C)相等(D)无法比较431.一定质量的理想气体从某一状态经过压缩后,体积减小为原来的一半,这个过程可以是绝热、等温或等压过程．如果要使外界所作的机械功为最大,这个过程应是[](A)绝热过程(B)等温过程(C)等压过程(D)绝热过程或等温过程均可32.视为理想气体的0.04kg的氦气(原子量为4),温度由290K升为300K．若在升温过程中对外膨胀作功831J,则此过程是[](A)等体过程(B)等压过程(C)绝热过程(D)等体过程和等压过程均可能33.一定质量的理想气体经历了下列哪一个变化过程后,它的内能是增大的[](A)等温压缩(B)等体降压(C)等压压缩(D)等压膨胀34.一定量的理想气体从初态(V,T)开始,先绝热膨胀到体积为2V,然后经等容过程使温度恢复到T,最后经等温压缩到体积V．在这个循环中,气体必然[](A)内能增加(B)内能减少(C)向外界放热(D)对外界作功pOV2VVT9-1-34图35.提高实际热机的效率,下面几种设想中不可行的是[](A)采用摩尔热容量较大的气体作工作物质(B)提高高温热源的温度(C)使循环尽量接近卡诺循环(D)力求减少热损失、摩擦等不可逆因素36.在下面节约与开拓能源的几个设想中,理论上可行的是[](A)在现有循环热机中进行技术改进,使热机的循环效率达100%(B)利用海面与海面下的海水温差进行热机循环作功(C)从一个热源吸热,不断作等温膨胀,对外作功(D)从一个热源吸热,不断作绝热膨胀,对外作功37.下列说法中唯一正确的是[](A)任何热机的效率均可表示为AQ吸(B)任何可逆热机的效率均可表示为1T低T高(C)一条等温线与一条绝热线可以相交两次(D)两条绝热线与一条等温线可以构成一个循环538.卡诺循环的特点是[](A)卡诺循环由两个等压过程和两个绝热过程组成(B)完成一次卡诺循环必须有高温和低温两个热源(C)卡诺循环的效率只与高温和低温热源的温度有关(D)完成一次卡诺循环系统对外界作的净功一定大于039.在功与热的转变过程中,下面说法中正确的是[](A)可逆卡诺机的效率最高,但恒小于1(B)可逆卡诺机的效率最高,可达到1(C)功可以全部变为热量,而热量不能全部变为功(D)绝热过程对外作功,系统的内能必增加40.两个恒温热源的温度分别为T和t,如果T＞t,则在这两个热源之间进行的卡诺循环热机的效率为[](A)TTtTtTt(B)(C)(D)TttTT41.对于热传递,下列叙述中正确的是[](A)热量不能从低温物体向高温物体传递(B)热量从高温物体向低温物体传递是不可逆的(C)热传递的不可逆性不同于热功转换的不可逆性(D)理想气体等温膨胀时本身内能不变,所以该过程也不会传热42.根据热力学第二定律可知,下列说法中唯一正确的是[](A)功可以全部转换为热,但热不能全部转换为功(B)热量可以从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体(C)不可逆过程就是不能沿相反方向进行的过程(D)一切自发过程都是不可逆过程43.根据热力学第二定律判断,下列哪种说法是正确的[](A)热量能从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体(B)功可以全部变为热,但热不能全部变为功(C)气体能够自由膨胀,但不能自由压缩(D)有规则运动的能量能够变为无规则运动的能量,但无规则运动的能量不能变为有规则运动的能量44.热力学第二定律表明:[](A)不可能从单一热源吸收热量使之全部变为有用功(B)在一个可逆过程中,工作物质净吸热等于对外作的功(C)摩擦生热的过程是不可逆的(D)热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体45.“理想气体和单一热源接触作等温膨胀时,吸收的热量全部用来对外作功．”对此6说法,有以下几种评论,哪一种是正确的[](A)不违反热力学第一定律,但违反热力学第二定律(B)不违反热力学第二定律,但违反热力学第一定律(C)不违反热力学第一定律,也不违反热力学第二定律(D)违反热力学第一定律,也违反热力学第二定律46.有人设计了一台卡诺热机(可逆的)．每循环一次可从400K的高温热源吸收1800J的热量,向300K的低温热源放热800J,同时对外作功1000J．这样的设计是[](A)可以的,符合热力学第一定律(B)可以的,符合热力学第二定律(C)不行的,卡诺循环所作的功不能大于向低温热源放出的热量(D)不行的,这个热机的效率超过了理论值47.1mol的单原子分子理想气体从状态A变为状态B,如果变化过程不知道,但A、B两态的压强、温度、体积都知道,则可求出[](A)气体所作的功(B)气体内能的变化(C)气体传给外界的热量(D)气体的质量48.如果卡诺热机的循环曲线所包围的面积从图中的abcda增大为abcda，那么循环abcda与abcda所作的功和热机效率变化情况是：[](A)净功增大，效率提高(B)净功增大，效率降低(C)净功和效率都不变(D)净功增大，效率不变pabdT2cbOT1c49.用两种方法：使高温热源的温度T1升高△T；使低温热源的温度T2降低同样的△T值；分别可使卡诺循环的效率升高1和2，两者相比：[](A)1>2(B)2>1(C)1＝2(D)无法确定哪个大50.下面所列四图分别表示某人设想的理想气体的四个循环过程，请选出其中一个在理论上可能实现的循环过程的图的符号．[]pppp等温等压绝热绝热等绝热绝热容等容绝热绝热等温等温OVOVOVVO(A)(B)(C)(D)7T9-1-48图Vp51.在T9-1-51图中，IcII为理想气体绝热过程，IaII和IbII是任意过程．此两任意过程中气体作功与吸收热量的情况是:IIbc[](A)IaII过程放热，作负功；IbII过程放热，作负功a(B)IaII过程吸热，作负功；IbII过程放热，作负功I(C)IaII过程吸热，作正功；IbII过程吸热，作负功(D)IaII过程放热，作正功；IbII过程吸热，作正功O52.给定理想气体，从标准状态(p0,V0,T0)开始作绝热膨胀，体积增大到3倍．膨胀后温度T、压强p与标准状态时T0、p0之关系为(为比热比)[](A)T() T9-1-51图V11111T0,p()p0(B)T()T0,p()1p03333111111(C)T()T0,p()p0(D)T()T 0,p()p0333353.甲说：“由热力学第一定律可证明任何热机的效率不可能等于1．”乙说：“热力学第二定律可表述为效率等于100％的热机不可能制造成功．”丙说：“由热力学第一定律可T2”丁说：“由热力学第一定律可证明理想气体卡)．T1T诺热机(可逆的)循环的效率等于(12)．”对以上说法，有如下几种评论，哪种是正确的T1证明任何卡诺循环的效率都等于(1[](A)甲、乙、丙、丁全对(B)甲、乙、丙、丁全错(C)甲、乙、丁对，丙错(D)乙、丁对，甲、丙错paabbII的效率为，每次循环在高温热源处吸的热量为Q，则d[](A),QQ(B),QQcdc(C),QQ(D),QQOV54.某理想气体分别进行了如T9-1-54图所示的两个卡诺循环：I(abcda)和II(a'b'c'd'a')，且两个循环曲线所围面积相等．设循环I的效率为，每次循环在高温热源处吸的热量为Q，循环55.两个完全相同的气缸内盛有同种气体，设其初始状态相同．今使它们分别作绝热压缩至相同的体积，其中气缸1内的压缩过程是非准静态过程，而气缸2内的压缩过程则是准静态过程．比较这两种情况的温度变化：[](A)气缸1和气缸2内气体的温度变化相同(B)气缸1内的气体较气缸2内的气体的温度变化大(C)气缸1内的气体较气缸2内的气体的温度变化小(D)气缸1和气缸2内的气体的温度无变化二、填空题1.不等量的氢气和氦气从相同的初态作等压膨胀,体积变为原来的两倍．在这过程中,氢气和氦气对外作的功之比为．8T9-1-54图2.1mol的单原子分子理想气体,在1atm的恒定压力下从273K加热到373K,气体的内能改变了．3.各为1摩尔的氢气和氦气,从同一状态(p,V)开始作等温膨胀．若氢气膨胀后体积变为2V,氦气膨胀后压强变为p,则氢气和氦气从外界吸收的热量之比为．24.两个相同的容器,一个装氢气,一个装氦气(均视为刚性分子理想气体)，开始时它们的压强和温度都相等．现将6J热量传给氦气,使之温度升高．若使氢气也升高同样的温度,则应向氢气传递的热量为．5.1摩尔的单原子分子理想气体,在1个大气压的恒定压力作用下从273K加热到373K,此过程中气体作的功为．6.273K和一个1atm下的单原子分子理想气体占有体积22.4升．此气体等温压缩至体积为16.8升的过程中需作的功为．7.一定量气体作卡诺循环,在一个循环中,从热源吸热1000J,对外作功300J．若冷凝器的温度为7C,则热源的温度为．8.理想气体卡诺循环过程的两条绝热线下的面积大小(图中阴影部分)分别为S1和S2，则二者的大小关系是．9.一卡诺机(可逆的)，低温热源的温度为27C，热机效率为OpS1S2VT9-2-8图40%，其高温热源温度为K．今欲将该热机效率提高到50%，若低温热源保持不变，则高温热源的温度应增加K．10.一个作可逆卡诺循环的热机，其效率为，它的逆过程的致冷系数w则与w的关系为．T2，T1T211.1mol理想气体(设CPCV为已知)的循环过程如T－V图所示，其中CA为绝热过程，A点状态参量(T1,V1)，和B点的状态参量(T1,V2)为已知．则C点的状态参量为：TABVC，T1TC，TC2OV1V2VpC．T9-2-11图912.一定量的理想气体，从A状态(2p1,V1)经历如T9-2-12图所示的直线过程变到B状态(p1,V1)，则AB过程中系统作功___________,内能改变△E＝_________________．13.质量为M、温度为T0的氦气装在绝热的容积为V的封2p1p1OpABV12V1VT9-2-12图闭容器中，容器一速率v作匀速直线运动．当容器突然停止后，定向运动的动能全部转化为分子热运动的动能，平衡后氦气的温度增大量为．14.有摩尔理想气体，作如T9-2-14图所示的循环过程abca，其中acb为半圆弧，b－a为等压过程，pc2pa，在此循环过程中气体净吸热量为QCp(TbTa)（填入：>,15.一定量的理想气体经历acb过程时吸热550J．则经历acbea过程时，吸热为．16.一定量理想气体，从同一状态开始使其体积由V1膨胀到2V1，分别经历以下三种过程：等压过程；等体内能增加最多；__________过程气体吸收的热量最多．ppcpaaOVap105PacbVbVT9-2-14图4aceb433V10mO11dT9-2-15图温过程；绝热过程．其中：__________过程气体对外作功最多；____________过程气17.一定量的理想气体，从状态a出发，分别经历等压、等温、绝热三种过程由体积V1膨胀到体积V2，试在T9-2-17图中示意地画出这三种过程的p－V图曲线．在上述三种过程中：pa(1)气体的内能增加的是__________过程；(2)气体的内能减少的是__________过程．OV1V2VT9-2-17图18.如T9-2-18图所示，已知图中两部分的面积分别为S1和S2．如果气体的膨胀过程为a1b，则气体对外做功W＝________；如果气体进行a1b2a的循环过程，则它对外做功W＝_______________．paOS11S22bVT9-2-18图1019.如T9-2-19图所示，一定量的理想气体经历abc过程，在此过程中气体从外界吸收热量Q，系统内能变化E．则Q和E>0或<0或=0的情况是：Q_________，E__________．20.将热量Q传给一定量的理想气体，pbcOaVT9-2-19图(1)若气体的体积不变，则其热量转化为；(2)若气体的温度不变，则其热量转化为；(3)若气体的压强不变，则其热量转化为．21.一能量为1012eV的宇宙射线粒子，射入一氖管中，氖管内充有0.1mol的氖气，若宇宙射线粒子的能量全部被氖气分子所吸收，则氖气温度升高了_________________K．(1eV＝1.60某1019J，普适气体常量R＝8.31J/(molK)）22.有一卡诺热机，用29kg空气作为工作物质，工作在27℃的高温热源与-73℃的低温热源之间，此热机的效率＝______________．若在等温膨胀的过程中气缸体积增大到2.718倍，则此热机每一循环所作的功为_________________．(空气的摩尔质量为29某10-3kgmol-1，普适气体常量R＝8.31JmolK)23.一气体分子的质量可以根据该气体的定体比热来计算．氩气的定体比热cV=0.314kJ·kg1·K1，则氩原子的质量m=__________．三、计算题1.1mol刚性双原子分子的理想气体，开始时处于p11.0110Pa、V110m的状态，然后经图示直线过程I变到p24.0410Pa、后又经过方程为pV2C （常量）V22103m3的状态．5的过程II变到压强p3p11.0110Pa的状态．求：(1)在过程I中气体吸的热量;(2)整个过程气体吸的热量．1115335p(p2,V2)(p1,V1)Op3p1VT9-3-1图2.1mol的理想气体，完成了由两个等容过程和两个等压过程构成的循环过程（如T9-3-2图），已知状态1的温度为T1，状态3的温度为T3，且状态2和4在同一等温线上．试求气体在这一循环过程中作的功．Op21T9-3-2图34V113.一卡诺热机(可逆的)，当高温热源的温度为127C、低温热源温度为27C时，其每次循环对外作净功8000J．今维持低温热源的温度不变，提高高温热源的温度，使其每次循环对外作净功10000J．若两个卡诺循环都工作在相同的两条绝热线之间，试求：(1)第二个循环热机的效率；(2)第二个循环的高温热源的温度．4.某种单原子分子的理想气体作卡诺循环，已知循环效率20%，试问气体在绝热膨胀时，气体体积增大到原来的几倍5.1mol双原子分子理想气体作如T9-3-5图所示的可逆循环过程，其中1－2为直线，2－3为绝热线，3－1为等温线．已知T22T1,V38V1，试求：(1)各过程的功，内能增量和传递的热量；(用T1和已知常数表示)(2)此循环的效率．(注：循环效率AQ1，A为每一循环过程气体对外所作的功，Q1为每一循环过程气体吸收的热量)pp21p1OV12V2T9-3-5图3V3V6.如T9-3-6图所示，一金属圆筒中盛有1mol刚性双原子分子的理想气体，用可动活塞封住，圆筒浸在冰水混合物中．迅速推动活塞，使气体从标准状态(活塞位置I)压缩到体积为原来一半的状态I(活塞位置II)，然后维持活塞不动，待气体温度下降至0℃，再让活塞缓慢上升到位置I，完成一次循环．II(1)试在p－V图上画出相应的理想循环曲线；(2)若作100次循环放出的总热量全部用来熔解冰，则有多少冰被熔化冰水混合物5－T9-3-6图(已知冰的熔解热3.35某10J·kg1，普适气体常量R=－－8.31J·mol1·K1)p(102Pa)7.比热容比1.40的理想气体，进行如T9-3-7图所示a4的abca循环，状态a的温度为300K．3(1)求状态b、c的温度；21(2)计算各过程中气体所吸收的热量、气体所作的功和c气体内能的增量;O(3)求循环效率．b46V(m3)2T9-3-7图8.一台冰箱工作时，其冷冻室中的温度为-10℃，室温为15℃．若按理想卡诺致冷循环计算，则此致冷机每消耗102J的功，可以从冷冻室中吸出多少热量129.一可逆卡诺热机低温热源的温度为7.0℃，效率为40%；若要将其效率提高50%，则高温热源温度需提高几度10.绝热容器中有一定量的气体，初始压强和体积分别为p0和V0．用一根通有电流的电阻丝对它加热(设电阻不随温度改变)．在加热的电流和时间都相同的条件下，第一次保持体积V0不变，压强变为p1；第二次保持压强p0不变，而体积变为V1．不计电阻丝的热容量，求该气体的比热容比．11.空气中的声速的表达式为u系式p，其中是气体密度，是体弹性模量，满足关V．就下列两种情况计算其声速：V(1)假定声波传播时空气的压缩和膨胀过程是一个等温过程(即等温声速模型，亦称为牛顿模型)；(2)假定声波传播时空气的压缩和膨胀过程是一个绝热过程(即绝热声速模型)；比较这两个结果你得出什么结论（设空气中只有氮气）12.某热机循环从高温热源获得热量QH，并把热量QL排给低温热源．设高、低温热源的温度分别为TH=2000K和TL=300K，试确定在下列条件下热机是可逆、不可逆或不可能存在的．(1)QH=1000J，A=900J；(2)QH=2000J，QL=300J；(3)A=1500J，QL=500J．13.研究动力循环和制冷循环是热力学的重要应用之一．内燃机以气缸内燃烧的气体为工质．对于四冲程火花塞点燃式汽油发动机来说，它的理想循环是定体加热循环，称为奥托循环（Ottocycle）．而对于四冲程压燃式柴油机来说，它的理想循环是定压加热循环，称为狄塞耳循环（Dieelcycle）．如T9-3-13图所示，往复式内燃机的奥托循环经历了以下四个冲程：（1）吸气冲程（0→1）：当活塞由上止点T向下止点B运时，进气阀打开，在大气压力下吸入汽油蒸气和空气的混合气体．（2）压缩冲程：进气阀关闭，活塞向左运行，混合气体被绝热压缩（1→2）；活塞移动T点时，混合气体被电火花点燃迅速燃烧，可以认为是定体加热过程（2→3），吸收热量（3）动力冲程：燃烧气体绝热膨胀，推动活Q1．塞对外作功（3→4）；然后，气体在定体条件下降压（4→1），放出热量Q2．（4）排气冲程：活塞向左运行，残余气体从排气阀排出．假定内燃机中的工质是理想气体并保持定量，试求上述奥托循环1→2→3→4→1的效率．VT9-3-13图1314.绝热壁包围的气缸被一绝热的活塞分成A，B两室，活塞在气缸内可无摩擦自由滑动，每室内部有1摩尔的理想气体，定容热容量cV5R．开始时，气体都处在平衡态2(p0,V0,T0)．现在对A室加热，直到A中压强变为2p0为止．(1)加热结束后，B室中气体的温度和体积(2)求加热之后，A、B室中气体的体积和温度;(3)在这过程中A室中的气体作了多少功(4)加热器传给A室的热量多少15.如T9-3-15图所示，器壁与活塞均绝热的容器中间被一隔板等分为两部分，其中右边贮有1摩尔处于标准状态的氦气(可视为理想气体)，左边为真空．现先把隔板拉开，待气体平衡后，再缓慢向右推动活塞，把气体压缩到原来的体积．求氦气的温度改变量．真空T9-3-15图16.如T9-3-15图所示，一固定绝热隔板将某种理想气体分成A、B两部分，B的外侧是可动活塞．开始时A、B两部分的温度T、体积V、压强p均相同，并与大气压强相平衡．现对A、B两部分气体缓慢地加热，当对A和B给予相等的热量Q以后，A室中气体的温度升高度数与B室中气体的温度升高度数之A比为7:5．(1)求该气体的定体摩尔热容CV和定压摩尔热容Cp；(2)B室中气体吸收的热量有百分之几用于对外作功？T9-3-17图17.有两个全同的物体，其内能为uCT(C为常数)，初始时两物体的温度分别为T1、T2．现以两物体分别为高、低温热源驱动一卡诺热机运行，最后两物体达到一共同温度Tf．求(1)Tf；(2)求卡诺热机所作的功．18.温度为25℃、压强为1atm的1mol刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀至原来的3倍．(普适气体常量R＝8.31JmolK，ln3=1.0986)(1)计算这个过程中气体对外所作的功；(2)假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍，那么气体对外作的功又是多少19.图T9-3-19为一循环过程的T-V曲线．该循环的工质为mol的理想气体，其中CV和均已知且为常量．已知a点的温度为T1，体积为V1，b点的体积为V2，ca为绝热过程．求：(1)c点的温度；(2)循环的效率．。

