1030大学物理基础

（2）氢气的内能变化多少？
（3）氢气对外做了多少功？
（4）如果这氢气的体积保持不变而温度发生同样的变化，它该吸收多少热量？
3、做简谐运动的小球，速度最大值为3/m v cm s =，振幅2A cm =。

若从速度为正的最大值的某时刻开始计算时间，
（1）其振动的角频率、周期各为多少？
（2）其加速度的最大值为多少？
（3）其振动的初相位如何？并写出振动表达式。

4、一简谐横波以0.8m/s 的速度沿一长弦线传播。

在x=0.1m 处，弦线质点的位移随时间的变化关系为()0.05sin 1.0 4.0y t =-，试写出波函数。

5、用很薄的玻璃片盖在双缝干涉装置的一条缝上，这时屏上零级条纹移到原来第7级明纹的位置上。

如果入射光的波长550nm λ=，玻璃片的折射率 1.58n =，求此玻璃片的厚度。

（题二、5图）
2.
3.
.。

大学物理基础知识引言大学物理是一门研究自然界中物质和能量相互作用的科学，涉及广泛的知识领域。

本文将介绍大学物理基础知识的核心内容，包括力学、热学、电磁学和光学。

力学力学是研究物体运动和受力情况的分支学科。

在这一领域中，我们需要了解牛顿三大运动定律、坐标系与参考系、速度和加速度、力的概念等内容。

同时，还需要掌握物体平衡与不平衡状态下的受力分析以及静力学和动力学。

热学热学是研究能量转化和传递方式以及温度变化规律的科学。

其中，我们将涉及温度与摄氏度、热功和内能、热容量与比热容等基本概念。

此外，还需要了解传热过程中的导热、对流和辐射等机制，并且掌握理想气体状态方程、焦耳-汤姆逊效应等相关内容。

电磁学电磁学是研究电荷与电场、电流与磁场、电磁波等相互作用的学科。

在大学物理基础中，我们将介绍库仑定律、电势差和电势能以及电场强度和电位移。

此外，还需要了解磁场的性质、安培环路定理和法拉第定律，并且掌握交流电路中的欧姆定律和皮肤效应等内容。

光学光学是研究光的传播以及光与物质相互作用的学科。

在这一领域中，我们将涵盖几何光学和波动光学两个方面。

几何光学主要讲述光线在直线运动过程中的折射、反射以及成像等原理。

而波动光学则探讨干涉、衍射以及光的色散现象等内容。

结论大学物理基础知识包括力学、热学、电磁学和光学四个重要领域，在科技发展日新月异的时代，其应用价值不言而喻。

通过对这些知识的深入了解与应用，我们可以更好地认识和解释自然界中发生的现象，并为未来的科学研究和技术创新做出贡献。

以上是大学物理基础知识的简要介绍，希望对您有所帮助。

如果您还有其他问题或需要进一步了解，请随时告诉我。

当光程差为零时，对应零条纹的位置应满足： 所以零级明条纹下移。 原来 k 级明条纹位置满足
设有介质时零级明条纹移到原来第 k 级处，它必须同时满足 因此，介质厚度为
-2-
自的最大值，又同时沿相同方向通过平衡位置。
9、光的相干条件:①两列波的振动方向相同，或有相同的分量
②两列波的频率相同
③两列波的位相差恒
二、计算题
4 、解：由 x=0.1m 处质点的振动函数
可得
，因此可得波长为
1、 该问题需要分别求等体和等压过程中的热量，因此可以利用等体摩尔热容河等压摩尔热容来进行计
，可得
，可知
，而
，所以有
7、
;三个特征量:振幅 A、周期 T、频率 。
8、驻波是由振幅、频率和传播速度都相同的两ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ相干波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加而
成的一种特殊现象。 特点:(1),相邻波腹间距=相邻波节间距=λ /2。(2),波节两边各点同时沿相反方
向达到各自位移的最大值，又同时沿相反的方向通过平衡位置；而两波节之间各点则沿相同方向达到各
5 2
8.31
400
300
692J
Qp
Cp,m
T 2T
1
1 3
7 8.31 400 300
2
970J
因此 Qp QV ，其原因是两过程内能变化相等（因为温度差都等于 T2-T1），等压过程需对外做功，所
以需要吸收更多的热量。
一、简答题
1、一个系统的各种性质不随时间改变的状态称为平衡态。
3、 表达式:
算，即 Q CT 。
首先，根据理想气体状态方程计算摩尔数，
M
pV 10.082105 1

西南大学网络与继续教育学院课程考试试题卷类别：网教专业：电力系统自动化技术2017 年6月课程名称【编号】：大学物理基础【1030】 A卷大作业满分：100 分一、简答题：（每题8分，选择其中5个题目作答，共40分）1、什么是平衡态？答：在无外界影响的条件下，气体的状态不随时间而变化的状态叫做平衡状态。

只有当工质的状态是平衡状态时，才能用确定的状态参数值去描述。

只有当工质内部及工质与外界间，达到热的平衡（无温差存在）及力的平衡（无压差存在）时，才能出现平衡状态2、温度的微观本质是什么？答：温度是表示物体的冷热程度的物理量,从分子动理论的观点看,温度标志着物体内部大量分子无规则运动的剧烈程度,分子热运动越剧烈,其温度就越高,反之,温度越低.所以说温度是大量分子的平均动能的标志.3、能量均分定理的内容是什么？答：能量均分定理是一种联系系统温度及其平均能量的基本公式。

能量均分定理又被称作能量均分定律、能量均分原理、能量均分，或仅称均分。

能量均分的初始概念是热平衡时能量被等量分到各种形式的运动中；例如，一个分子在平移运动时的平均动能应等于其做旋转运动时的平均动能。

能量均分定理能够作出定量预测。

类似于均功定理，对于一个给定温度的系统，利用均分定理，可以计算出系统的总平均动能及势能，从而得出系统的热容。

均分定理还能分别给出能量各个组分的平均值，如某特定粒子的动能又或是一个弹簧的势能。

例如，它预测出在热平衡时理想气体中的每个粒子平均动能皆为(3/2)kBT，其中kB为玻尔兹曼常数而T为温度。

更普遍地，无论多复杂也好，它都能被应用于任何处于热平衡的经典系统中。

能量均分定理可用于推导经典理想气体定律，以及固体比热的杜隆-珀蒂定律。

它亦能够应用于预测恒星的性质，因为即使考虑相对论效应的影响，该定理依然成立。

4、什么是热力学第二定律？其克劳修斯表述是什么？答：1：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2：克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理,指出：一个自动运作的机器,不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化,这就是热力学第二定律在提出第二定律的同时,克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T,并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中,实际发生的过程总是使整个系统的熵增加.但在这之后,克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中,认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温,直至一个时刻不再有温差,宇宙总熵值达到极大.这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移,此即“热寂论5、什么是准静态过程？答：准静态过程是指系统从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时经历的全部状态的总合。

