大学物理热力学基础PPT

制冷机原理
利用工作物质在低温下吸热并在高温下放热，实现制冷效果的装置。制冷机通过消耗一定的机械能或电能， 将热量从低温物体传递到高温物体。常见的制冷机有冰箱、空调和冷库等。
热力学第二定律与熵增原理
热力学第二定律
热量不可能自发地从低温物体传递到高温 物体而不引起其他变化。热力学第二定律 揭示了自然界中能量转换的方向性和不可 逆性。它是热力学基本定律之一，对热力 学理论的发展和应用具有重要意义。
03
热辐射是物体内部微观粒子热运动而产生的辐射，光辐
射则是原子或分子能级跃迁时产生的辐射。
黑体辐射公式及其意义
黑体定义
能够完全吸收入射的各种波长的电磁波的理想物体。
黑体辐射公式
普朗克黑体辐射公式描述了黑体辐射能量密度与温度、频率的关 系。
黑体辐射公式的意义
揭示了黑体辐射的量子化特性，为量子力学的诞生奠定了基础。
灰体、选择性吸收体等概念介绍
灰体定义
能够部分吸收入射的电磁波的物体，其吸收率 与波长无关。
选择性吸收体定义
对某些特定波长的电磁波具有较强吸收能力的 ห้องสมุดไป่ตู้体。
灰体与选择性吸收体的比较
灰体对所有波长的吸收率相同，而选择性吸收体则对不同波长的电磁波具有不 同的吸收率。
实际物体辐射规律探讨
01
实际物体的发射率
06 热学在生活和科 技中应用

要点二
影响因素
影响熵产生的因素包括系统的温度、压力、物质的种类和 数量等。一般来说，温度越高、压力越低、物质种类越多 、数量越大，则系统的熵值越高。此外，系统的开放程度 也会影响熵的产生。在开放系统中，物质和能量可以与外 界交换，因此系统的熵值可能会降低。而在孤立系统中， 物质和能量无法与外界交换，因此系统的熵值只能增加。
提高能量利用效率途径
优化系统设计
通过改进系统结构和工艺流程， 减少能量转换环节和损失，提高 系统整体能量利用效率。
采用高效设备
选用高效节能设备，如高效电机、 高效锅炉等，降低设备运行过程 中的能量损失。
回收利用余热余压
对生产过程中产生的余热余压进 行回收利用，将其转化为有用功 或用于其他生产过程，提高能源 利用效率。
生物进化与热力学第二定律关系
生物进化是熵减过程
生物通过摄取食物、呼吸氧气等过程，将环境中的低熵 物质转化为自身的高熵物质，实现自身的生长和繁殖， 这是一个熵减的过程。
生物进化符合热力学第二定律
虽然生物进化是熵减过程，但整个宇宙的总熵仍在增加 。生物进化只是局部范围内的熵减，而整个生态系统的 熵仍在增加。
应用举例
在化学反应中，如果反应物和生成物处于同 一温度，则自发进行的反应总是向着熵增加 的方向进行。例如，氢气和氧气在点燃条件 下可以自发反应生成水，该反应的熵变小于

显然
C Mc C
C
M

c c
热容量与过程有关，常见的有：
(dQ)V dQ （V不变过程） 定义4： CV ( )V ,mol dT dT ——定容摩尔热容 (dQ) P dQ （P不变过程） 定义5： CP ( ) P ,mol dT dT ——定压摩尔热容
P
椭圆面积 ab
1 A V1 P 2 PV1 1 1 4
2P 1
a
b
V
P1 V1
2V1
二、热量 1、历史回顾 除做功外，系统与外界交换能量还有另一种方式即 传热。什么是热量？其本质如何？曾经是历史上长期 争论的问题。 在17世纪，温度和热量两概念混淆不清。一些人认 为温度计测出的不是热的程度，而是热的数量，因为 等量的水混合后，温度取平均值（温度的变化即热量 的变化？）。荷兰化学家布尔哈夫提出不同的物质等 量混合后会怎样？“等量”是“等质量”，还是“等 体积”？混合后的温度都不取平均值。称为“布尔哈 夫疑难”。
举例2：热传导，气体由 T1 T2 中间过程中，气体各部分温度不同， 近热源温度高，上部温度低。 非静态过程
设想：
准静态
气体分别与无限多温差无限小的热源接触升温 从 T1 T2。无限缓慢。 气体各部分温差不计，温度均匀。
准静态过程
2、实际过程的抽象近似 实际过程并非无限缓慢，准静态过程有意义吗？许多 情况下，可作准静态过程处理。“无限”只有相对意义!