液体、气体组成的系统。本课程主要研究气体系统。 2、热力学的研究内容 物态变化过程中有关热、功相互转换的条件和规律。
3、热力学的研究方法 以实验定律为基础，应用能量的观点，研究热功转换的条件 和规律。
二、内能 E ：
（若无化学反应、无核反应）系统内能指所有分子的 各种形式的动能、振动势能和分子间势能的总和。
绝热板
BC
A
导热板
如果两个热力学系统都与第三个热力学系统处于热平衡， 则它们彼此必定处于热平衡；这个结论称为热力学第零定律。
热力学第零定律为温标的制定奠定了基础。给出温度的定义。
2、温度
互为热平衡的几个热力学系统，必然具有某种共同的宏 观性质，这种决定系统热平衡的宏观性质定义为温度。
特征：一切处于热平衡的系统都具有相同的温度。
属性。 2）热容是过程量。 3）与温度有关（温度变化不大时可认为无关）。 Q 和 C 都是过程量。
3、功与热量的异同：
相同 不同
1）A 和 Q 都是过程量：与过程有关。 2）功效相同：改变系统的热运动状态的作用相同。 功与热量的物理本质不同。
外界机械能 外界内能
宏观位移 转换
分子间作用 传递
系统内能 系统内能
五、热力学第零定律 什么是温度？
两个系统热接触后但没有热传递，这两个系统处于热平衡。
1、热力学第零定律
设想有A、B、C三个热力学系统，使 A 系统同时与 B 和 C 两系统热接触，而 B 、C两系统相隔绝，经过一段时间后，不 仅 A 和 B以及 A和 C 都达到热平衡。而且 B和 C 也处于热平衡状态 。
实验表明，孤立系统中热力学过程具有确定的方向性，表 示这一客观规律的结论称为热力学第二定律。它表示了热、功 转化在方向上的规律。其数学表示称为熵增加原理。

