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2024版大学物理热力学基本概念ppt课件

2024版大学物理热力学基本概念ppt课件

大学物理热力学基本概念ppt课件CONTENTS•热力学基本概念与定义•热力学第一定律•热力学第二定律•理想气体状态方程与麦克斯韦关系式•热力学函数与性质•非平衡态热力学简介热力学基本概念与定义01热力学系统与环境热力学系统所研究的对象，与周围环境有物质、能量交换的封闭体系。

环境与系统发生相互作用的周围物质的总称。

边界系统与环境的分界面。

状态参量与过程量状态参量描述系统状态的物理量，如体积V、压强p、温度T等。

过程量描述系统状态变化过程的物理量，如热量Q、功W等。

平衡态与准静态过程平衡态系统在没有外界影响时，其内部各部分的状态参量达到稳定且不随时间变化的状态。

准静态过程系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，经历的一系列非常接近平衡态的过程。

热力学第零定律与温度概念热力学第零定律如果两个系统与第三个系统各自处于热平衡，则这两个系统也必定处于热平衡。

温度概念表征物体冷热程度的物理量，是热力学系统的重要状态参量之一。

在热平衡时，两个系统具有相同的温度。

热力学第一定律02系统内部所有微观粒子各种运动形式的能量总和，包括分子动能、分子势能、原子内部能量、原子核内部能量等。

力在力的方向上移动距离的乘积，宏观表现为系统对外做功或外界对系统做功。

系统与外界之间因温差而传递的能量，是热传递过程中所传递内能的多少。

热力学能功热量热力学能、功和热量热力学第一定律表达式表达式ΔU=W+Q，其中ΔU表示系统内能的增量，W表示外界对系统做的功，Q表示系统吸收的热量。

符号法则外界对系统做功，W取正值；系统对外界做功，W取负值。

系统吸收热量，Q取正值；系统放出热量，Q取负值。

等温过程在等温过程中，理想气体的内能不变，吸收的热量全部用来对外做功。

理想气体等温过程特点pV=nRT，其中p表示压强，V表示体积，n表示物质的量，R表示气体常数，T表示热力学温度。

理想气体等温过程方程温度保持不变的热力学过程。

理想气体绝热过程特点在绝热过程中，理想气体的内能变化完全取决于外界对系统做的功或系统对外界做的功。

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02
对应态原理
不同物质在相同的对应状态下具有相同 的热力学性质。对应态参数包括对比压 强、对比体积和对比温度。
03
范德华方程与对应态 原理的应用
预测真实气体的性质，如液化温度、临 界参数等。
真实气体行为描述
压缩因子
描述真实气体与理想气体偏差程度的物理量，定义为Z = pV/nRT。对于理想气体，Z = 1；对于真实气体，Z ≠ 1。
细管电泳等。
固体熔化与升华过程分析
固体熔化
升华过程
熔化与升华的应用
固体在加热过程中，当温度达到 熔点时开始熔化，由固态转变为 液态。熔化过程中吸收热量，温 度保持不变。
某些物质在固态时可以直接升华 为气态，而无需经过液态阶段。 升华过程中也吸收热量，但温度 同样保持不变。
熔化与升华是物质相变的重要过 程，对于理解物质的热力学性质 和相变规律具有重要意义。同时， 在实际应用中也具有广泛用途， 如金属冶炼、材料制备等领域。
阿马伽分体积定律
混合气体的总体积等于各组分气体分体积之和，即V_total = V_1 + V_2 + ... + V_n。
理想气体混合物的性质
各组分气体遵守理想气体状态方程，且相互之间无化学反应。
范德华方程与对应态原理
01
范德华方程
对真实气体行为的描述，考虑了分子体 积和分子间相互作用力，形式为(p + a/V^2)(V - b) = RT，其中a、b为与物 质特性相关的常数。
维里方程
描述真实气体行为的另一种方程形式，考虑了高阶分子间 相互作用项，形式为pV = nRT(1 + B/V + C/V^2 + ...)， 其中B、C等为维里系数。