1、波长λ=5000Ǻ的单色光垂直照射到宽度a=0.25mm 的单缝上，单缝后面放置一凸透镜，在凸透镜的焦平面上放置一屏幕，用以观测衍射条纹。

今测的屏幕上中央条纹一侧第三个暗条纹和另一侧第三个暗条纹之间的距离为d=12mm ，则凸透镜的焦距f 为1.2m 2. 1m3. 0.5m4.0.2m2、根据惠更斯—菲涅耳原理，若已知光在某时刻的阵面为S ，则S 的前方某点P 的光强度决定于波阵面S 上所有面积元发出的子波各自传到P 点的1. 振动振幅之和2. 光强之和3. 振动振幅之和的平方4.振动的相干叠加3、在玻璃（折射率n3 =1.60）表面镀一层MgF2 (折射率n2=1.38)薄膜作为增透膜，为了使波长为5000Ǻ的光从空气(n1=1.00)正入射时尽可能少反射，MgF2薄膜的最少厚度应是（ ）1. 1250Ǻ2. 1810Ǻ3. 2500Ǻ4.906Ǻ4、在双缝干涉实验中，入涉光的波长为λ，用玻璃纸遮住双缝中的一个缝，若玻璃纸中光程比相同厚度的空气的光程大2.5λ，则屏上原来的明纹处（ ）1.仍为明条纹2.变为暗条纹3.既非明纹也非暗纹4.无法确定是明纹，还是暗纹5、以下不是几何光学的基本实验定律的是（）1.光在均匀介质中的直线传播定律2.光通过两种介质分界面的反射定律和折射定律3.发射的光的强弱满足基尔霍夫定律4.光的独立传播定律6、对于温度，有以下几种说法①温度的高低反映了物质内部分子运动剧烈程度的不同②气体的温度是分子平均平动动能的量度③气体的温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计意义④从微观上看，气体的温度表示每个气体分子的冷热程度上述说法正确的是1.①、②、④2.①、②、③3.②、③、④4.①、③、④7、有两个容器，一个盛氢气，另一个盛氧气。

如果这两种气体分子的方均根速率相等，则表明（）1.氧气的温度比氢气高2.氢气的温度比氧气高3.两种气体的温度相同4.两种气体的压强相同8、“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做功，因此热能能够全部转化为机械能”。

1001 光从光疏介质射入光密介质，在光密介质中1001 A 光的传播速率变大；1001 B 折射角比入射角大；1001 C 光的振动频率变快；1001 D 光的波长变小。

1002 下面有几种说法，正确的说法是1002 A 有相同的振幅就有相同的光强；1002 B 振幅较大者,其光强较大；1002 C 二光波分别在水中，空气中传播，其振幅相等，但光强不等，空气中的较强；1002 D 二光波分别在水中，空气中传播，其振幅相等，但光强不等，水中的较强。

1003 光在真空中传播速率与1003 A 波长有关；1003 B 频率有关；1003 C 光源的速率有关；1003 D 观察者的速率有关；1003 E 与上述各因素均无关。

1013 波长为550nm 的黄光，从空气射入水中，在水中给人眼的色感为1013 A 青蓝色；1013 B 红色；1013 C 黄色；1013 D 不能判定。

1014 空气中振幅为A的光强是水中(折射率为34)振幅也为A的光强的倍数为1014 A 1；1014 B34；1014 C43；1014 D916；1014 E169。

1024 一束白光从空气射入玻璃，当光在玻璃中传播时，下列说法正确的是：1024 A 紫光的速率比红光小；1024 B 红光的频率比紫光大；1024 C 在玻璃中红光的偏向角比紫光小；1024 D 不同色光在玻璃中的波长与各自在真空中波长的比值也不同。

1030 可见光的波长范围在＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿之间相应的频率范围是＿＿＿1030 ＿＿＿＿＿＿Hz。

1031 真空中波长为l 的单色光射入折射率为n 的介质中，该光在这介质中的频率为1031 ＿＿＿＿＿＿，波长为＿＿＿＿＿，光速为＿＿＿＿＿。

1046 太阳与地球之间的距离为km 8 10 5 . 1 ⨯ ，光由太阳到达地球所需要的时间为__ 1046 __________________秒。

1050 钠黄光的频率为Hz 14 10 1 . 5 ⨯ ,它以0 45 入射角由空气射入玻璃后，折射角为1050 0 30 ，问该光在玻璃中的传播速率和波长各为多少？相对空气中的波长改变了1050 多少？1005 在下列几种说法中,正确的说法是：1005 A 相等光程的几何距离必然相等；1005 B 光行进相同的光程,经历的时间必然相等；1005 C 几何距离大的,其光程必然较大；1005 D 相同的光程必然有相同的对应的真空距离。

129第十章 量子物理基础本章提要1． 光的量子性· 物体由于自身具有一定温度而以电磁波的形式向周围发射能量的现象称热辐射。

· 在任何温度下都能全部吸收照射到其表面上的各种波长的光（电磁波），的物体称为绝对黑体，简称黑体。

· 单位时间内从物体单位表面积发出的、波长在λ附近单位波长间隔内电磁波的能量称单色辐射本领（又称单色辐出度），用)(T M λ表示· 单位时间内物体单位表面积发出的包括所有波长在内的电磁波的辐射功率称为辐射出射度，用则M 表示，M 与)(T M λ的关系为0()d M M T λλ∞=⎰2． 维恩位移定律在不同的热力学温度T 下，单色辐射本领的实验曲线存在一个峰值波长λm ， T 和λm 满足如下关系：λm T b =其中，b 是维恩常量。

该式称维恩位移定律。

3． 斯忒藩—玻尔兹曼定律· 黑体的辐射出射度M 与温度T 的关系为4T M σ=其中，σ为斯忒藩—玻尔兹曼常量。

该结果称斯忒藩—玻尔兹曼定律。

· 对于一般的物体4T M εσ=ε称发射率。

4． 黑体辐射· 能量子假说：黑体辐射不是连续地辐射能量，而是一份份地辐射能量，并且每一份能量与电磁波的频率ν成正比，满足条件E nhv =，其中n ＝1，2，3，…，等正整数，h 为普朗克常数。

这种能量分立的概念被称为能量量子化，130每一份最小的能量E hv =称为一个能量子。

· 普朗克黑体辐射公式（简称普朗克公式）为112)(/52-=kT hc e hc T M λλλπ其中，h 是普朗克常量。

由普朗克公式可以很好地解释黑体辐射现象。

· 光子假说：光是以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。

一个光子具有的能量为νh E =动量为 λh p =5． 粒子的波动性· 实物粒子也具有波粒二象性，它的能量E 、动量p 与和它相联系的波的频率ν、波长λ满足关系2E mc h ν==λh p m u ==这两个公式称为德布罗意公式或德布罗意假设。

一、简答题1、什么是平衡态？答：在无外界影响的条件下，气体的状态不随时间而变化的状态叫做平衡状态。

只有当工质的状态是平衡状态时，才能用确定的状态参数值去描述。

只有当工质内部及工质与外界间，达到热的平衡（无温差存在）及力的平衡（无压差存在）时，才能出现平衡状态4、什么是热力学第二定律？其克劳修斯表述是什么？答：热力学第二定律，热力学基本定律之一，其表述为：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，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。

又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。

克劳修斯的表述是，热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物，表达的是内能之间传递的单向性6、什么是简谐振动？描述简谐振动的三个特征量是什么？答：一个作往复运动的物体，如果其偏离平衡位置的位移X（或角位移θ）随时间t按余弦（或正弦）规律变化，即x=Acos(wt+Φ0)这种振动称为简谐振动。