Qab和Qac,则 ( C )
A.pb>pc,Qab>Qac B.pb>pc,Qab<Qac C.pb<pc,Qab>Qac D.pb<pc,Qab<Qac
《热力学定律》人教版PPT精品课件1
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18.(多选)一定量的理想气体从状态a开始,经历等温或等 压过程ab、bc、cd、da回到原状态,其p-T图像如图所示, 其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是
11.AD [解析] 由状态a到状态b的过程是等温压缩过程,气体的温度不变,体积减小,故理想 气体的分子间平均距离减小,分子平均动能不变,气体的内能不变,因外界对气体做功,所以 气体要放出热量,选项A、D正确.由状态b到状态c的过程是等压膨胀过程,气体的体积增大, 温度升高,故理想气体对外做功,内能增加,分子平均动能增加,因气体的压强不变,故平均每 个分子在单位时间内与器壁碰撞的次数减少,选项B错误.由状态c到状态a的过程是等容降 压过程,气体的体积不变,温度降低,故分子间平均距离不变,分子平均动能减小,选项C错误.
B 6.关于物体内能的变化情况,下列说法中正确的是 () A.吸热的物体其内能一定增加 B.绝热压缩的物体其内 能一定增加 C.放热的物体其内能一定减少 D.体积膨胀的物体其内 能一定减少
6.B [解析] 对于吸热的物体,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,其 内能不一定增加,还与做功情况有关,故A错误;对于绝热压缩的物 体,Q=0,外界对物体做功,W>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,有ΔU>0, 其内能一定增加,故B正确;对于放热的物体,若外界对物体做功,而且 功的数值大于热量的数值,则根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,物 体的内能增加,故C错误;对于体积膨胀的物体,对外界做功,若物体从 外界吸热,而且热量的数值大于功的数值,则根据热力学第一定律 ΔU=W+Q可知,物体的内能增加,故D错误.

