沈晨竞赛讲义竞赛课件16：热力学基础共35页文档

其温度将会有多高？ 由
虚设联想 19
太阳表面温度
K
标准状态下（0 C，1atm）理想气体的 分子平均平动动能 分子数密度
C
5490 C 难以实现
3.53 10 2 ev 2.92 10 25 个 m
3
第一节 引言
热力学是研究物质世界中有关热现象的宏观 理论，它不涉及物质的微观结构，而是将一物质 15 - 1 系统中大量粒子看作一个整体，研究系统所表现 的各种宏观性质和规律。 热力学第一定律是热力学的基本定律，是一个 first law of thermodynamics 包括热现象在内的能量守恒与转化的定律。 热力学第一定律首先涉及到
vz vy vx
a
2
2 x
2 y
2 z
子每对器壁的一次碰撞中有
2 m0 v x F t 2m0 v x F a 2a
vx 气体压强是大量气体分子对器壁的持续碰撞引起的，即
F Nm v p
0
2 x
S
a a2
Nm0 v 2 m 2 1 NA m0 v 2 3V M 3V 2
其中
分子质量 总分子数 阿伏伽德罗常数 分子数密度
玻耳兹曼常数
即
理想气体 压强公式
理想气体的
温度公式
气体分子的平均平动动能
注：
阿伏伽德罗常数 玻耳兹曼常数
6.02 10 23 mol 1 23 1.38 10 J K 1
气 体 温 度 的
温度的统计意义 理想气体的
温度公式
气体分子的平均平动动能
统计意义
光 滑 器 壁
反X向 （不与法向平行的速度分量，其相应的动量无变化）
在 时间内，入射分子束斜园柱体的体 积 中速度基本为 的分 其 子，都能碰撞器壁一次。 若气体中速度基本为 的分子数密度为 则该组分子与 碰撞而发生的动量变化为

E i RT dE i RdT
2
2
CP
dQP dT
dQP
dE
PdV
i 2
RdT
RdT
PV RT d（PV） PdV VdP PdV RdT
14
单原子：i 3 双原子：i 5 多原子：i 6 二、三种等值过程
5
3
7
5
8
6
1.等容过程 特征：dV 0 dA 0
p
过程方程：
(1)状态d的体积Vd; (2)整个过程对外所做的功;
(3)整个过程吸收的热量.
p
2p1
c
解: (1)由绝热过程方程：
TcVc 1 TdVd 1
p1
ab
d
1
得：Vd
Tc Td
1
Vc
根据题意：
Td
Ta
p1V1 R
o v1 2v1
v
Vc 2V1
Tc
pcVc R
4 p1V1 R
4Ta
5
3
27
(2)整个过程对外所做的功;
真空
T
T0
2V0
∵绝热过程
(E E0） A 0
而 A=0
V0 1T0 （2V0） 1T T P0V0 P（2V0） P
E E0 （T T0）
始末两态满足 P0V0 P（2V0）
状态方程
T0
T
P
1 2
P0
26
例7-4 1mol单原子理想气体,由状态a(p1,V1)先等压加热至体积增大1倍,再等体加热至压 力增大1倍,最后再经绝热膨胀,使其温度降至初始温度,如图所示,试求:
i 2 1
1
i

★热力学定律
▲热力学第一定律 做功改变物体内能 WE
热传递改变物体内能 Q E
WQE 示例
▲热力学第二定律
表述
两种表述，一个意思——涉及热现象的变化
过程有方向！
▲热力学第二定律的微观解释--熵增加原理
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增 大的方向进行．
任何孤立系统,它的熵永远不会减小．
运用
一定质量的理想气体体积由V膨胀至V′，若通过压强不变
过程实现，对外做功W1、传递热量Q1、内能变化ΔU1；若通过温度不变的过程 实现，对外做功W2、传递热量Q2、内能变化ΔU2，则
A. W1>W2 Q1 <Q2 ΔU1 >ΔU2 B. W1>W2 Q1 >Q2 ΔU1 >ΔU2
C. W1<W2 Q1 =Q2 ΔU1 >ΔU2 D. W1=W2 Q1 >Q2 ΔU1 >ΔU2
等压膨胀,温度升高,内能增大 U1 > 0 等温膨胀,温度不变,内能不变 U2 = 0
U1 >U2
等压膨胀气体对外做功为 W1 ∨P0V 等温膨胀气体对外做功为 W2 PV
W1 > W2
等压膨胀过程由热一律 等温膨胀过程由热一律
U1 Q1W1 0Q2 W2
Q1 > Q2
⑴某系统初状态具有内能50 J,外界传热15 J,系统对外做功 20 J,则系统变化到末状态时的内能为多少?⑵风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径
ΔE＝Ｗ
绝热E膨胀W降压
E 0 热
一 律 形 式
时Q， 对W 外做功 ，气 体m 吸R T 热l n V；2
压吸Q 热时Mm ，，cV 内气T 2 能体 T1