§7.1 热力学第一定律
§7.2 热容量
§7.3 热力学第一定律的应用
§7.4 理想气体的绝热过程
§7.5 循环过程
§7.6 热力学第二定律
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0
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§7.1 热力学第一定律 (The first law of thermodynamics)
一、内能、功、热 (Internal energy, Work, Heat)
T2
系统 温度 T1 直接与 热源 T2接触，最终达到热 平衡，不是 准静态过程。
5
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因为状态图中任何一点都
P
表示系统的一个平衡态， 故准静态过程可以用系统 的状态图， 如P-V图（或 P-T图，V-T图）中一条曲 线表示，反之亦如此。
o
等温过程 等容过程
等压过程
绝热过程：
1.良好绝热材料包围的系统发生的过程；
C
1
dQ dT
对于等容过程， dW=0，
dQdE i RdT
2
有
10
CV
iR 2
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二.理想气体等压摩尔热容量
对于等压过程，
dQ dE dW iRdT PdV
2
再由理想气体状态方程有 PdV+VdP = RdT

孤立系统总是倾向于 熵值最大。
熵是在自然科学和社会科学领域应用最广泛的概念之一。
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§4.6 可逆过程和卡诺定律 (Reversible process and Carnot's theorem)
实际热过程的方向性或不可逆性，如功变热，等。
可逆过程？ 尽管实际不存在，为了理论上分析实际过程 的规律，引入理想化的概念，如同准静态过程 一样。
TT 2 T 2
2 9 3 . 1 5
总熵变化 S 总 S 1 .0 1 0 2J/K
例：1摩尔气体绝热自由膨胀，由V1 到V2 ，求熵的变化。
1）由玻耳兹曼熵公式， 因 VN
（R=kNA ）
S R ln V2 V1
2）
Q0
是否
S0 ？
2
S
2dQ
1dQQ0
设计一可逆过程来计算
1T T T
S = S不同粒子 - k N ln N/e + 2k N/2 ln N/2e = 0
1
T
R
1
T
R
ln
T2
P1
1 T1 P4
R ln T3 R ln V2
T1
V1
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R ln P1 R ln V 2
P2
V1
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§4.8 熵增加原理

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。
-------------------------------------------------------------------------------
2. 准静态过程可用过程曲线来表示
p－V图上，一点代表一个平衡态，一条连续曲线代表
一个准静态过程，箭头的方向为过程进行的方向，这 条曲线称过程曲线，这条曲线的方程称过程方程。
p
等容线
等温线
0
p－V图
等压线 V
-------------------------------------------------------------------------------
p是绝对值，dV是代数值。
气体膨胀时： dV>0， dW>0，系统对外界做正功 气体被压缩时： dV<0， dW<0，系统对外界做负 功，或者说外界对系统做正功。
若系统从初态Ⅰ经过一个准静态过程变化 到终态Ⅱ，则系统对外界所做的总功为
W dW V2 pdV