专题11 热力学三定律（学生版）一、目标要求二、知识点详细解析1．热力学第一定律(1)改变系统内能的两种方式:做功和热传递；(2)热力学第一定律①定义:一个热力学系统内能的增量等于外界对它做的功与外界向它传递的热量的和:ΔU=W+Q若外界对系统做功,则W>0,若系统对外界做功,则W<0；若外界向系统传热,则Q>0,若系统向外界传热,则Q<0．②意义:热力学第一定律是能量守恒定律的一种表现形式；(3)能量守恒定律:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化成另一种形式,或从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中其总量保持不变；(4)第一类永动机:不消耗任何动力或燃料,却能源源不断地对外做功的机器称为第一类永动机,第一类永动机不可制成,原因就是因为违背了能量守恒定律．2．热力学第二定律(1)宏观热现象的方向性(2)热力学第二定律:反映宏观自然过程的方向性的定律称为热力学第二定律,它有如下几种表述形式； ①克劳修斯表述:热量不可能自发地从低温物体传向高温物体；②开尔文表述:不可能从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不引起其他变化；开尔文表述还可以描述成工质不可能将从某热源吸收的热量全部用于做功,它必然会向其他温度低于自身的热源排出部分热量,即任何热机的效率都不可能达到100%,如图所示；热机的效率:1211121100%W Q Q Q Q Q Q η-===-< (3)第二类永动机:能从单一热源吸收热量,并将这些热量全部转化为有用功的机器称为第二类永动机；第二类永动机不可制成,虽然它没有违背热力学第一定律,但违背了热力学第二定律；3．热力学第三定律(1)绝对零度:热力学的最低温度,是以开尔文温标定义的零点,即0 K,0 K≈－273.15 ℃；(2)热力学第三定律:绝对零度不可达到； 4．热力学第零定律(1)热平衡:若某个与外界接触的热力学系统,其内部各部分之间、整个系统与外界之间均没有热交换,我们称这个系统处于热平衡；(2)热力学第零定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡,则它们彼此也必定处于热平衡；由于该条定律的提出比热力学三大定律要晚,但它却是三大定律的基础,因此将其命名为热力学第零定律；热力学第零定律定义了温标的概念,即两个热力学系统若彼此处于热平衡,则称这两个热力学系统的温度相同,温度计的诞生就建立在热力学第零定律的基础之上．三、考查方向原题型1:对热力学第一定律的理解详细典例一:（2020•海淀区一模）容器内一定质量的理想气体,在温度保持不变的条件下,若气体体积减小,则()A．气体分子热运动的平均动能增大B．气体分子对器壁撞击的密集程度变大C．气体中每个分子对器壁的撞击的作用力都变大D．气体需要从外界吸收热量原题型2:热力学第一定律的计算详细典例二:（2020·江苏）（3）一定质量的理想气体从状态A经状态B变化到状态C,其1图象如图所示,求该过程中气体吸收的热量Q.pV原题型3:热力学定律与气体图像的综合应用详细典例三:（2017•新课标Ⅲ）如图,一定质量的理想气体从状态a出发,经过等容过程ab到达状态b,再经过等温过程bc到达状态c,最后经等压过程ca回到状态a。