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12
3 热力学第一定律
（1） 热力学第一定律的数学形式
Q(EE)A
2
1
微变过程： dQdEdA
准静态过程：dQdEPdV
理想气体：
dQM 2i RdTPdV
系 统 从 外 界 吸 收 热 量 时 ,Q 0 ,反 之 Q 0
系统对外界 ,A作 0,反 功之 时 A0
系统的内 精选,PE PT2课能 件 E1 增 0,反 加 E 之 2 时 E1013
理想气体
EM
2i RT其中iR:::理理 理想想 想气气 气体体 体分摩 普子尔 适的质 恒自量 量由度
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T
:理想气体绝对温度 9
① 内能 E 是状态函数
内能变化 △E 只与初末状态
有关，与所经过的过程无关，
可以在初、末态间任选最简便
的过程进行计算。 ② 改变内能的方式 （2） 热量的计算
等体摩尔热容：1摩尔理想气体在等容过程中温度变化
1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）
C C V QT T 12M C VdTM C V T
等压摩尔热容：1摩尔理想气体在等压过程中温度变化
1K时，吸收或放出的热量。（无相变和化学反应）
C C P Q 精选 PPTT T 1课2M 件 C PdTM C PT
做功 热传递
热量：物体间由于温度差别而转移的能量
热量的传递称为传热。传热有三种方式：
热传导、对流精选、PPT热课件辐射。
10
Q cM (T 2T 1)c M T c物质的比热容
摩尔热容：1摩尔物质在某一过程中温度变化1K时，
吸收或放出的热量。
摩尔热容：C c QT T 12M C d TM C T 注意：热量也是过程量

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一级相变与二级相变的区别
热力学函数变化特点、相变潜热的计算
临界点及超临界现象
临界点的定义及性质、超临界流体的特点及应用
05 热辐射与黑体辐 射理论
热辐射基本概念及性质
热辐射定义
01
物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。
热辐射特点
02
不依赖介质传播，具有连续光谱，温度越高辐射越强。
热辐射与光辐射的区别
气体输运现象及粘滞性、热传导等性质
粘滞性
气体在流动时，由于分子间的动量交换，会 产生阻碍流动的粘滞力。气体的粘滞性与温 度、压强有关。
热传导
气体中热从高温部分传向低温部分的现象 称为热传导。热传导是由于分子间的碰撞传 递能量实现的。气体的热传导系数与温度、
压强有关。
04 固体、液体与相 变现象
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目录
• 热学基本概念与定律 • 热力学过程与循环 • 气体动理论与分子运动论 • 固体、液体与相变现象 • 热辐射与黑体辐射理论 • 热学在生活和科技中应用
01 热学基本概念与 定律
温度与热量
温度
表示物体冷热程度的物理量， 是分子热运动平均动能的标志。
热量
在热传递过程中所传递内能的 多少。
绝热过程
系统与外界没有热交换的热力学过程。 在绝热过程中，系统的温度变化完全 由做功引起。例如，绝热膨胀和绝热 压缩是常见的绝热过程。
多方过程与准静态过程
多方过程
系统状态变化时，其压强和体积同时发生变化的过程。多方过程的特征在于压强和体积的乘积（PV）的n次方保 持恒定，其中n为多方指数。多方过程包括等温过程、等压过程和等容过程等特例。
最概然速率
在麦克斯韦速率分布曲线中，有一个峰值对应的速率称为最概然速率，表示在该速率附 近分子数最多。

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传热的微观本质是分子的无规则运动能量从高 温物体向低温物体传递。热量是过程量
d Q 微小热量 ：
> 0 表示系统从外界吸热； < 0 表示系统向外界放热。
等价
2
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二、热力学第一定律 (The first law of thermodynamics)
某一过程，系统从外界吸热 Q，对外界做功 W，系 统内能从初始态 E1变为 E2，则由能量守恒：
循环过程
V
1. 热力学第一定律适用于任何系统(固、液、气）；
2. 热力学第一定律适用于任何过程(非准静态过程亦 成立)。
6
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四、 W、Q、E的计算
1.W的计算(准静态过程，体积功)
F
(1)直接计算法(由定义)
系统对外作功，
2
W＝1
Fdx
=
2
1
PS
dx
V2
W = PdV
W = 1 P dV =
RT
2
1
dV V
W
RTl nV( 2 ) V1
P1V1
ln(V2 V1
)
P1V1
ln(P1 P2
)
系统吸热全部用来对外做功。
思考：CT ( 等温摩尔热容量)应为多大？
15
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§7.4 理想气体的绝热过程 (Adiabatic process of the ideal gas)
吸热一部分用于对外做功，其余用于增加系统内能。
14
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三.等温过程(isothermal process) P