V1
表明功是过程量，不是状态量。
(2)利用热力学第一定律
传热的微观本质是

13-4 理想气体的等温过程和绝热过程 一、等温过程
1.等温过程的特点 (1)温度恒定, 内能保持不变。 恒 温 热 源 T
p1V1 p2V2 常量
dE 0
(2)当气体膨胀时, 气体从恒温热源吸收的热量全部用来 对外作功。当气体被压缩时,外界对其所作的功全部以热 量的形式由气体传递给恒温热源。
1.热容
dQ 的热量。用C表示。单位: J· -1。 C d T K
2.比热容(比热)
单位质量的热容称为比热容。用c 表示，单位：
系统温度升高一度时所需要
J· -1· -1。 K kg
3.热容和比热容的关系
C mc
m：系统质量
15
4.摩尔热容量Cm
1mol的物质温度升高一度所吸收的热量称为该物
注：热力学第一定律是实验经验的总结，是自然界的 普遍规律。
11
4.准静态过程
d Q d E p dV
5.热量Q是过程量
P
A E1
Q E 2 E1 p d V
V2 V1
B E2
6.功和热的转换
O P ,V 1 1
P2 ,V2 V
(1)功与热之间的转换不是直接进行的。 (2)系统从外界吸热，系统内能增加，系统对外作功， 系统内能减少。
V2
1 ( p ,V , T ) 1 1

QpEp(V2V1)M mi22R(T2T1)
M mCp(T2 T1)
或
Cp R
p(V2
V1)
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P.25/42
p Q0
pA B
热力学基础
O V1 V2V 等压膨胀过程
等压膨胀过程 V2>V1 , A>0 又T2>T1, 即E2-E1>0 ∴Q>0 。气体吸收的热量，一部分用于内能的增加，
热力学基础
（2）定压摩尔热容：
1mol理想气体在压强不变的状态
Cp
下，温度升高一度所需要吸收的热量。
1

dQ dT p
（3）Cv,和Cp,的关系
实验证明： Cp CV R ——迈耶公式
CV

i 2
R
Cp

i
2 2
R
i为自由度数：
令
Cp
摩尔热容比（绝热系数）
CV
2019/9/28
2019/9/28
P.28/42
热力学基础
例 质量为2.810-3kg、压强为1.013×105Pa、温度为27℃
的氮气, 先在体积不变的情况下使其压强增至
3.039×105Pa, 再经等温膨胀使压强降至1.013×105Pa , 然
后又在等压过程中将体积压缩一半。试求氮气在全部过程

T1
理想气体得内能另表述:
E CV ,mT
i CV ,m 2 R
理想气体准静 态过程热力学 第一定律:
Q CV ,m (T2 T1)
V2 pdV
V1
二、等压过程 定压摩尔热容
pV RT
1、等压过程 P=恒量
•过程方程:
V1 V2 T1 T2
Q CV ,m (T2 T1)
13-1 准静态过程 功 热量
一、准静态过程
可用Ｐ－V 图上得一条有
方向得曲线表示。
二、功
准静态过程系统对外界做功:
元功: dW Fdl pSdl pdV
dl
系统体积由V1变 为V2,系统对外 界作总功为:
V2
W＝ pdV
V1
p F S pe
光滑
注意:
V2
W＝ pdV
V1
1、V ，W>0 ；V ，W<0或外界对系统作功 ，V不变时W=0
总结: pV m RT RT
M
p1V1 p2V2
T1
T2
Q CV ,m (T2 T1)
V2 PdV
V1
CV ,m
i 2
R
CP,m CV ,m R
CP,m CV ,m
等容 WV 0
QV CV ,m (T2 T1) E
等压
QP Cp,m (T2 T1) CV ,m (T2 T1) P(V2 V1) WP P(V2 V1) R(T2 T1)

1 p 1 p (3)等体压强系数: lim0 T p T p T V V
可以证明： p 即 , , 中只有两个可以独立变化。
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理学院 物理系 陈强
第一章 热力学系统的平衡态及状态方程
热现象与物质的分子运动密切相关。大量分 子的无规则运动称为分子的热运动。
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理学院 物理系 陈强
第一章 热力学系统的平衡态及状态方程
说明： (1) 不受外界影响指系统与外界不通过作功或传热的 方式交换能量，但可处于均匀的外力场中； 两头处于冰水、沸水中的金属棒 如： 是一种稳定态，而不是平衡态；
高温
低温
处于重力场中气体系统的粒子数密 度随高度变化， 但它是平衡态。 (2) 平衡是热动平衡，是微观运动的平均效果不变。
理学院 物理系 陈强
1
理学院 物理系 陈强
基础物理学
热学部分主要内容
第一章 热力学系统的平衡态及状态方程 第二章 热平衡态的统计分布律 第三章 近平衡态中的输运过程 第四章 热力学第一定律 第五章 热力学第二定律和第三定律 第六章 单元系的相变与复相平衡
2
理学院 物理系 陈强
概论
概论
研究热力学系统的热现象和热运动规律。
三.系统间的热平衡
若两系统发生热接触后能继续处于原来的平衡态而 不发生变化, 则称这两个系统处于热平衡. 21