CV ,m
i R 2
（ i 为分子的自由度数）
单原子气体： i =3 , 氦、氖 双原子气体：i = 5 ，氢、氧、氮 多原子气体：i = 6 ，水蒸汽、二氧化碳、甲烷
定体摩尔热容与定压摩尔热容的关系
CV,m
i R 2
C p ,m
i 1 R 2
迈耶公式：
C p ,m CV ,m R
ΔE Q W 312 J
3 2 1
p/atm
V
V1
V4
V3
9-3-2 绝热过程
一、绝热过程 系统不与外界交换热量的过程。
dQ dE pdV
V2
dQ 0 , pdV dE
结论： 同一状态下1摩尔的理想气体温度升高1K， 等压过程需要吸收的热量比等体过程吸收的热量多 8.31 J。 C p ,m i 2 单原子分子：γ 1.67 比热容比： CV ,m i 双原子分子： γ 1.4
微过程的热量计算式：
m dQ C m dT M
m m 热量计算式： Q cM (T2 T1 ) C m (T2 T1 ) M M
t = -273.15 ℃
T / K 273.15C t
9-1-2 平衡态
准静态过程
平衡态：一个孤立系统，其宏观性质在经过充分长 的时间后保持不变（即其状态参量不再随时间改变） 的状态。
注意：如果系统与外 界有能量交换，即使 系统的宏观性质不随 时间变化，也不能断 定系统是否处于平衡 态。
外界：系统以外与系统有着相互作用的环境。 孤立系统：与外界不发生任何能量和物质的热力 学系统。 封闭系统：与外界只有能量交换而没有物质交换 的系统。
状态参量：描述热力学系统状态的物理量。 描述气体的状态参量：压强、体积和温度。