三个特征（1）振幅（2）周期，频率（3）相位和初相位8、光的相干条件是什么？答：稳定干涉条件：（1）.频率相同（2）.振动方向不相互正交（3）.相位差恒定暂态干涉条件：（1）.θ=π/2，即E10、E12不相互正交（2）.在时间间隔τ中＜cosδ＞≠09、什么是光的衍射？光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象。

这种现象叫光的衍射。

二、计算题1、解：等容过程Q=1×Cvm×（500-300）=1×1.5×8.31×200= 2493J A=0 则增加的内能为2493J等压过程Q=1×Cpm×（500-300）=1×2.5×8.31×200=4155 A=R×（500-300）=8.31×200=1662 则增加的内能为4155-1662=24932、4.解：（1）将所给波函数和标准式进行比较，可以得到由于t和x的系数反号，因此可知波沿x轴正向传播。

西南大学网络与持续教育学院课程考试一试题卷类型：网教专业： 工程造价 2018年12月课程名称【编号】：大学物理基础 【1030】 A卷大作业满分：100分.本来是第5明纹中心所占的地点上。

设光芒垂直射入薄片，薄片的折射率 n ＝1.60，波长 λ＝660nm ，求薄片的厚度。

5、为了丈量金属细丝的直径，把金属丝夹在两块平玻璃之间， 使空气层形成劈尖（如一、简答题：（共8个题，选择此中 4个题目作答，每题 10分，共40分）1、什么是均衡态？图所示）。

如用单色光垂直照耀，就获得等厚干预条纹。

测出干预条纹间的距离，就能够 算出金属丝的直径。

某次的丈量结果为：单色光的波长λ=589.3nm ，金属丝与劈尖极点间2、温度的微观实质是什么？的距离 L，条纹间的距离为，求金属丝的直径D 。

=28.880mm304.295mm3、热力学第必定律的内容是什么？4、什么是热力学第二定律？其开尔文表述是什么？（题二、5图）5、什么是简谐振动？描绘简谐振动的三个特点量是什么？6、什么是驻波？7、什么是光程？8、什么是光的衍射？二、计算题：（共5个题，选择此中 2个题目作答，每题 30分，共60分）1、某容器储有氧气，其压强为 5Pa ，温度为 ，求：1.013×10300K（1）单位体积内的分子数；（2）分子的p ， 及2；（3）分子的均匀平动动能 k 。

2、64克氧气从0C 加热至50C ，（1）保持体积不变；（2）保持压强不变。

在这两个（R8.31J/mol.K ）3、波源的振动方程为y 6.0 102cosπt （m ），它所激起的波以 2.0m/s 的速度在向来5线上流传，求：（1）距波源6.0m 处一点的振动方程； （2）该点与波源的相位差。

4、在杨氏双缝干预实验中，用一块薄的玻璃片将上缝遮住，结果使中央明纹中心移到;...一、简答题 3.答：答：若系统与外界无能量互换，则系统的宏观性质不随时间改变，这样的状态称为均衡态。

西南大学培训与继续教育学院课程考试试题卷
学期：2020年春季
课程名称【编号】：大学物理基础【1030】A卷
考试类别:大作业满分：100分
一、简答题：（共8题，每题10分，选择其中4个题目作答，共40分）
1、温度的微观本质是什么？
答：温度的微观本质是物体的分子平均动能的一种度量方式，也就是用摄氏度、华氏度、开尔文等热学计量单位来表达物体的分子平均动能。温度表达的是物体的总“热能”除以物质的量以后得到的结果。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。国际单位为热力学温标（K）。目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标（°F）、摄氏温标（°C）和国际实用温标。从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。根据某个可观察现象（如水银柱的膨胀），按照几种任意标度之一所测得的冷热程度。
二、计算题：（共5题，每题30分，选择其中2个题目作答，共60分）
1、一体积为1.0×10-3m3的容器中，含有4.0×10-5kg的氦气和4.0×10-5kg的氢气，它们的温度为30℃，试求容器中混合气体的压强。
答：T=273+30=303K
He的摩尔质量：M1=4.1X 10^-3kg/mol
H2的摩尔质量：M2=2.0X 10^-3kg/mol
P1=M1RT/M1V=4 X 10^-5X8.31 X 303/4X 10^-3X 1 X 10^-3=2.25 X
10^4
P2=M2RT/M2V=4 X 10-5X8.31 X 303/2X 10-3X 1X 10-3=5.04 X
10^ 4
P=P1+P2=7.56X10^ 4Pa

901
机械制造技术基 础
年；或《机械制造技术基础》（第二版），卢秉恒、赵 万华、洪军．高等教育出版社，2005 年；或《机械制造 技术基础》（第二版），张世昌、李旦、高航．高等教
育出版社
903 光学
《光学教程》（第四版），姚启钧编．高等教育出版社， 2008 年
904 机械原理
《机械原理》，华大年或黄锡恺编．高等教育出版社； 或《机械原理》，申永胜编．清华大学出版社
布丁考研网，在读学长提供高参考价值的复习资料
2004 年
951
信号与线性系统
《信号与线性系统》（第四版），管致中等．高等教育 出版社，2004 年
952 数字信号处理
《数字信号处理》，吴镇扬．高等教育出版社，2004 年 9
953 电磁场理论
《电磁场与电磁波》（第二版），陈邦媛．科学出版社， 2006 年
《新编简明英语语言学教程》（第二版），主编戴炜栋、
917
英语语言文学基 础与汉语写作
何兆熊．上海外语教育出版社，2010 年；《英美文学选 读》（增订版），吴翔林编著．中国对外翻译出版公司，
2005 年 1 月
918 教育技术综合
《计算机应用基础》，全国高等网络教育考试委员会办 公室．清华大学出版社，2013 年。《教学设计》，皮连 生．高等教育出版社，2009 年
954
射频与微波电路
《射频通信电路》（第二版），陈邦媛．科学出版社， 2006 年
955 数据结构
《数据结构》（C 语言版）（第一版），严蔚敏、吴伟 明．清华大学出版社，1997 年；与《数据结构：C++实 现》，缪淮扣．科学出版社，2004 年
《常微分方程》（第二版），王高雄、周之铭等编．高

§3-1 刚体模型及其运动
§3-2 力矩 转动惯量 定轴转动定律 §3-3 定轴转动中的功能关系 §3-4 定轴转动刚体的角动量定律和角动量守恒定律
*§3-5 *§3-6 *§3-7
进动 理想流体模型 定常流动 伯努利方程 混沌 牛顿力学的内在随机性
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§3-0 教学基本要求
一、掌握刚体绕定轴的转动定律，理解转动惯 量的概念。 二、理解刚体定轴转动的转动动能概念，能在 有刚体绕定轴转动的问题中正确地应用机械能守恒 定律。 三、掌握刚体绕定轴转动的角动量守恒定理及 其适用条件。 四、理解理想液体的性质，定常流动的伯努利 方程。
上页 下页 本要求