§7—3、4 热力学第一定律对理想气体等容、 等压和等温过程的应用 气体的热容
一、热力学过程 （系统状态随时间改变）
分类： （1）按系统与外界的关系分类；
自发过程（无外界帮助所进行的过程）由非平衡 非自发过程（外界帮助才能进行的过程）由非平衡
或由平衡 外界作用 非平衡
水温度降低的过程 ：
30 ºc
的运动与系统内分子的无规则运动之间的转换。从而改变系统 的内能。
2、传热
向系统传递热量是通过分子间的微观相互作用来完成的；是 系统外分子无规则运动与系统内分子无规则运动的转换。从而 改变系统的内能。是热运动能量的传递过程。
功与热量关系： 本质不同，但在改变系统内能方面是等效的
注意： （1）功和热量本身不是能量，它们只是能量变化的量度； （2）功和热量是过程量，它们只有在系统状态变化过程中才
究大量分子热运动所表现出来的宏观规律。即研 究状态变化过程中有关热功转换的关系和条件。
热力学是热现象的宏观理论。
热力学的理论基础是热力学第一定律和热力学 第二定律。
学习中要抓住： （1）如何描述状态； （2）状态变化过程及其特征； （3）热功转换的关系和条件。
§7—1 内能、功、热量
一、热力学系统 热力学系统：被研究的一定量的物质或物体系（气、液、 固），简称系统。 外界：与系统发生作用的环境。 系统可分为： （1）一般系统：与外界有功、有热交换； （2）透热系统：与外界无功、有热交换； （3）绝热系统：与外界有功、无热交换； （4）封闭系统：与外界无功、无热交换。

2013-6-28
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Q
E E2 E1 0
A
Q A
Q
E E2 E1 0
A
m i E RT 系统内能不变，只能是系统温度 不变的过程～等温过程。 M 2
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16
Q Q
E E2 E1 0 E E2 E1 0
Q E2 E1
Q mcT2 T1
比热
定义摩尔热容： m M
dQ McdT
dQ C Mc dT
摩尔热容C： 1摩尔的物质温度升高(降低)1K所吸收(放出)的热量。
如果已知摩尔热容，质量m 理想气体交换的热量为Q：
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m Q C T2 T1 M
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4. 绝热过程
系统变化的过程中始终不能与外界交换热量～ 绝热过程。 在实际的过程中，过程的某一瞬间，由于热量的 传递慢，在瞬间可以将过程近似为绝热过程。
准静态绝热过程 绝热过程的基本特征是：dQ 0
0 dE pdV
pdV dE
m i E RT M 2
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1
热力学基础
华中科技大学
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2
热力学研究的目的在于如何有效地利用热能， 热力学利用分子运动论的结论，关注热力学系统的 宏观效应。

Q
E2 E1
A
+ 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
讨论
1）能量转换和守恒定律 . 第一类永动 机是不可能制成的 .
2）实验经验总结，自然界的普遍规律 .
3）对于循环过程:
0 dE dQ dA
Q A
吸收的热量全部用于对外作功
4）热力学第一定律适用于任何系统的任何过 程, 不管是否是准静态过程
P229 表7-1
§7-3 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用
一 等体(定容)过程
特性 V 常量
过程方程 PT 1 常量
p
p2
( p2,V ,T2 )
dV 0, dA 0
p1
热力学第一定律 dQV dE o
( p1,V ,T1)
V
V
mol 理想气体: dQV CV dT
QV E E2 E1 CV (T2 T1)
V=C A=0
p T
C
0
CV T
E
CV
iR 2
P=C
VT C
RT
CV T
C
pT
C
p
i
2 2
R
T=C dE=0
pV C R lnV2 V1
0
A CT
绝热 dQ=0 pV C