四、气液两相图
汽化曲线, 是液态和气态的分界线
饱和蒸汽压与温度的关系 沸点与外界压强的关系
汽化曲线终点就是临界点K 汽化曲线始点O是三相点
§9.3 克拉珀龙方程
一、方程的推导
两相平衡时的温度T和压强p有函数关系，相平衡曲线
气液二相图 汽化曲线
固液二相图 熔化曲线
Q1 ml
A m(2 1) p
在凹（凸）液面情况下，分 子由气相进入液相的概率比 平页面情况的概率大（小）
3、过饱和蒸气、凝结核、云室
若没有足够的凝结核，或凝结核过小，即使蒸气压强超过 该温度下的饱和蒸气压，液滴仍不能形成并长大，因而出现 过饱和现象，这样的蒸气称为过饱和蒸气压，或过冷蒸气。
4、云及人工降雨
暖云：大小水滴共存 冷云：由冰晶组成 混合云：由冰晶和水滴组成
pk
Vmk
Tk



pk

a

V2 2 mk

Vmk

b

R Tk


a 27b2

a
2 9b2



3b

b


R
8a 27bR
对比物态方程



3
2

3
1

8
对应态定理: 一切物质在相同的对比压强和对比温度下, 就有相
同的对比体积了.
8a Tk 27bR Vmk 3b
a pk 27b2
临界比容：液态的最大比容 临界压强：液态的最大饱和蒸汽压 临界温度：等温压缩使气体液化的最高温度
pk, k Tk之间的关系
临界系数

大学物理2-1第九章(热力学基础)习题答案习 题 九9-1 一系统由图示的状态a 经acd 到达状态b ，系统吸收了320J 热量，系统对外作功126J 。

(1)若adb 过程系统对外作功 42J ，问有多少热量传入系统? (2)当系统由b 沿曲线ba 返回状态a ，外界对系统作功84 J ，试问系统是吸热还是放热? 热量是多少?[解] 由热力学第一定律A E Q +∆= 得AQ E -=∆在a <b 过程中，E E E a b∆=-JA Q 19412632011=-=-= 在adb 过程中 JA E Q 236421942=+=+∆=在ba 过程中 JA E A E E Q b a 27884194333-=--=+∆-=+-=本过程中系统放热。

9-2 2mol 氮气由温度为 300K ，压强为510013.1⨯Pa(1atm)的初态等温地压缩到 510026.2⨯Pa(2atm)。

求气体放出的热量。

[解] 在等温过程中气体吸收的热量等于气体对外做的功，所以J P P RT M m A Q mol T 3211046.321ln 30031.82ln ⨯-=⨯⨯⨯===即气体放热为J 31046.3⨯。

