常树人热学课件6章2

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大学物理第6章热力学基础课件讲义

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外界对系统做的功为 dW, W
作功改变系统热力学状态的微观本质
碰撞分子规则运动的能量
分子无规则运动的能量
功是系统与外界交换能量的量度
热力学第一定律
表明：系统从外界吸收的热量，一部分转化为系统的内能，另一部分转化为系统对外所做的功。热力学第一定律是包括热现象在内的能量转换与守恒定律，适用于任何系统的任何过程。
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要改变一个热力学系统的状态，也即改变其内能，有两种方法。 1.做功可以改变系统的状态
摩擦升温（机械功）、电加热（电功）功是过程量 2. 热量传递可以改变系统的内能热量是过程量使系统的状态改变,传热和作功是等效的.
作功和传递热量均可作为内能变化的量度
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第6章热力学基础
§6.1 热力学第一定律 §6.2 理想气体等值过程和绝热过程 §6.3 循环过程 §6.4 热力学第二定律 §6.5 熵熵增加原理 §6.6 热力学第二定律的统计意义
玻尔兹曼熵
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热学ppt课件共21文档

辐射传热定义
01
物体通过电磁波的形式向外发射能量，并被其他物体吸收的过
程。
辐射传热特点
02
无需介质，可在真空中传播；传播速度与光速相同；能量传递
与物体温度四次方成正比。
辐射传热应用
03
在太阳能利用、红外测温、远程遥感等领域广泛应用，如太阳
能热水器、红外测温仪等。
复合传热过程简介
复合传热定义
同时包含传导、对流和辐射三种传热方式的热量传递过程。
物质导热性能及其影响因素
导热性能定义
物质传导热量的能力。
影响因素
物质种类、状态、温度、压力等。
导热机制
物质内部微观粒子（如分子、原子、电子等）的热运动引起的热量传递。
热膨胀现象和规律
热膨胀现象
物体受热后体积增大的现象。
热膨胀规律
物体体积随温度升高而增大，且在一定范围内呈线性关系。
热膨胀系数
表示物体体积随温度变化的程度，是物质的一种热学性质。
效率优势
由于闭式循环，工质在循环过程中的损失较小，效率较高。
应用实例
太阳能斯特林发动机、地热发电等。
蒸汽动力循环简介
01
蒸汽动力循环基本原理
利用燃料燃烧产生的高温高压蒸汽推动汽轮机转动，进而驱动发电机发
电。
02
主要设备
锅炉、汽轮机、发电机等。
03
应用领域
火力发电厂、核电站等。
制冷循环原理及效率评估
热量传递方式与机
02
制
传导传热原理及应用
传导传热定义
通过物体内部微观粒子的热运动，将热量从高温部分传递到低温部分的过程。
传导传热原理
物体内部存在温度梯度时，热量会自发地从高温区域流向低温区域，直至达到热平衡。

高中物理竞赛讲座：第六章热学2

分子速率分布图 N分子总数
N Nv
S
o
表示速率在数的百分比 . 当
v v v
v
区间的分子数占总
的极限值变成与v有关的连续函数
1、速率分布函数
f ( v)
dS
1）表示在温度为T 的平衡状态下，速率在v 附近单位速率区间的分子数占总数的比例 .
o
v v dv
v
2）表示气体分子的速率处于v 附近单位速率区间的概率。 ——速率位于内分子数占总分子数的比例
归一化条件
单原子分子 ——自由运动质点刚性双原子分子 ——两个被看作质点的原子被一条几何线连接刚性多原子分子 ——质心的平动和绕过质心任一轴的转动
自由度单原子分子 3 转动 0 平动 3
双原子分子
三原子(多原子)分子
5
6
2
3
3
3
单原子分子
双原子分子
多原子分子
2、能量按自由度均分原理:
按照统计假设，在平衡态下理想气体分子无规则运动的结果使任何一种运动都不会比其他运动占优势，机会是均等的。平均来说，整个动能由每个自由度均匀承担。
气体动理论的基本观点：
1）宏观物体由大量分子（原子）组成 2）分子在不停地作无规则的运动，其剧烈程度与物体的温度有关
3）大量粒子的宏观表现遵循统计规律
热平衡
热力学第零定律
设A和C、B和C分别热平衡，则A和B一定热平衡
温标
热力学第三定律
热力学零度不可能达到
一、理想气体状态方程(equation of state)
dA
x
vixdt
分子在对dA的一次碰撞中施于dA的冲量 dt时间内，碰到dA面的第i组分子数