大学物理热力学1.ppt

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22
于是
7 ( T T ) Q b a 2 1 1 Q ( 5 2 ln 2 ) T 5 T 1 b a
7 ( 1 T T ) a/ b 1 ( 5 2 ln 2 ) 5 T T a/ b
其中
T P P V 1 a a c 1 T P P V 2 b b b 2
Note:
[思考]
①在卡诺循环中，两条等温线下的面积是否相等？为什么？
②两条绝热线下的面积是否相等？物理意义？
28
[例2-2]1mol理想气体作卡诺循环，T1=400k，T2=300k，在400k的等温线上起始体积 V1=0.001m3，终止体积V2=0.005m3，求气体在每一循环中①从高温热源吸收的热量Q1； ②所做净功A；③传给低温热源的热量Q2。
解： P a b T1 T2 c V V1 V2 ①
M V 2 Q Q A RT ln 1 ab ab 1 M V mol 1
d
O
0 . 005 1 8 . 31 400 ln 0 . 001 3 5 . 35 10 ( J )
29
②
A T 1 2 Q T 1 1 T 300 3 2 A Q ( 1 ) 5 . 35 10 ( 1 ) 1 T 400 1 3 1 . 1 2 Q Q 1 1 T2 1 T1
卡诺热机：
⒒致冷机的致冷系数
卡诺致冷机：
Q Q 2 2 w Q Q A 1 2 T2 w T1 T2
35
⒈理想气体的状态变化遵从PV2=B的规律(B为正常数)，则当体积由V1膨胀至2V1时，气体 对外做功A= 。
M dQ CdT Mmol

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C Mc
摩尔热容量：1mol物质的热容量（Cm） J K 1 mol 1
C
M
Cm
第11页/共60页
热容量CY与过程有关:
CY
(
dQ dT
)Y
热容量C的可能值:
C 0 吸热且升温 T 0
C 0 放热且升温 T 0 C 0 Q 0 绝热过程
C 等温过程 T 0
稳定性要求 C 0
第1页/共60页
§7-1 热力学第一定律
一 功 宏观运动能量
热运动能量 （过程量）
功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动
状态的变化 .
准静态过程功的计算
dW Fdl pSdl
dW pdV
W V2 pdV V1
注意：作功与过程有关 .
第2页/共60页
二 热 量（过程量）
通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间
第5页/共60页
理想气体内能 : 表征系统状态的单值函数 , 理想气体的内能仅是温度的函数 .
E E(T )
系统内能的增量只与系统起始和终了状态有
关，与系统所经历的过程无关 .
p
p
A*
1
A*
1
2 *B
o
V
2 *B
o
V
EAB C
EA1B2 A 0
改变系统内能的两种等效方式: 作功, 传递热量
第6页/共60页
双原子理想气体
7 Cp 2 R
多原子理想气体 Cp 4R
第14页/共60页
3、比热容比 理想气体
Cp
CV C p CV R
i CV 2 R
i2
i 例7-1 教材 P230
第15页/共60页

大学物理-热力学基础-课件


Wa
CV m (T2
T1)
p1V1 p2V2
1
本题用 Wa E 计算较方便
关键用绝热方程
T2
T1
( V1 V2
)
1
先求出 T2
p
p2
2 T2
T2' T1
Q0
p2'
2'
p1
TC
T1
1
o V2 V2' V1 10 V1 V
18.
*四. 多方过程 — 实际过程( 满足 PV n C)

绝热 n = ( CPm / CVm )
等温 n = 1 等压 n = 0
W p1V1 p2V2 n 1
满足 E CV (T2 T1)
Q Cn (T2 T1)
等体 n = ∞
p
可以证明
n= n=∞
n=1
Cn
(
n
n 1
)CV
n=0
o
V
19.
13 – 5 循环过程 卡诺循环
一. 循环过程
1. 特点 E 0 W = Q ( 热功转换 )
1
2
W
(2)热一定律 dQP dE PdV
o V1
V2 V
QP
E
V2 PdV
V1
v
i 2
R(T2
T1 )
P(V2
V1 )
7.
2.摩尔定压热容 CPm
1mol
:
CPm
dQp dT
理论值：
CPm
dE pdV dT
CVm
R
i2R 2
(近似)
实验值：查表 (精确)
QP
dQP