大学物理是一门以经典物理学为基础，旨在为学生提供广泛物理学知识、方法和思维方式的课程。

它是自然科学的基础学科之一，对于培养学生的科学素养、创新能力和实践能力具有重要意义。

本文将从大学物理的课程设置、教学方法、实践环节和考核评价等方面进行详细阐述。

一、课程设置大学物理课程设置分为两个层次：基础物理和进阶物理。

基础物理主要包括力学、热学、电磁学、光学和原子物理学等内容，为学生奠定物理学的基本理论和实验技能。

进阶物理则包括量子力学、电动力学、统计物理学、固体物理学等，使学生能够深入理解物理学的前沿领域和发展趋势。

在课程设置上，大学物理注重理论与实践相结合，强调学科交叉和综合能力的培养。

通过学习大学物理，学生可以掌握物理学的基本概念、原理和方法，培养科学思维和创新能力，为后续专业课程的学习和研究打下坚实基础。

二、教学方法大学物理的教学方法丰富多样，包括课堂讲授、实验教学、小组讨论、学术报告等。

课堂讲授是大学物理教学的主要形式，教师通过讲解、演示、案例分析等手段，使学生掌握物理学的理论知识。

实验教学是培养学生实践能力和创新精神的重要途径，学生通过实验操作、数据分析和实验报告撰写，加深对物理学原理的理解。

小组讨论和学术报告有助于培养学生的团队协作能力和学术交流能力。

在小组讨论中，学生针对某一物理问题进行深入探讨，相互启发，共同解决问题。

学术报告则要求学生对自己感兴趣的研究领域进行文献查阅、综述撰写和口头报告，提高学生的学术素养和表达能力。

三、实践环节大学物理的实践环节包括实验教学、课程设计和科研训练等。

实验教学是实践环节的重要组成部分，学生通过实验操作和数据分析，加深对物理学原理的理解。

课程设计要求学生运用所学知识解决实际问题，培养学生的创新能力和实践能力。

科研训练则为学生提供参与科研项目的机会，使学生了解科研过程，提高科研素养。

四、考核评价大学物理的考核评价体系注重过程评价和综合能力考核。

平时成绩主要包括课堂表现、作业完成情况和实验报告等，旨在引导学生注重学习过程，培养良好的学习习惯。

第十一章 热力学基础本篇引言指出，统计物理学和热力学的研究对象相同，都是热现象，但研究方法不相同．统计物理学从物质是由大量分子组成以及分子作热运动的观点出发，运用统计方法建立宏观量与相应的微观量的平均值之间的关系，从物质的微观结构说明物质的宏观现象，所以统计物理学是微观理论．与此相反，热力学不涉及物质的微观结构，它以实验定律为基础，从能量观点出发，研究热现象的宏观规律，所以它属于宏观理论．热力学具有高度的普遍性和可靠性．统计物理学与热力学的研究方法虽然不同，但它们彼此联系，互相补充，使我们对现象的认识更加全面，更加深入，都是研究热现象的不可缺少的理论．§11－1 功 内能 热量一、功在热力学中通常把所研究的物体(气体、液体或固体)称为热力学系统，简称系统．而把与系统发生作用的环境称为外界．在力学中，我们将力对质点所作的功定义为力在位移方向的分量与位移大小的乘积；角位移d θ中力矩M 的功定义为d W = M d θ．此外，在电磁学中，还定义过电场力的功和磁场力的功．功的概念是很广泛的，但不论是哪一种类型的功，作功的过程始终是与能量的改变、转换以及运动形式的转化相联系．现在，我们要研究热力学系统在状态变化过程中所作的功．我们假设系统的状态变化过程进行得无限地缓慢，使系统所经历的每一中间状态无限地接近于平衡状态，也就是每一中间状态有确定的状态参量，这种过程就是上一章已讲过的准静态过程．在本章中所要讨论的过程均设为准静态过程．取封闭在气缸中的质量一定的气体为研究对象．气缸活塞的面积为S ，如图11－1(a)．当气体的压强为p 时，气体作用于活塞的力为F = pS ．令气体作准静态膨胀，现在来研究气体在这一膨胀过程中所作的功．当活塞移动一个微小距离d l 时，气体体积的增量为d V = S d l ，气体所作的功为d W = F d l = pS d l = p d V由于这是气体在体积发生无限小变化期间所作的功，称为元功．如果气体膨胀，d V > 0，d W 为正，表示系统对外界作功；如果气体被压缩，d V < 0，d W 为负，表示外界对系统作功．当气体由体积为V 1的状态I 变到体积为V 2的状态II 时，其状态变化过程(准静态过程)可用p －V 图上一光滑曲线表示，如图11－1(b)．元功p d V 可用此图上有阴影的窄条面积表示．气体从状态I 变到状态II 所作的总功等于曲线下面所有这样的窄条面积的总和，即面积I II V 2V l I ，用积分表示则为(a) (b)图11－1⎰=21d V V V p W （11－1） 显然这个功与过程曲线的形状有关，也就是与过程有关．即使初末状态相同，只要过程路径不同，整个过程中气体所作的功就不相同．所以气体所作的功不仅与气体的初末状态有关，而且还与气体所经历的过程有关．功是一个过程量不是状态量．二、系统的内能为了精确地测定热运动与机械运动之间的转化关系，焦耳从1840年开始的20多年期间，反复进行了大量的实验．实验中，工作物质(水或气体)盛在不传热的量热器中，以致没有热量传递给系统，这样的过程称为绝热过程．例如，图11－2(a)中，重物下降带动量热器中的叶轮搅拌使水温升高，通过机械功使系统内能的状态发生改变．图11－2(b)中，将水与电阻丝视为一个系统，重物下降驱动发电机，发电机产生的电流通过电阻丝，使水温升高，即电功使系统的状态发生改变．焦耳通过大量的实验发现，在绝热过程中，无论用什么方式作功，使系统升高一定的温度所作功的数量是相等的．即在绝热过程中外界对系统所作的功仅与系统的初末状态有关，与过程无关．由于功是能量变化的量度，在热力学中定义系统内能E 的增量等于绝热过程中外界对系统所作的功ΔE = E 2 – E 1 = W 绝热系统的内能和系统的机械能一样完全取决于系统的状态，是系统状态的单值函数，即是它的状态参量的单值函数．在上一章中用气体动理论的观点已经说明，系统的内能包括物体内部大量分子的无规则运动(平动、转动及振动)的动能和分子间相互作用的势能．例如，对给定的理想气体来说，其内能RT i M m E 2=是温度T 的单值函数．对实际气体来说，由于分子间的相互作用力不能忽略，除了分子的各种运动的动能以外，还有分子间的势能，这势能与分子间的距离有关，也就是与气体的体积有关，所以实际气体的内能是气体的温度T 及体积V 的函数．E = E (T ，V )如果用统计物理学方法来研究系统的内能，就要计算分子的动能和势能，为此就要知道系统由什么样的分子组成，分子间的相互作用力以及分子有哪几种运动等．但除了理想气体之外，这个要求是很难满足的．所以用统计物理学的方法来研究系统的内能是有困难的．我们用热力学方法来研究系统的内能，并以统计物理学中建立的内能概念为基础，从能量观点出发来研究系统的内能与被传递的(a) (b)图11－2热量和所作的功之间的关系，可以不需要知道系统的微观结构．三、热量热与功的等效性前面已经说明，对系统作功可以使系统的状态(如温度)发生变化，并改变系统的内能．经验表明，当系统与外界之间存在温度差时，外界与系统发生热传递也可以使系统的状态发生变化，改变系统的内能．例如把一杯冷水与高温物体接触，这时高温物体传热给水，水的温度逐渐升高，内能增加．在图11－2(b)中，如果将量热器中的水视为一个系统，电流通过电阻丝发热并传递给水，水温升高，内能增加．所以向系统传热也是向系统传递能量，传热和作功都是传递能量的方式，传热和作功是等效的．热力学中定义热量为在不作功的传热过程中系统内能变化的量度．当系统在一个不作功的传热过程中内能由E1改变为E2时，系统从外界所吸收的热量为Q，则Q = ΔE = E2-E1上式表明，热量与功和能量的单位完全相同，在国际单位制中都是焦耳．焦耳曾经用实验证明：如果分别用传热和作功的方式使系统的温度升高，则当系统升高的温度相同时，所传递的热量和所作的功总有一定的比例关系．过去，习惯上热量用卡(cal)为单位，功用焦耳(J)为单位，根据焦耳的实验结果，向系统传递1 cal的热量使它升高的温度与对它作4.18 J的功使它升高的温度相同．此二单位的关系为1 cal = 4.18 J§11－2 热力学第一定律根据上一节的讨论，作功和传递热量是等效的，都是能量传递的方式．如果能量、功和热量都用相同的单位，则根据能量守恒定律，当对系统作功时，系统的能量的增加等于所作的功；当向系统传递热量时，系统的能量的增加等于所传递的热量．在实际过程中，作功和传递热量往往是同时进行的．设外界对系统作功W’，同时又向系统传递热量Q，使系统从平衡状态1变到平衡状态2，则系统的内能的增量等于两者之和，即ΔE= E2-E1= W’+ Q（11－2）其中E2和E1分别为系统在平衡状态1和平衡状态2的内能．在生产技术上往往要研究的是系统吸热对外作功的过程．设W表示系统对外界所作的功，则W’ = -W，则上式可改写为Q= E2-E1+ W（11－3）这就是热力学第一定律的数学表达式．它表示：系统从外界吸取的热量，一部分用于增加系统的内能，另一部分用于对外作功．显然热力学第一定律就是包括热现象在内的能量守恒定律．由于内能的改变与过程无关，而所作的功与过程有关，所以系统吸取的热量与系统所经历的过程有关．在(11－3)式中，Q、E2-E1及W各量可以是正值，也可以是负值，一般规定系统从外界吸热时，Q为正，向外界放热时，Q为负；系统对外界作功时，W 为正，外界对系统作功时，W为负；系统的内能增加时，E2-E1为正，内能减少时，E2-E1为负．又Q、E2-E1及W各量要用同一种单位，在国际单位制中，统一用焦耳为单位．对于微小的状态变化过程，热力学第一定律可写为d Q = d E + d W（11－4）历史上曾有不少人企图制造一种循环动作的机器，使系统经历状态变化后又回到原来的状态，在这过程中不需要外界供给能量而可以不断地对外作功，这种机器叫做第一类永动机．这种企图经过多次尝试都失败了．这些尝试的失败导致了热力学第一定律的建立．反过来，我们从热力学第一定律也可以证明第一类永动机是不可能造成的．因为这种机器作功后又回到原来状态，内能不改变，即E 2 - E 1 = 0，根据热力学第一定律有Q = W ，亦即系统所作的功等于供给它的热量或其他形式的等值的能量，不供给系统能量却要它不断地对外作功是不可能的．在热功转换过程中．虽然热量可以转变为功，功也可以转变为热量，但热量和功的转换不是直接的，而是通过热力学系统来完成的．例如向系统传递热量的直接结果是增加系统的内能，再由内能的减少系统对外界作功，外界对系统作功的直接结果也是增加系统的内能，再由内能的减少系统向外界传递热量．