9-3 一定质量的理想气体的内能E 随体积的变化关系为E - V 图上的一条过原点的直线，如图所示。

试证此直线表示等压过程。

[证明] 设此直线斜率为k ，则此直线方程为kvE =又E 随温度的关系变化式为Tk T C M M E v mol'=⋅=所以T k kV '=因此C kk T V ='=(C 为恒量) 又由理想气体的状态方程知，C TpV '= (C '为恒量)所以 p 为恒量 即此过程为等压过程。

9-4 2mol 氧气由状态1变化到状态2所经历的过程如图所示：(1)沿l →m →2路径。

(2)1→2直线。

试分别求出两过程中氧气对外作的功、吸收的热量及内能的变化。

热力学三大基本定律是什么？一文带你搞懂虽然从远古时期人类早就学会了取火和用火，人们就注意探究热、冷现象本身。

但是热力学成为一门系统的学科却要到19世纪，在19世纪40年代前后，人们已经形成了这样的观念:自然界的各种现象间都是相互联系和转化的。

人们对热的研究也不再是孤立地进行，而是在热与其他现象发生转化的过程中认识热，特别是在热与机械功的转比中认识热。

热力学在发展过程中形成了三大基本定律，它们构成了热力学的核心。

热力学第一定律：能量守恒定律德国物理学家迈尔从1840年起就开始研究自然界各种现象间的转化和联系。

在他的论文《与有机运动相联的新陈代谢)中，把热看作“力”(能量)的一一种形式，他指出'热是能够转比为运动的力“。

他还根据当时的气体定压和定容比热的资料,计算出热的机械功当量值为367kgm/千k。

在论文中，迈尔详细考察了当时已知的几种自然现象的相互转化，提出了“力“不灭思想，迈尔是最早表述了能量守恒定律也就是热力学第一定律的科学家。

1847年，德国科学家亥姆霍兹发表了著作《论力的守恒》。

他提出一切自然现象都应该用中心力相互作用的质点的运动来解释，这个时候热力学第一定律也就是能量守恒定律已经有了一个模糊的雏形。

1850年，克劳修斯发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。

他认为单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。

” 加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素的行为相矛盾”来论证。

把热看成是一种状态量。

由此克劳修斯最后得出热力学第一定律的解析式：dQ=dU-dW从1854年起，克劳修斯作了大量工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这条原理。

经过重重努力，1860年，能量守恒原理也就是热力学第一定律开始被人们普遍承认。

能量守恒原理表述为一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。

热力学定律课件热力学是研究能量转化与传递以及与物质性质相关的学科。

它是物理学的一个重要分支，对于我们理解自然界中各种物理现象具有重要的意义。

在热力学中，有几条基本定律被广泛应用于研究和解释能量的转化和传递规律。

本课件将详细介绍热力学定律的概念和应用。

一、热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，表明能量在物理过程中的转化和传递是守恒的。

根据该定律，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体传递给另一个物体。

热力学第一定律的数学表达式如下：ΔU = Q - W其中，ΔU表示系统内能量的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。

二、热力学第二定律：熵增定律热力学第二定律又被称为熵增定律，表明在孤立系统中，熵（一种描述系统无序程度的物理量）总是趋向增加。

简单来说，自然界中的过程总是趋于无序化。

熵增定律可以通过热力学温度和熵的关系来表达，即：dS ≥ dQ/T其中，dS表示系统熵的增加量，dQ表示系统吸收的热量，T 表示系统的温度。

三、热力学第三定律：绝对零度不可达定律热力学第三定律表明，当温度趋近于绝对零度时，熵的值趋近于一个常数，即系统的熵接近于零。

换句话说，绝对零度是无法达到的。

根据热力学第三定律，绝对零度时熵的值为零，即：S(T=0) = 0这个定律为我们研究低温物理学和物质性质提供了基础。

四、热力学第零定律：温度的传递现象热力学第零定律表明，如果两个系统和第三个系统分别达到热平衡，那么这两个系统之间也处于热平衡状态。

换句话说，在热平衡状态下，物体间不存在温度差异。

这个定律为我们测量温度提供了基础，也为温度的传递现象提供了解释。

五、热力学第四定律：能量转化效率的上限热力学第四定律，也被称为卡诺定律，明确了能量转化效率的上限。

根据热力学第四定律，理想卡诺循环的效率是温度差的函数，对于给定的热源和冷源温度，卡诺循环的效率是所有可能工作循环中最高的。

吸收热量
m M mol
CV T
m M mol
C p T
m RT ln V2
M mol
V1
或 m RT ln p1
M mol
p2
对外作功
0
pV
或 m RT M mol
m RT ln V2
M mol
V1
或 m RT ln p1
M mol
p2
内能增量
m M mol
CV T
m M mol
CV T
0
pV 常量
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例9-2 设有氧气 8 g，体积为0.4110-3 m3 ，温度为 300 K。如氧气做绝热膨胀，膨胀后的体积为4.110-3 m3 。问：气体做功多少？氧气做等温膨胀，膨胀后 的体积也是4.110-3 m3 ，问这时气体做功多少？
解： m=0.008 kg M =0.032 kg T1=300 K
941 (J)
等温膨胀做功：
A
m M
RT1 ln
V2 V1
1 8.31 300 ln 10 4
1.44 103 (J)
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作业 Page70 9-1 9-6
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理想气体热力学过程的主要公式
过程 特征 过程方程
等体 V=常量 p 常量 T
等压 p=常量 V 常量 T
等温 T=常量 pV 常量
C
（3）比较各过程吸热多少？
D
解：（1） A A B A A C A A D
（2）等压过程 E A B 0
O V1
V2 V
等温过程 E A C 0 绝热过程 E A D A A D 0
（3） Q A B Q A C Q A D