大学物理热力学基本概念-PPT


绝热 Q=0
等温（准静态）
Q A
pVln V2 V1
30
练习1. 理想气体绝热自由膨胀，去掉隔板实现平衡后压强 p=?
解1：
由绝热方程
V p0 ( 2
)
pV
p
p0 2
解2： 绝热过程
自由膨胀
p1V1 p2V2
Q0
E 0
A0
p2
p0 2
T 0
T2 T1
哪一个解对？为什么？
绝热方程对非静态过程不适用
答案：（D）
32
大学物理热力学基本概念
重点： 内能、功、热量、摩尔热容，泊松比 热力学第一定律 热力学第一定律应用于理想气体等体、等压、等温 过程，绝热过程，和各种循环过程。 卡诺循环 热机效率和制冷系数 热力学第二定律
难点： 热力学概率，热力学第二定律的统计意义
2
前言 热学发展历史的两大特征： •技术——物理——技术模式 •两种研究方法——两种理论
3)相互关系：互相补充，相辅相成 热力学－ 宏观理论，基本结论来自实验事实，普遍可靠，
但不能解释其本质 解释 验证
统计物理－ 微观理论，揭示热现象本质
热力学第一定律 的创始人
热力学第二定律 的创始人
4
§20.1 热力学基本概念
一、热力学系统 外界 大量粒子组成的宏观、有限的体系称为热力学系统。 与其比邻的环境称为外界
CV
i 2
R
Cp
i
2 2
R
单双 多
3 R 5 R 3R
2
2
5R
7 R
4R
2
2
CT
Ca 0
泊松比
i2 i
5