如果脱离开系统，就无法实现功与热量之间的转换，但为了叙述简便起见，通常就说“热转变为功”或“功转变为热”．现在我们进一步研究图11－1中气体从状态I 变到状态II 所经历的过程．(11－1)式给出了在这一过程中系统所作的总功为⎰=21d V V V p W 将上式代入(11－3)式，得气体在从状态I 变到状态Ⅱ的过程中从外界吸取的热量为Q = E 2 - E 1 +⎰21d V V V p （11－5） 在一微小的气体状态变化过程中，热力学第一定律(11－4)式又可写为d Q = d E + p d V （11－6）§11－3 热力学第一定律对理想气体等体、等压和等温过程的应用本节将根据上一章中给出的理想气体状态方程及理想气体的内能公式，应用热力学第一定律分别计算理想气体在等体、等压和等温过程中所作的功、内能的变化及吸收的热量，所得结果将在下面§11－4及§11－6中用到．等体过程 气体的等体过程的特征是气体的体积保持不变，即V 为常量，d V = 0．设气体被封闭在一气缸中，气缸的活塞保持固定不动(图11－3a)．为了实现准静态的等体过程，必须有一系列温度一个比一个高但相差极微的热源，令气缸依次与这一系列热源接触，与每一热源接触时要等到气体达到平衡状态后再令其与另一温度次高的热源接触．这样，气体的温度逐渐升高，压强亦逐渐增大，但体积保持不变，这样的过程就是等体过程．在p －V 图上可用一平行于p 轴的直(a) (b)图11－3线表示，如图11－3(b)，此直线称为等体线．在等体过程中，因气体的体积保持不变，所以气体不作功，d W = p d V = 0，W = 0(图11－3b)．由热力学第一定律得在一微小等体过程中(d Q )V = d E （11－7）对于一有限等体过程，当气体从状态I(p 1，V ，T 1)变到状态II(p 2，V ，T 2)时，根据热力学第一定律，考虑到理想气体的内能公式RT i M m E 2=，得 )(21212T T R i M m E E Q V -=-= （11－8） 下标V 表示体积保持不变．上式表示在等体过程中，气体没有对外作功，外界供给的热量全部用于增加系统的内能．等压过程 气体的等压过程的特征是气体的压强保持不变，即p 为常量，d p = 0．设气体被封闭在一气缸中，气缸的活塞上放置砝码并保持不变(图11－4a)．令气缸与一系列温度一个比一个高但相差极微的热源接触，气体的温度便逐渐升高，体积也逐渐增大，但压强保持不变，这样的过程就是等压过程．在p －V 图上，可用平行于V 轴的直线表示，如图11－4(b)，此直线称为等压线． 根据理想气体状态方程RT Mm pV =在一微小变化过程中d p = 0，气体所作的功为T R Mm V p W d d d == 根据热力学第一定律，气体吸收的热量为T R Mm E V p E Q p d d d d )(d +=+= （11－9） 在一有限过程中，当气体从状态I(p ，V 1，T 1)变到状态Ⅱ(p ，V 2，T 2)时，有 )()(d 121221T T R M m V V p V p W V V p -=-==⎰ （11－10） )(1212V V p E E Q p -+-= （11－11）下标p 表示压强保持不变．上式表示在等压过程中，气体吸收的热量一部分用于增加内能，另一部分用于对外作功，如果用温度表示，则有(a) (b)图11－4)()(21212T T R Mm T T R i M m Q p -+-= 或 )(2212T T R i M m Q p -+= （11－12） )(21212T T R i M m E E -=- （11－13） 比较(11－8)及(11－13)两式看出，不论是等体过程或等压过程，只要是温度变化相同时，内能的变化就相等，这是因为理想气体的内能仅与温度有关之故． 等温过程 气体的等温过程的特征是气体的温度保持不变，即T = 常量，d T = 0．设气体被封闭在气缸中，气缸活塞上放置砂粒(图11－5a)．为了实现准静态等温过程，必须令气缸与一恒温热源接触并一粒一粒地从活塞上取下砂粒，使气体的压强逐渐减小，体积逐渐增大，而温度保持不变，这样的过程就是等温膨胀过程．在p －V 图上可用一曲线表示，如图11－5(b)，这条曲线称为等温线．当温度保持不变时，气体的压强p 与体积V 的关系为pV = C (常量)，所以等温线为双曲线的一支．在等温过程中．因气体的温度保持不变，由理想气体内能公式RT i M m E 2=得知气体的内能保持不变，当气体从状态I(p 1，V 1，T )变到状态II(p 2，V 2，T )时，E 2 - E 1 = 0由热力学第一定律得 ⎰==21d V V T T V p W Q （11－14） 下标T 表示温度保持不变．上式表示在等温过程中气体吸收的热量完全用于对外作功，因为气体的内能保持不变．由理想气体状态方程RT Mm pV = 可解出VRT M m p 1=，代入(11－14)式，便得到 12ln d 21V V RT M m V V RT M m W Q V V T T ===⎰ （11－15）(a) (b)图11－5又因p 1V 1 = p 2V 2，上式亦可写为21ln p p RT M m W Q T T == （11－16） 例题11－1 设质量一定的单原子理想气体开始时压强为3.0×105 Pa ，体积为1.0 L ，先作等压膨胀至体积为2.0 L ，再作等温膨胀至体积为 3.0 L ，最后被等体冷却到压强为1.0×105 Pa ．求气体在全过程中内能的变化、所作的功和吸收的热量 解 如图11－6所示，ab 、bc 及cd 分别表示等压膨胀、等温膨胀及等体冷却等过程．由玻意耳定律得Pa 102.0Pa 100.3100.2100.35335⨯=⨯⨯⨯⨯==--c b b c V V p p 在全过程中，由理想气体内能公式及理想气体状态方程得内能的变化ΔE 为)(2)(2Δa a d d a d a d V p V p i T T R i M m E E E -=-=-= 对于单原子理想气体，i = 3，代入数字得0J )100.1100.3100.3100.1(23Δ3535=⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=--E 气体在全过程中所作的功等于在各分过程中所作的功之和，即W = W p + W T + W V由(11－10)式得W p = p a (V b - V a ) = 3.0×105×(2.0 -1.0) ×10-3 J = 304 J由(11－15)式及理想气体状态方程得J 246J 100.2100.3ln 100.2100.3 ln ln 3335=⨯⨯⨯⨯⨯⨯===---b cb b bc b T V V V p V V RT M m W在等体过程中气体不作功，即W V = 0所以 W = W p + W T + W V = (304+246+0) J = 550 J在全过程中吸收的热量等于在各分过程吸收的热量之和，即Q = Q p + Q T + Q V由(11－12)式及理想气体状态方程得 J 760J 10)0.10.2(100.3223 )(22)(2235=⨯-⨯⨯⨯+=-+=-+=-a b a a b p V V p i T T R i M m Q由(11－16)式得Q T = W T = 246 J由(11－8)式及理想气体状态方程得图11－6J 456J )100.3100.2100.3100.1(23 )(2)(23535-=⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-=-=-=--c c d d c d c d V V p V p i T T R i M m E E Q “-”号表示气体放热．所以 Q = Q p + Q T + Q V = (760+246-456) J= 550 J在全过程中吸收的热量亦可用热力学第一定律求出Q = W + ΔE = (550 + 0) J = 550 J与上面所得结果相同．§11－4 气体的热容根据实验，质量为m 的物体，温度从T l 升高到T 2时，它吸收的热量Q 与T 2 - T l 成比例，又与m 成比例，设c 为比例系数，则Q = mc (T 2 - T l )c 称为组成该物体的物质的比热容．mc 称为该物体的热容．如果物体的物质的量为1摩尔，即mol 1=Mm ，则其热容Mc 称为摩尔热容，它的物理意义是：1 mol 的物质温度升高1 K 时吸收的热量，用C 表示，C = Mc ．摩尔热容的单位是焦耳每摩尔开，符号为J/(mol·K)．气体吸收的热量与气体所经历的过程有关，所以气体的摩尔热容有无限多个，其中最简单而又最重要的是定体摩尔热容和定压摩尔热容．气体的定体摩尔热容 1 mol 的气体在等体过程中，温度升高1 K 时吸收的热量称为定体摩尔热容，记号为C V ,m ．如果1 mol 气体在等体过程中温度升高d T 时吸收的热量为(d Q )V ，则TQ C V V d )d (m ,= （11－17） 由(11－7)式，(d Q )V = d E ，代入上式得TE T Q C V V d d d )d (m ,== （11－18） 如果气体是理想气体，则1 mol 气体的内能为RT i E 2= 代入(11－18)式得R i T E C V 2d d m ,== （11－19） 式中i 是气体分子的自由度，R 是摩尔气体常量．R = 8.31 J/(mol·K)，因此理想气体的定体摩尔热容与气体的自由度有关，而与气体的温度无关．对于单原子理想气体，i = 3，C V ，m =23R = 12.5 J/(mol·K) 对于双原子理想气体，i = 5，C V ，m =25R = 20.8 J/(mol·K) 对于多原子理想气体，i = 6，C V ，m = 3R = 24.9 J/(mol·K)有了定体摩尔热容，就可以计算气体在等体过程中吸收的热量．因为质量为m 的气体的摩尔数为Mm ，故由定体摩尔热容定义，当气体的温度由T l 升高到T 2时吸收的热量为)(12m ,T T C Mm Q V V -=（11－20） 此式适用范围不限于理想气体，但式中C V ,m 应是所讨论的气体在相应温度范围内的平均定体摩尔热容．