9.2 热一律在理想气体等值过程中的应用
一. 等体过程 dV=0，V=恒量 dV=0，V=恒量 ， P/ T = 恒量 参量关系
P
• •
特征： 1 特征：
V
来自百度文库
2 热一律表达式： 热一律表达式：
d Q=d E (∆Q)V = ∆E 对有限变化过程
意义： 意义： 系统吸收的热量全部用来增加系统本身的内能， 系统吸收的热量全部用来增加系统本身的内能，系 统对外不做功。 统对外不做功。
M C= Cm Mmol
单位：J/（mol·K）
二、理想气体的摩尔热容量 1.定体摩尔热容量（Cv）：
1mol气体在等体过程中吸收热量dQ与温度的变化dT之比
dQ dE CV = ( )V = ( )V dT dT i ∵ 1mol理想气体dE= RdT 2 i ∴ Cv = R 2
M E= CvT Mmol
无限缓慢： 无限缓慢： 微小变化时间 >> 驰豫时间
弛豫时间： 弛豫时间：系统由非平衡态趋于平衡态所需时间
2. 准静态过程的功
在准静态过程中， 在准静态过程中，因为每一时刻系统都无限接近于平衡 在理论计算上， 态，在理论计算上，我们可以近似认为每一个状态都 为平衡态。 为平衡态。 准静态过程功的计算： 准静态过程功的计算： dA=pdV (无限小平衡过程） 无限小平衡过程） 无限小平衡过程

第七章 热力学基础
例题7-2 质量为 2.8103 kg，温度为 300K ，压强 为1atm 的氮气，等压膨胀至原来体积的二倍，已知氮 气的摩尔定容热容为 5/ 2R 。求氮气对外所做的功、内
能的增量以及吸收的热量。
解：由题意知 m 2.8103 kg M 28103 kg mol 1 T1 300K
1.
pV m RT M
（理想气体的共性）
或
pV 恒量 T
dQ dE pdV
2.
Q E2 E1
V2 pdV
V1
3. 各过程的特性 。
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第七章 教学基本要求
第七章 热力学基础
一、等体过程
特性 V 常量
过程方程 p 常量
T
热力学第一定律
p
p2
2
p1
1
oV V
dV 0, dA 0
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第七章 教学基本要求
第七章 热力学基础
2、质量为 m ，摩尔质量为 M 的理想气体， 处于平衡态时，有
气体质量
pV m RT M
摩尔质量
普适气体常量 R 8.31J mol 1 K1
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第七章 教学基本要求
第七章 热力学基础
例题7-1 容器内装有质量为0.10kg 的氧气，压强

总结词
能量转换方式
详细描述
热量和功是能量转换的两种方式。热量是在热传递过程中传递的能量，而功则是力对距离的累积作用 。在封闭系统中，热量和功的总量与系统能量的变化相等。
第一定律的数学表达式
01
第一定律的数学表达式为：dE=dQ+dW
02
总结词：数学表达
03
详细描述：第一定律的数学表达式是热力学中重要的公式 之一，它表示系统能量的变化等于系统吸收的热量和系统 对外界所做的功之和。这个公式是能量守恒原理的具体表 现形式，是研究热力学问题的基础。
感谢您的观看
THANKS
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热力学第三定律
热力学第三定律的表述
热力学第三定律有多种表述方式，其中最常用的是“绝对零度不能达到原 理”和“熵增加原理”。
“绝对零度不能达到原理”指的是在绝对零度下，任何物质系统的熵值都 为零，即系统处于最有序状态，无法再降低温度。
“熵增加原理”则是指在一个封闭系统中，熵值总是不断增加的，即系统 总是向着更加无序的方向发展。
热力学第二定律
描述了自然过程中不可逆的方向性， 即自发过程总是向着熵增加的方向进 行。
麦克斯韦关系式和热流方程
要点一
麦克斯韦关系式
要点二
热流方程
描述了热力学函数之间的导数关系，是偏微分之间的转换 关系，对于分析热力学过程和平衡态非常关键。