高二物理竞赛课件：热学(13张PPT)

始平衡态
一系列平衡态
末平衡态
返回退出
三、理想气体物态方程
理想气体（ideal gas）：在任何情况下都严格遵守波意耳定律、盖吕萨克定律以及查理定律的气体。是实际气体在压强趋于零时的极限。
当质量为m、摩尔质量为Ｍ的理想气体处于平衡态时，它的状态参量（p、 V、T）满足方程：
pV m RT M
宏观基本实验规律逻辑推理热现象规律特点：普遍性、可靠性。
▲ 统计力学（statistical mechanics）
对微观结构提统计方法出模型、假设
热现象规律
特点：可揭示本质，但受模型局限。
热力学
相辅相成
气体动理论
返回退出
三. 几个概念 1. 系统和外界 • 热力学系统热力学所研究的具体对象，简称系统。
系统稳定态
（
T2
热恒库温
）
说明：
(1) 不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；
(2)从微观角度，存在热运动，又称为热动平衡状态； (3) 平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示； (4) 平衡态是一种理想状态。
返回退出
当气体的外界条件改变时，气体从一个状态不断地变化到另一状态，如果状态变化过程进展得十分缓慢，使所经历的一系列中间状态，都无限接近平衡状态，这个过程就叫做准静态过程（quasi-static process）或平衡过程（equilibrium process）。
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第五章气体动理论
§5-1 热运动的描述理想气体模型和物态方程
§5-2 分子热运动和统计规律 §5-3 理想气体的压强和温度公式 §5-4 能量均分定理理想气体的内能 §5-5 麦克斯韦速率分布律 §5-6 麦克斯韦–玻耳兹曼能量分布律

常树人热学课件章

磁化过程：dA=VH· dB
极化过程：dA=VE· dD 可逆过程做功的一般表达式：可逆过程中的热力学第一定律：

可逆过程中功的计算热容量与焓气体的内能

等容过程热容量与内能的变化

仅考虑体积功的情况下：
等压过程热容量
状态函数焓(enthalpy)

H=U+PV，则：
热力学第一定律
可逆过程中功的计算热容量与焓气体的内能

可逆过程中功的计算

非准静态过程中没有统一的状态参量，功很难计算。无摩擦准静态过程（可逆过程）中，却容易做到这一点
体积功液体表面张力功
可逆电池中移动电荷的功
磁化过程与极化过程的功
气体体积功
对准静态过程：以上结果可以推广到任何形状
所以，过程前后焓不变。但不能就此断言 “绝热节流过程是等焓过程”，因为中间过程的细节并不都知道。在工程中，由此处流动到彼处时，用焓比内能方便。

绝热节流过程引起的温度变化
绝热节流过程中，一定条件（p1,T1,P2），有些气体升温，有些气体降温。对同一种气体，在不同条件下，有时升温、有时降温。这种效应称为焦耳-汤姆逊效应。升温的称为负效应，降温的称为正效应

两种特殊的非准静态过程的功
等容过程，体积功为0 外界压强保持不变的等压过程：Leabharlann 在p-V图上表示体积功
功的大小依赖于路径
压缩固体和液体所做的功