气体的定压摩尔热容 1 mol 的气体在等压过程中温度升高l K 时吸收的热量称为定压摩尔热容，记号为C p ,m ，如果l mol 气体在等压过程中温度升高d T 时吸收的热量为(d Q )p ，则 T Q C pp d )d (m ,= （11－21）由(11－9)式，(d Q )p = d E + p d V ，代入上式得TV p T E C p d d d d m ,+= （11－22） 对于1 mol 理想气体来说，d E = C V ，m dT ，p d V = R d T ，代入(11－22)式得C p ,m = C V ，m + R （11－23）上式称为迈耶公式．它表示理想气体的定压摩尔热容比定体摩尔热容大一常量R = 8.31 J/(mol·K)．即是说，1 mol 理想气体在等压过程中温度升高1 K 时吸收的热量比在等体过程中吸收的热量多8.31 J ．这多吸收的热量是用来对外作功的．因R i C V 2m ,=，代入(11－23)式得 R i C p 22m ,+= （11－24） 对于单原子理想气体，i = 3，C p ，m =25R = 20.8 J/(mol·K) 对于双原子理想气体，i = 5，C p ，m =27R = 29.1 J/(mol·K) 对于多原子理想气体，i = 6，C p ，m = 4R = 33.2 J/(mol·K)有了定压摩尔热容，就可以计算气体在等压过程中吸收的热量．因为质量为m 的气体的物质的量为Mm ，故由定压摩尔热容定义，当气体的温度从T l 升高到T 2时吸收的热量为)(12m ,T T C Mm Q p p -= （11－25） 此式适用的范围也不限于理想气体．热容比 定压摩尔热容与定体摩尔热容的比值称为气体的热容比，用γ表示：m ,m ,V p C C =γ （11－26） 对于理想气体，R i C p 22m ,+=，R i C V 2m ,=，代入(11－26)式得 ii 2+=γ （11－27）对于单原子理想气体，i = 3，γ =35 = 1.67 对于双原子理想气体，i = 5，γ = 57 = 1.40 对于多原于理想气体，i = 6，γ = 68 = 1.33 表11－1列举了在常温常压下几种气体的定体和定压摩尔热容的实验值．从表中可以看出：(1) 对各种气体来说，两种摩尔热容之差C p ，m - C V ，m 都接近于R ；(2) 对单原子及双原子气体来说C p ，m 、C V ，m 、γ的实验值与理论值都比较接近，这说明古典热容理论近似地反映了客观事实．但是对分子结构复杂的气体即三原子以上的气体来说，理论值与实验值有较大偏离．这说明上述理论是个近似理论，只有用量子理论才能较好地解决热容的问题．§11－5 热力学第一定律对理想气体绝热过程的应用气体与外界无热量交换的变化过程称为绝热过程，它的特征是Q = 0．为了实现绝热过程，必须使容器壁是绝热的．例如气体在用绝热材料包起来的容器内或在杜瓦瓶(如热水瓶胆)内进行的变化过程可近似地看作绝热过程，又如声波传播时所引起的空气的膨胀和压缩，内燃机气缸内爆炸过程后的膨胀作功过程等，由于过程进行得很快，来不及与四周交换热量，也可近似地看作绝热过程． 在绝热过程中，因为Q = 0，热力学第一定律可写为E 2 - E 1 + W Q = 0 （11－28）对于微小的变化过程有d E + p d V = 0 （11－29）由(11－28)式得W Q = - (E 2 - E 1) （11－30）此式表示；气体作绝热膨胀时，对外作功是以气体内能的减少为代价的，由R i C V 2m ,=及(11－13)式得 )(12m ,12T T C Mm E E V -=- （11－31） 以(11－31)式代入(11－30)式得)()(12m ,12T T C Mm E E W V Q --=--= （11－32） 由此式看出，当气体作绝热膨胀对外作功时，它的内能减少，温度降低；反之，当气体作绝热压缩时，外界对气体作功，气体的内能增加，温度升高．总起来讲，不论气体作绝热膨胀或绝热压缩，它的体积和温度都要发生变化，又由理想气体状态方程RT Mm pV =知气体的体积、温度变化时，压强也要发生变化．所以在绝热过程中，气体的p 、V 、T 三个状态参量都同时发生变化．可以证明(推导过程见后面小字部分)在绝热过程中p 、V 、T 三个量中任意两个量之间的关系为pV γ = 常量 （11－33）V γ-1T = 常量 （11－34）p γ-1T -γ = 常量 （11－35） 式中m ,m,V p C C =γ是气体的热容比．以上三个方程中的常量的值各不相同，每一方程中的常量的值可由气体的初始状态决定．以上三个方程中每一方程都表示同一过程．应区别过程方程与状态方程，状态方程适用于任何平衡状态，故RT Mm pV =适用于任何平衡状态，而过程方程只适用于特定过程中的平衡状态，例如绝热过程方程pV γ = 常量，只适用于某一绝热过程中的平衡状态．绝热过程方程pV γ = C (常量)可用p －V 图上一曲线表示，如图11－7中的实线，此曲线称为绝热线．图中虚线表示同一气体的等温线，A 点是两条曲线的交点．从图上看出，绝热线比等温线陡些．这可以从两方面加以解释． 从数学角度看，等温线的方程是pV = C ，所以等温线于A 点的斜率是 V p V p T-=⎪⎭⎫ ⎝⎛d d 绝热线的方程是pV γ = C ’，所以绝热线在A 点的斜率是 V p V p Q γ-=⎪⎭⎫ ⎝⎛d d 因γ > 1，所以在交点A 处绝热线的斜率的绝对值大于等温线的斜率的绝对值，即是说，绝热线比等温线陡些．从物理方面来看，假设从状态A 开始，令气体体积增加ΔV ．不论气体作等温膨胀或绝热膨胀，其压强p 都要降低．但因为当气体作等温膨胀时，引起压强降低的因素只有一个，即体积的增加．而当气体作绝热膨胀时，引起压强降低的因素有两个，即体积的增加和温度的降低．所以气体作绝热膨胀时引起的压强降低比气体作等温膨胀时降低得多些，即图中Δp Q 比Δp T 大些，所以绝热线比等温线陡些．图11－7*绝热过程方程的推导 由理想气体内能公式RT i M m E 2=及R i C V 2m ,=，并利用微分得 T C Mm E V d d m ,=代入(11－29)式得 0d d m ,=+V p T C Mm V （11－36） 又由理想气体状态方程RT Mm pV =及微分得 T R Mm p V V p d d d =+ （11－37） 由(11－36)及(11－37)两式消去d T 得C V ,m (p d V + V d p )+ Rp d V = 0因C p ,m = C V ,m + R ，上式可写为C p ,m p d V + C V ,m V d p = 0即 0d d =+VV p p γ 其中m ,m,V p C C =γ．积分上式得ln p + γ ln V = 常量或 ln pV γ = 常量或 pV γ = 常量这就是绝热过程方程(11－33)式．将上式与状态方程RT Mm pV =依次消去p 和V ，便得到(11－34)及(11－35)式．例题11－2 1.2×10-2 kg 的氦气(视为理想气体)原来的温度为300K ，作绝热膨胀至体积为原来体积的2倍，求氦气在此过程中所作的功．如果氦气从同一初态开始作等温膨胀到相同的体积，问气体又作了多少功？将此结果与绝热过程中的功作比较．并说明其原因．解 氦气的摩尔质量M = 4.0×10-3 kg/mol ，已知氦气质量m = 1.2×10-2 kg ，T 1 = 300 K ，V 2 = 2V 1．因为把氦气当作单原子理想气体，i = 3，γ = 1.67，R i C V 2m ,=，则由绝热过程方程(11－34)式111212T V T V --=γγ得 K 189K 30021167.111212=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--T V V T γ由(11－30)式，气体在绝热过程中的功为)(2)()(1212m ,12T T R i M m T T C M m E E W V Q --=--=--= J 104.2J )300189(31.823100.4102.1332⨯=-⨯⨯⨯⨯⨯-=-- 如果氦气作等温膨胀至体积为原来体积的2倍，由(11－15)式，气体所作的功为J 105.2J 2ln 30031.8100.4102.1ln 332121⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==--V V RT M m W T 由此可以看出W T > W Q ，这是因为绝热线比等温线陡，从同一初态开始膨胀到同一体积的条件下，等温线下面的面积大于绝热线下面的面积之故．§11－6 循环过程 卡诺循环 热机的效率一、循环过程在生产实践中需要持续不断地把热转变为功，但依靠一个单独的变化过程不能够达到这个目的．例如，气缸中的气体作等温膨胀时，它从热源吸热对外作功，它所吸收的热量全部转变为功．但由于气缸的长度总是有限的，这个过程不可能无限制地进行下去，所以依靠气体等温膨胀所作的功是有限的．为了持续不断地把热转变为功，必须利用循环过程．定义：如果物质系统经过一系列状态变化过程后又回到原来的状态，则这全部变化过程称为循环过程，简称循环，这个系统称为工作物质．在p －V 图上工作物质的循环过程可用一闭合曲线表示，如图11－8(a)中的ABCDA 曲线．工作物质经历一系列状态变化过程后又回到原来状态时，它的内能没有变化，即E 2 – E 1 = 0．这是循环过程的重要特征．现在讨论从状态A 开始沿顺时针方向，即沿ABCDA 方向进行的循环，这样的循环称为正循环过程．工作物质完成一个正循环回到原始状态A 时，其内能不变，但工作物质对外界作了功，并且与外界有热量交换．在ABC 过程中工作物质膨胀对外作功，所作的功在数值上等于曲线ABC 下面的面积，在CDA 过程中工作物质被压缩，外界对工作物质作功，所作的功等于曲线CDA 下面的面积．所以在整个循环中工作物质所作的净功W 等于闭合曲线ABCDA 所包围的面积．在循环过程中工作物质要从外界吸热，也会向外界放热，根据热力学第一定律，因E 2 – E 1 = 0，工作物质从外界吸收的总热量Q 1必然大于放出的总热量Q 2(取绝对值)．设工作物质吸收的净热Q = Q 1 - Q 2，故得Q = Q 1 - Q 2 = W （11－38）上式表示，在循环过程中工作物质吸收的净热等于它对外所作的净功，即净热 = 净功 = 循环过程曲线所包围的面积(11－38)式可以写为Q 1 = W + Q 2此式表示，在每一循环中，工作物质从高温热源吸取热量Q l 一部分用于对外作(a) (b)图11－8。