第9章 热力学基础本章是热现象的宏观描述—热力学,其主要内容有:平衡态、准静态过程、热量、体积功、内能、热容等概念.热力学第一定律及其对理想气体等值过程、绝热过程和多方过程的应用;循环过程、卡诺循环、热力学第二定律、熵和熵增加原理等.§9.1 热力学系统 理想气体状态方程一、热力学系统人们通常把确定为研究对象的物体或物体系统称为热力学系统(简称为系统),这里所说的物体可以是气体、液体或固体这些宏观物体,在热力系统外部,与系统的状态变化直接有关的一切叫做系统的外界.热力学研究的客体是由大量分子、原子组成的物体或物体系.若系统与外界没有能量和质量的交换,这样的系统称为孤立系统,与外界没有质量交换,但有能量交换的系统,称为封闭系统,既有质量又有能量交换的系统称为开放系统.二、气体的状态参量在力学中研究质点机械运动时,我们用位矢和速度(动量)来描述质点的运动状态.而在讨论由大量作无规则运动的分子构成的气体状态时,位矢和速度(动量)只能用来描述分子运动的微观状态,不能描述整个气体的宏观状态.对一定量的气体,其宏观状态常用气体的体积V 、压强P 和热力学温度T(简称温度)来描述。

P 、V 、T 这三个物理量叫做气体的状态参量,是描述整个气体特征的量,它们均为宏观量,而象分子的质量、速度、能量等则是微观量.三个量中,气体的体积V 是几何参量,是指气体分子所能到达的空间,对于装在容器中的气体,容器的容积就是气体的体积.在国际单位制中,体积的单位是立方米,符号是m 3.气体的压强是力学参量,是作用于容器器壁上单位面积上的正压力.在国际单位制中,压强的单位是帕斯卡，符号为2a a m N 1P 1P ⋅=，，有时也用标准大气压(atm),厘米汞柱高(cmHg)它们之间的关系为a 5P 100131cmHg 76atm 1⨯==.温度T 是物体冷热程度的量度,是热学量.定义温度的科学依据是热力学第零定律要进行温度的测量,必须建立温标,温标是温度的数值表示法.各种各样的温度计都是由各种温标确定的.常用的温标有摄氏温标;而热力学温标是最基本的温标,符号为T ,单位是开尔文(K).1960年国际计量大会规定摄氏温度与热力学温度之间的关系为 15273.-=T t三、平衡态气体平衡状态的概念是个非常重要的概念.把一定质量的气体装在一给定体积的容器中,经过足够长的时间后,容器内各部分气体的压强相等.温度相同,此时气体的状态参量具有确定的值.如果容器中的气体与外界没有能量和物质的交换,气体内部也没有任何形式的能量与物质转化(例如没有发生化学变化或原子核的变化等),则气体的状态参量将不随时间而变化,这样的状态叫做平衡状态.应该指出,容器中的气体总不可避免的会与外界发生程度不同的能量和物质交换.所以平衡态只是一个理想的模型.实际中,如果气体状态的变化很微小,可以略去不计时就可以把气体的状态看成是近似平衡态.还应指出,气体的平衡状态只是一种动态平衡,因为,分子的无规则运动是永不停息的.通过气体分子的运动和相互碰撞,在宏观上表现为气体各部分的密度、温度、压力均匀且不随时间变化的平衡态.对于处在平衡态、质量为M 的气体,它的状态可用一组P 、V 、T 值来表示.例如,一组参量值111T V P 、、表示一个状态,另一组参量222T V P 、、表示另一状态,在以P 为纵轴,V 为横轴的P —V 图上,气体的一个平衡状态可以用一个确定的点来表示.如图9.1中的点A（111T V P 、、）或点B （222T V P 、、） . 四、理想气体物态方程 实验证明,当一定量的气体处于平衡态时,描述平衡状态的三个参量P 、V 、T 之间存在一定的关系,当其中任意一个参量发生变化时,其他两个参量也将随之改变,即其中一个量是其他两个量的函数,如0==)()(T V P f V P T T 、、或、上述方程就是一定量的气体处于平衡态时气体的物态方程.在中学物理中我们已经知道,一般气体, 在密度不太高,压力不太大(与大气压强相比)和温度不太低(与室温比较)的实验范围内,遵守玻意耳定律,盖·吕萨克定律和查理定律,我们把任何情况下都遵守上述三条实验定律和阿伏伽德罗定律的气体称为理想气体.一般气体在温度不太低,压强不太大时,都可以近似当作理想气体.描述理态气体状态的三个参量P 、V 、T 之间的关系即为理想气体物态方程.可由三个实验定律和阿伏伽德罗定律导出.对一定质量的理想气体,物态方程的形式为）（摩尔数μ=νμ=M RT M PV (9.1) )(111T V P A 、、)(222T V P B 、、PVO图9.1式中的M 为气体质量, μ为一摩尔气体的质量,简称摩尔质量,如氧气的摩尔质量13m ol kg 1032--⋅⨯=μ。