原则上也可用：

等温条件下压缩，可以借助等温压缩系数
液体表面张力的功

如图，设可拉动的铁丝长度为L
可逆电池中移动电荷的功
磁化过程与极化过程的功

热力学第六章

Boil
饱和状态Saturation state
饱和状态：汽化与凝结的动态平衡 Saturation temperature 饱和温度Ts 一一对应饱和压力ps Saturation pressure 放掉一些水，Ts不变， ps？ ps Ts Ts=100 ℃ ps=1.01325bar Ts=85.95 ℃ 青藏ps=0.6bar Ts=113.32 ℃ 高压锅ps=1.6bar
汽化
水预热
过热
水蒸气定压发生过程说明
(1) (2)
Q U W U pdV 只有熵加热时永远增加 U pV U ( pV ) H S Sf Sg 0
(3) 理想气体
h f (T )
实际气体汽化时，T＝Ts不变，但h增加 h '' h ' 汽化潜热 (4) 未饱和水过冷度 t过冷 ts t 过冷水过热蒸汽过热度 t过热 t ts
p-v图，T-s图上的水蒸气定压加热过程
一点，二线，三区，五态
p
pc
C a3 b3 c3 d 3 e3 T Tc Tc a2 b2 c2 d 2 e2 Tc
a1 b1
p pc
T
p pc pc
C
c1
d1 e1
A
A B a a a3 1 2
b3 c3 d 3 d2 b2 c2 d1 c1 b1
State of Liquid and vapor
未饱和液，过冷液 Subcooled liquid 压缩液 Compressed liquid
饱和液 Saturated liquid 饱和湿蒸气
Saturated liquid-vapor mixture 饱和蒸气 Saturated vapor 过热蒸气 Superheated vapor 汽化潜热 Latent heat of Vaporization

热学教案(第六章).ppt

在一般情况下:
当分子平均动能大于势能时，即：1 2
mv2
E
p
物质处于气态。
2010级物理学专业热学教案
第6章物态与相变
当分子平均动能小于势能时，即：1 2
mv2
Ep
物质处于固态。
当两者势均力敌时，即：
1 2
mv2
~
Ep
物质处于
液态。
自然界中还存在另外两种物态：等离子
态与超密态。
2010级物理学专业热学教案
第6章物态与相变
R0为分子引力有效作用距离
2010级物理学专业热学教案
第6章物态与相变
在液体内部与表面分子相互作用情况不同。表面层分子的作用球中或多或少总有一部
分是密度很低的气体，使表面层内任一分子所受分子力不平衡，其合力是垂直于液体表面并指向液体内部的。
在这种分子力的合力的作用下，液体有尽量缩小它的表面积的趋势，因而使液体表面像拉紧的膜一样。表面张力就是这样产生的。
在f附＞f内时，液体内部分子尽量向附着层内跑，这样将扩大固体与液体接触的表面积，这就是润湿现象。
若f附＜f内，就有尽量减少附着层内分子的趋势，这样将减小固体与液体接触的表面积，这就是不润湿现象。
2．毛细现象内径细小的管子称为毛细管。
2010级物理学专业热学教案
第6章物态与相变
把毛细玻璃管插入可润湿的水中，可看到管内水面会升高，且毛细管内径越小，水面升得越高；
第6章物态与相变
f1 df1 sin dl sin 2r
因sin=r/R , f =2πr2σ/R
这一部分曲面的表面张力所产生的附加压强为
f 2 P附 r 2 R
任何一个半径为 R 的凸液面，球面内的液体压强比球外压强大 p =2σ/ R 。

《热学知识点》PPT课件

•
热力学第一定律是跟热现象有关的能量守恒定律，作为一种
思想方法，较多地应用于力学与热学的综合题中，如机械能与气
体内能的转化问题等，应注意培养学生的综合分析能力。
3
4
• 三、复习要点
• （一）分子动理论
•
1. 分子动理论与其实验基础
• （1）分子动理论三个基本观点：物质是由大量分子组成的；分子永不停息地做无规则运动；分子之间存在着相互作用力（斥力和引力）。
r0时分子势能EP=0。
14
• 的P=势0。[能例，5] 当用rr=表（r0示时两）两个分分子子间间斥的力距等离于，引E力p表，示设两两个分分子子相间距相很互远作时用E
• （A）当r>r0时，Ep随r的增大而增加 • （B）当r＜r0时，Ep随r的减小而增加 • （C）当r＞r0时，Ep不随r改变 • （D）当r=r0时，Ep=0
内容
要求
42.物质是由大量分子组成的，分子的热
I
运动、布朗运动、分子间的相互作用力。
43.分子热运动的动能，温度是物体分子
I
热运动平均动能的标志，物体分子间的
相互作用势能，物体的内能。
44.做功和热传递是改变物体内能的两种
I
方式，热量，能量守恒定律。
45.热力学第一定律。
I
46.热力学第二定律。
I
47.永动机不可能。
这种反映大量个别偶然事件整体性质的规律叫
做统计规律，对大量分子的运动情况进行记录、
整理、计算和分析，用统计平均值来反映分子
集体中所有分子的共性（统计规律），再由此
建立跟宏观量的联系，这就是热学研究中的主
要方法——统计方法。
• 统计方法的研究对象是大量分子。