单选题（10.0 分）1.在双缝干涉实验中，两缝间距离为d，双缝与屏幕之间的距离为D，波长为λ的平行单色光垂直照射到双缝上，屏幕上干涉条纹中相邻之间的距离是A) A：2λD/dB) B：λd/DC) C：dD/λD) D：λD/d纠错（10.0 分）2.不可逆过程是A) A：不能反向进行的过程B) B：系统不能回复到初始状态的过程C) C：有摩擦存在的过程或非准静态过程D) D：外界有变化的过程纠错（10.0 分）3.由于电子自旋-轨道相互作用将导致能级分裂，在多重能级的结构中，两个相邻能级的间隔A) A：与两个J值中较大的值成正比B) B：与两个J值中较小的值成正比C) C：与较大的J的J（J+1）成正比D) D：与较小的J的J（J+1）成正比纠错（10.0 分）4.一定量某理想气体按PV r=C的规律膨胀，其中C为常数，r为绝热常数，则膨胀后理想气体的温度A) A：将升高B) B：将降低C) C：不变D) D：升高或降低，不能确定纠错（10.0 分）5.关于物体内能的改变，下列说法中正确的是（）A) A：只有做功才能改变物体的内能B) B：只有热传递才能改变物体的内能C) C：做功和热传递都能改变物体的内能D) D：做功和热传递在改变物体内能上是不等效的纠错（10.0 分）6.活塞把一定质量的理想气体封闭在气缸里，当气体温度降低，体积缩小时，其压强将（）A) A：不变B) B：增大C) C：减小D) D：不能确定纠错（10.0 分）7.热力学第二定律表明（）A) A：不可能从单一热源吸收热量使之全部变为有用的动B) B：在一个可逆过程中，工作物质净吸热等于对外作的功C) C：热不能全部转变为功D) D：热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体纠错判断题（10.0 分）8. 光在指定的两点间传播时，肯定是沿光程为极值路径传播的。