熵变
1.23×103 J · K -1 ×
熵的计算
熵是态函数，系统从某 一状态 A变化到另一状态 B 时，不论经历什么过程， 其熵的变化相同。 只要知道始、末平衡态的 状态参量，就可以假设一个 可逆过程，根据可逆过程熵 变的定义式计算熵变 不 可 逆 过 程 可
逆
过
程
对于理想气体
例一 质量为 M，摩尔质量为 µ 的理想气体由状态 （TΑ，VΑ）变化到状态（ΤΒ，VΒ）的熵变值。
Ω1
Ω2
此过程的熵变 可以证明
然而，在热力学中经常要用准静态过程的理论模型去研究问题，准 静态过程是可逆过程。孤立系统中可逆过程的熵变化又有何特点呢？
续上
例如： 分子数 N
理想气体等温膨胀
分子数 N 宏观态 （T ，V2） 微观态数
宏观态（T ，V1） 微观态数
Ω1
Ω2
此过程的熵变 可以证明
为便于理解假设 将 则 作二等分， 可见 再假设膨胀后 则 即
其中 代入后得
例二 冰的溶解热为 3.35×105 J · kg -1 ×
1kg 0℃ 的冰化成同温度的水的熵变 ℃
此过程可看成等温过程 T = 273.0 K 全过程吸热
Q = 1 kg×3.35×105 J · kg -1 × ×
= 3.35×105 J ×
3.35×105 J × 273.0 K
则
则
将
作二等分，
得
可见
将上述结果
等式两边乘以温度
续上
这是热力学中讲过的等温 可逆过程系统吸收的热量
故得 若系统在任意微小的等温可逆过程中吸收的热量为 则此微过程的熵变 根据热力学第一定律的微分形式
是计算热力学过程 中熵变的基本公式 熵和熵变的单位是 焦耳 · 开 – 1 ( J · K – 1 )

1875年，美国物理化学家 J.W.Gibbs 定义了一个新的热 力学函数－－吉布斯函数G, 把焓与熵联系起来：
ΔH ΔU pV
ΔU QV，Q pΔH
QpQVpV
a. 当反应物和生成物都为固态和液态时，反应的
pV
值很小，可忽略不计,
。ΔHΔU
b. 对有气体参加或生成的化学反应， 值p较V大，不可忽
略。
第22页，本讲稿共50页
若为理想气体
Δ H Δ U p V Δ H Δ U Δ B (n g)RT ΔH ΔU ΔB n (g)RT
第18页，本讲稿共50页
2. 恒压反应热
在恒温条件下，若系统发生化学反应是恒压且只做体 积功不做非体积功的过程，则该过程中与环境之间交换 的热就是恒压反应热，其量符号为Qp
由热力学第：一Δ定 U律 QW
若为恒压 QQ 过 p W 程 pV
UQppV
第19页，本讲稿共50页
QpΔU pV Δ U p2 ( V V 1) Δ U (2 V p 2p 1 V 1) pp1p2 (2 U U 1) (2 V p 2 p 1 V 1) U 2 p 2 V 2 (1 U p 1 V 1)
第4页，本讲稿共50页
按照系统和环境之间的物质、能量的交换关系，将系统 分为三类：
敞开系统
有物质和能量交换
根据环境与系统间 有无能量与物质的 交换分类
封闭系统 隔离系统
有能量但无物质交换
无能量也无物质交换
热力学中，主要研究封闭系统。
第5页，本讲稿共50页
敞开系统
封闭系统
孤立系统
第6页，本讲稿共50页
(1)C(s)O2(g)CO2(g，) ΔH1 (2)C(s) 21O2(g)CO(g，)ΔH2 (3)CO(g) 21O2(g)CO2(g，) ΔH3