热力学第6章s852707660资料

s' / kJ / (kg K)
s" / kJ / (kg K)
0.01 273.16 0.0006110.00100022 206.1750.000614 2501.0 0.0000 9.1562
100 373.15 0.1013250.00104371.6738 419.06 2676.31.3069 7.3564
无化学反应时，热力系独立参数数目为
K f 2
独立强度参数数组元数相数
对于水 K 1 单元系
单相 f 1
两相 f 2
三相 f 3
四相 f 4
2 1
0
0
2个（ p和T） 1个（ p或T） 0个（ p和T定值）不能处理
§6-4-1 水和水蒸气状态参数确定的原则
1、未饱和水及过热蒸汽确定任意两个独立参数，如：p、T
2、饱和水和干饱和蒸汽确定p或T
3、湿饱和蒸汽除p或T外，其它参数与两相比例有关
两相比例由干度x确定
定义
x

干饱和蒸汽质量＝ mv 湿饱和蒸汽质量 mv mf
Vapor quality
干饱和蒸汽
对干度x的说明：
饱和水
x = 0 饱和水, x = 1 干饱和蒸汽 0 ≤ x ≤ 1 湿饱和蒸汽
10 1315.8 310.96 0.0014526 0.01800 1408.6 2724.4 3.3616 5.6143
未饱和水和过热蒸汽表（节录）
p
0.01MPa
饱
ts 45.83
和 v' 0.0010102 v" 14.676
参 h' 191.84 数 s' 0.6493

常树人热学讲义 1章下&2章上

不应用简单平均：

而应用“加权”平均：

离散型随机变量的统计平均值公式：
连续型随机变量的统计平均值
仍以气体分子速率为例。在速率区间v~v+dv内的分子数为： dN=Nf(v)dv。由于dv很小，可以认为这个区间内的dN个分子的速率都是v。他们的速率之和就是vdN=Nvf(v)dv 积分可得：

第二章热力学系统的状态
热力学系统的宏观描述温度温标状态方程热力学系统的微观描述

热力学系统的状态参量
热力学研究的某一具体对象称为热力学系统或体系。热力学体系的边界：可以是实在的，也可以是虚拟的。系统边界之外，与系统发生密切联系或相互作用的部分，叫做系统的外界或环境。系统与外界之间的相互联系指能量传递和物质交换。
选一标准系统处于某个易于复现的状态，令此时
的温度为一个固定值，把它作为温度固定点。
1954年之前的摄氏温标
测温属性的选择有很大的任意性函数关系规定为t=ax+b 温度固定点是冰点为0度，汽点为100度。例：选取特定液体（水银、酒精、甲苯等）的体积为测温属性，将液体注入粗细均匀的玻璃管内。

非平衡态
一系统是否受外界影响、是否状态稳定，这两者只要其一不符合平衡态的定义，即处于非平衡态。只有系统各部分之间同时达到力学平衡、热平衡、化学平衡、相平衡，才处于平衡态。否则即是非平衡态。对于近平衡态的非平衡态，可以将系统分为宏观足够小、微观足够大的很多小部分，每一部分可以近似看做平衡态。非平衡孤立系的驰豫过程也可做如上假设。

不同气体温度计对同一对象的测量

趋向于同一极限

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理想气体的摩尔热容量
对焦耳-汤姆逊效应的初步解释

考虑气体分子间作用势能，
以范德瓦尔斯气体为例：

可以证明：其气体分子势能变化引起的内能变化为：

所以：

取1mol范氏气体，
讨论
对范氏气体，a是考虑分子本身大小引起的修正，b是考虑分子间吸引力引起的修正。所以，分子固有体积（即分子斥力）引起负焦耳-汤姆逊效应（升温），分子间吸引力引起正的焦耳-汤姆逊效应（降温）。两者竞争，有正有负。理想气体焦-汤系数必然为0.但并非焦-汤系数为0的气体都是理想气体。