正确错误纠错（10.0 分）9.系统处于热力学平衡态时，可简称为处于热平衡态。

解: M 1M 2O2M O1M
而 O 2 x 2 ， M y 2 ， z 2 , O 1 x 1 ， M y 1 ， oz 1 M 2
M 1 M 2 O 2 O 1 x M 2 x 1 , y M 2 y 1 , z 2 z 1 ,
例2. 已知两点
r r x (x i , y,y z j) z 坐 k 标坐表标示分式解式
z
ko i
j
r
M y
x
坐标 x,y,z 称为向量r 在三个坐标轴上的分量
向量 xi,yj,zk 称为向量r 在三个坐标轴上的分向量
二、利用坐标作向量的线性运算 设a( x1, y1, z1 )、b( x2 , y2 , z2 )为空间 两向 量
计算向量
解: M 1M 2(12, 32, 0 2) (1,1, 2)
(1)212(2)2 2
cos 1, cos 2
2
2
2p ,
p,
3p
3
3
4
例7. 设点 A 位于第一卦限, 向径 OA 与 x 轴 y 轴的夹
解:角已依知次 为 p3 p3 , ,p4, 且 p 4,O 则A6,求点 A 的坐标 .
PB 3 0 2 5 0 2 2 z 2 3 42z2
PAPB z 14,
9
所求点为 (0,0,14),
9
例5 已知两点A(4,0,5)和B(7,1,3)，求方向和AB相同的 单位向量。
解 AB ( 7 4 ,1 0 ,3 5 ) 3 ,1 , 2
5.向量的投影
说明: 由
1
1
( x 1 x 2 , y 1 y 2 , z 1 z 2 )

运 动 的 特
运 动 学
/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ专
性
大 学 物 理 上
门
运动→机械运动→研究方法→参考系→坐标系→理想化模型→质点（系）刚体 质 点 /系/ 和 描 述 物 体 运 动 的 基 础 / 质 点 / 系 / 和 刚 体 的 相 关 概 念 质 心 自 由 度 n 物体的质量中心。对于规则的几何体质心就是它的几何中心如圆球 的球心就是它的质心；对于由多个质点组成的质点系的质心，其质 心位置由以下公式确定： 质 量 刚 体 比 较 质 点 系 刚体 名称 质点 定义 物体的大小和形状对 所讨论的问题影响不 大，把物体看成是有质 量的点 多个质点组成的系统， 如连结体问题 大小和形状不能忽略， 且在任何情况下大小和 形状都不发生变化的物 体。 比较 当只有一 （多） 个物体存在， 且它 （们） 的大小和形状可忽略时，把它（们） 看成一个质点（系） ；刚体是特殊的质 点系，他可以看成是有许多个小质点 组成，且每个质点间的相对位置保持 不变，如门在转动过程中。物体理想 化模型的抽象与物体的运动形式有 关：如轮子，平动-质点；转动-刚体。
动量增加的方向一致。 3.物理意义：使物体动量发生变化。 1.动量：质量与速度的乘积，是状态量。用 P 表示，是矢量。 P 大小 P m v ，方向：与 v 同向 2.动量定理：合外力的冲量引起动量的变化微分形式 d I
mv ，
F (t )dt d P
（1）恒力： I P2 P 1 P
基 础
转动定律： M
J 力矩产生角加速度，使刚体转动。 F ex m' d vC m' aC dt
质点系：质心运动定律：数学表达式：
文字表述：作用于系统的和外力等于系统的总质量乘以系统质心的加速度。 静 力 学 基 础 1.定义：力的时间累积效果用冲量来描述，是过程量。定义：等于力乘以力 的作用时间，用 I 表示，是矢量。 对于质点：