大学物理课件热力学

02
理想气体是一种理论模型，实际气体在压强不太高、温度不 太低的条件下，可近似视为理想气体。
03
理想气体状态方程适用于平衡状态下的气体，可用于计算气 体的压强、体积、温度等物理量。
等温过程、等压过程和等容过程分析
等温过程
系统在等温过程中温度保持不变，根据理想气体状态方程可知，压强与体积成反比。等温过程中气体对外做 功或外界对气体做功，同时气体与外界交换热量，以保持温度不变。
提高效率方法
改进燃烧系统、减少摩擦损失、优化进排气系统等，提高发 动机的燃烧效率和机械效率。
火力发电厂工作流程简介及节能减排措施
工作流程
燃料在锅炉内燃烧产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机转动发电机发电，最终将电能输送到电网。
节能减排措施
采用高效清洁燃烧技术、提高锅炉和汽轮机效率、实施烟气脱硫脱硝等环保措施，降低能耗和减少污染物排放。
热力发电技术
研究高效、环保的热力发电技术，为新能 源领域提供可持续的能源供应方案。
热能储存与利用
开发新型热能储存材料和技术，实现热能 的跨时段利用和区域调配。
热力学在环境保护和可持续发展中作用
节能减排技术
应用热力学原理，开发节能减排 技术，降低能源消耗和减少污染 物排放。
循环经济
利用热力学分析方法，优化资源 利用和废弃物处理流程，推动循 环经济发展。
等压过程
系统在等压过程中压强保持不变，根据理想气体状态方程可知，体积与热力学温度成正比。等压过程中气体 对外做功或外界对气体做功，同时气体温度发生变化。
等容过程
系统在等容过程中体积保持不变，即气体不对外做功外界也不对气体做功。根据理想气体状态方程可知，压 强与热力学温度成正比。等容过程中气体温度发生变化，同时气体与外界交换热量。
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利用理想气体内能表达式可得
CV ,m
i 2
R
在等体过程中 Q V U v C V ,m ( T 2 T 1 ) v C V ,m T
p
等 p2
体
升 压
p1
o
பைடு நூலகம்2 (p2,V,T2)
1 (p1,V,T1) VV
p
等 p1
体
降 压
p2
o
1 (p1,V,T1)
2 (p2,V,T2) VV
QV
U1
13
J.迈耶
J.焦耳
H.亥姆霍兹
能量守恒定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只
能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转 移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的 总量不变。
14
热力学第一定律
外界对系统做功与外界对系统传热之和等于 系统内能增加量。
U2U1WQ *适用于一切过程，一切系统*
p
A*
1
p
A*
1
2 *B
o
V
2 *B
o
V
理想气体内能 : 表征系统状态的单值函数 ,
理想气体 的内能仅是温度的函数 U U(T)
11
永 动 机 的 设 想 图
12
第一类永动机试图在不获 取能源的前提下使体系持续 地向外界输出能量。历史上 最著名的第一类永动机是法 国人亨内考在十三世纪提出 的“魔轮”，十五世纪，著 名学者达芬奇也曾经设计了 一个相同原理的类似装置， 1667年曾有人将达芬奇的设 计付诸实践，制造了一部直 径5米的庞大机械，但是这些 装置经过试验均以失败告终。
U2
QV
U1
U2
20
二 等压过程
特 性 p常量
过程方程 VT1 常量
功 Wp(V2V1)
p
p
(p,V1,T1) (p,V2,T2)
1
2
W
热一律 dQpdUdW o V 1
V2 V
定压摩尔热容: 1mol理想气体在等压过程中吸
收的热量 d Q p ，温度升高 dT，其定压摩尔热容为
Cp,m
dQp dT
存在温差而发生的能量传递 .
功与热量的异同 1）过程量：与过程有关；
T1 T2
T1 Q T2
2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；
1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡
3）功与热量的物理本质不同 .
宏观运动
功 分子热运动
热量
分子热运动
分子热运动
10
五、 内 能 （状态量）
物体内分子做无规运动的动能和势能的总和叫做 物体的内能。内能由系统的状态唯一地决定。内能的 改变量只由初末状态决定，和变化的具体过程无关。
第四章 热力学
PART ONE
前言
请在此处添加具体内容，文字尽量言简意赅，见到 那描述即可，不必过于繁琐，注意版面美观度。
2
主要内容
§4.1 热力学第一定律 §4.2 热力学第一定律对理想气
体的应用 §4.3 循环过程 §4.4 热力学第二定律
3
§ 4.1 热力学第一定律
一、热力学第零定律
热力学第零定律： 如果系统A、B同时和系统 C达到热平衡，则系统A和B也处于热平衡—热平 衡的传递性。
准静态过程
dQdUpdV
QU V2 pdV
16
V1
例 某系统吸热800J，对外作 功500J，由状态A沿路径1变 到状态B，气体内能改变了多 少？如果气体沿路径2由状态 B回到状态A，外界对系统作 功300J，气体放热多少？
1
B
2 A
QUW UQW800500300J
Q U W 3 0 0 3 0 0 6 0 0 J
7
宏观运动能量 作机械功改变系统
状态的焦耳实验
热运动能量 作电功改变系统 状态的实验
A V
8
例：v mol理想气体保持温度T不 变，体积从V1准静态变到V2，求等 温过程的功。
PVRT
W V2PdV V2RTdVRTlnV2
V1
V V1
V1
9
四、 热量（过程量）
通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间
平衡态：热力学系统如果与外界没有热量交换，内部也不发生 任何形式的能量转化，经过足够长的时间后，可以达 到宏观性质稳定的状态，称之为平衡态，是一种热动 平衡，可以用一组状态参量来描述。
5
准静态过程（理想化的过程）
准静态过程：如果一个系统在其变化过程中所 经历的每一中间状态都无限接近于热平衡态，这个 过程称为准平衡过程或准静态过程。当系统实际过 程时间大于系统弛豫时间即可认为是准静态过程。
特性 V 常量
过程方程 p/T 常量
p
p2
(p2,V,T2)
dV0, dW0
热力学第一定律 dQV dU
p1
o
(p1,V,T1)
VV
定体摩尔热容: 1mol理想气体在等体过程中吸
收的热量 dQV ，使温度升高 dT, 其定体摩尔热容为
CV,m
dQV dT
dQVCV,mdT
单位 Jmo 1K l1
19
热力学第一定律也可表述为：第一类永动机不可能实现
第一定律的符号规定
Q
U2 U1
W
+ 系统吸热 内能增加 系统对外界做功
系统放热 内能减少 外界对系统做功
15
热力学第一定律
QU2U1W
p
1*
系统从外界吸收的热量,
*2
一部分增加系统的内能, 另一 部分用来对外界做功 .
o V1
V2 V
QUW
微小过程 dQdUdW
达到热平衡的系统具有共同的内部属性—温度
热力学温标(T: K) 摄氏温标(t: ℃)
t (℃)=T (K) - 273.15
BCA
4
二、 若干基本概念
热力学系统的分类： （1）孤立系统：与环境既没有物质交换也没有能量交换的系统。 （2）封闭系统：与环境只有能量交换没有物质交换的系统。 （3）开放系统：与环境既有物质交换也有能量交换的系统。
砂子 活塞 气体
p
p1 2 (p1,V1,T1)
p2
1 (p2,V2,T2)
o V1
6
V2 V
三、 功（过程量）
宏观运动能量
热运动能量
功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动 状态的变化 . 准静态过程功的计算
d W F d lpd S l
dWpdV
W V2 pdV V1
注意：作功与过程有关 .
dQpCp,mdT
21
d Q pC p,m d Td U p d V
dUCV,mdT
pdVRdT
可得定压摩尔热容和定体摩尔热容的关系（迈耶公式）
C p,mC V,mR2 iRRi 22R
17
§4.2 热力学第一定律对理想气体的应用
计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础
（1） （2）
dQdUpdV 解决过程中能
QU V2 pdV 量转换的问题 V1
pV vRT （理想气体的状态方程）
（3） UU(T) i vRT （理想气体的内能） 2
（4） 各等值过程的特性 .
18
一 等体过程