等焓线与转换曲线

等焓线由实验测出。
对转换曲线的讨论
致冷区与致温区 Pmax 上、下转换温度Tu1,Td1 转换曲线和温度轴的交点：最大上传换温度和最小下转换温度。

一些气体的最大上转换温度
气体 CO2 Ar O2 空气 N2 Ne 231 H2 He 最大 ~1500 780 764 659 621 上转换温度K 202 ~40

磁化过程：dA=VH· dB
极化过程：dA=VE· dD 可逆过程做功的一般表达式：可逆过程中的热力学第一定律：

可逆过程中功的计算热容量与焓气体的内能

等容过程热容量与内能的变化

仅考虑体积功的情况下：
等压过程热容量
状态函数焓(enthalpy)

H=U+PV，则：
此实验不精确——水的热容量比气体大千倍焦耳定律只有在气体压强趋于0的极限下才准确成立。

焦耳-汤姆逊实验
绝热节流过程：多孔塞保持两边一定的压强差。压缩机和水冷却器保持左边的P,T。绝热；气流速度极小，有明显的耗散因素。

取一气体流块为研究对象

左右压强用活塞模拟

因为绝热，所以：
热力物理学
南京理工大学
热力学第一定律
可逆过程中功的计算热容量与焓气体的内能

可逆过程中功的计算

非准静态过程中没有统一的状态参量，功很难计算。无摩擦准静态过程（可逆过程）中，却容易做到这一点
体积功液体表面张力功
可逆电池中移动电荷的功
磁化过程与极化过程的功
气体体积功
对准静态过程：以上结果可以推广到任何形状
例题1：一定压强下，单位质量的液态水汽化所吸收的热称为汽化热。已知标准大气压， 100摄氏度下单位质量水与饱和水蒸气的焓分别为：419.06kJ/kg和2676.3kJ/kg。试求在此条件下水的汽化热。解：定压条件下，吸收的汽化热即焓的增加量。

例题2：化学反应中的“反应热”，指生成物与反应物温度相同时，系统放出或吸收的热量。通常如不特别声明，认为化学反应都是等压条件下进行。故所得定压反应热，也即反应焓。规定正号为化学反应吸热。

两种特殊的非准静态过程的功
等容过程，体积功为0 外界压强保持不变的等压过程：

在p-V图上表示体积功

功的大小依赖于路径
压缩固体和液体所做的功

原则上也可用：

等温条件下压缩，可以借助等温压缩系数
液体表面张功
磁化过程与极化过程的功
所以，过程前后焓不变。但不能就此断言 “绝热节流过程是等焓过程”，因为中间过程的细节并不都知道。在工程中，由此处流动到彼处时，用焓比内能方便。

绝热节流过程引起的温度变化
绝热节流过程中，一定条件（p1,T1,P2），有些气体升温，有些气体降温。对同一种气体，在不同条件下，有时升温、有时降温。这种效应称为焦耳-汤姆逊效应。升温的称为负效应，降温的称为正效应

由热容量计算热量、内能和焓

热量：

内能：
焓：

可逆过程中功的计算热容量与焓气体的内能

焦耳实验
绝热自由膨胀实验。实验结果表明膨胀前后温度不变。

对实验结果的讨论

以V,T作为状态参量：

无传热与做功，所以：

内能与体积无关。U=U(T)——焦耳定律
对实验结果的讨论（续）
理想气体的焦耳-汤姆逊效应？

理想气体不可能有不为零的焦耳-汤姆逊效应
理想气体定义
焦耳定律U=U(T)只有在压强趋向于0时才准确。从宏观上再度定义理想气体：在任何压强下都严格遵循pV=nRT，和焦耳定律的气体。理想气体的热容量可以写作：

定容：CV=dU/dT
定压：Cp=dH/dT