熱力學第一定律和第二定律

當一個科學家發現，自然界的結構有這么多不可思議的奧妙，他會有一個觸及靈魂的震動。而這個時候的感覺，我想是和最真誠的宗教信仰很接近的。

－－－楊振寧結構框圖熱力學系統內能變化的兩種量度功熱量熱力學第一定律熱力學第二定律等值過程絕熱過程循環過程卡諾循環（理想氣體）（對熱機效率的研究）大學物理熱力學基本概念重點：內能、功、熱量、摩爾熱容，泊松比熱力學第一定律熱力學第一定律應用于理想氣體等體、等壓、等溫過程，絕熱過程，和各種循環過程。卡諾循環熱機效率和制冷系數熱力學第二定律難點：熱力學概率，熱力學第二定律的統計意義大學物理熱力學基本概念1)微觀理論－《統計物理》物質的微觀結構粒子的熱運動統計方法平均效果確定宏觀量與微觀量的聯系，描述熱現象的規律和本質由基本假設構造性理論熱學發展歷史的兩大特征：技術——物理——技術模式兩種研究方法——兩種理論前言2)宏觀理論－《熱力學》歸納觀測實驗熱現象基本定律，宏觀過程進行的方向和限度，不涉及微觀本質永動機是不可能成功的自然遵循什么法則由現象出發原理性理論大學物理熱力學基本概念3)相互關系：互相補充，相輔相成統計物理－熱力學－宏觀理論，基本結論來自實驗事實，普遍可靠，但不能解釋其本質微觀理論，揭示熱現象本質驗證解釋熱力學第一定律的創始人熱力學第二定律的創始人大學物理熱力學基本概念§20.1熱力學基本概念一、熱力學系統外界大量粒子組成的宏觀、有限的體系稱為熱力學系統。與其比鄰的環境稱為外界與外界有E

交換，無m

交換開放系統：封閉系統：孤立系統：與外界有m、E

交換與外界無E、m

交換絕熱例開放系統封閉系統孤立系統大學物理熱力學基本概念1.描述系統宏觀性質的物理量，如：p、T、V、E...稱為系統的狀態參量。廣延量強度量無可加性，如p、T狀態參量有確定值的狀態——平衡態二、狀態參量、熱力學過程熱力學研究熱力學系統的狀態及狀態變化2、系統狀態變化——熱力學過程例：氣體自由膨脹非靜態過程：中間狀態不是平衡態氣體等溫膨脹準靜態過程：過程進行得足夠緩慢中間狀態

~

平衡態（平衡過程）大學物理熱力學基本概念3.相平面相圖以狀態參量為坐標變量——

相平面、相空間相圖中的點——對應平衡態相圖中的線——對應平衡過程例：等溫、等壓、等體過程的相圖V大學物理熱力學基本概念三、系統內能熱力學主要研究系統能量轉換規律1.系統內能E指所有分子熱運動能量和分子間相互作用勢能例：實際氣體理想氣體(剛性分子)2.內能E

是狀態函數內能變化ΔE只與初末狀態有關，與所經過的過程無關，可以在初、末態間任選最簡便的過程進行計算。大學物理熱力學基本概念四、功和熱量注意：非靜態過程不適用1.準靜態過程的體積功3.內能變化方式做功熱傳遞大學物理熱力學基本概念示功圖：

p-V圖上過程曲線下的面積系統對外界做功外界對系統做功循環過程的功大學物理熱力學基本概念思考：注意：功是過程量過程不同，曲線下面積不同（可正、可負、可零）2.熱量中學：比熱熱容：摩爾熱容：等體摩爾熱容：等壓摩爾熱容：注意：熱量是過程量定義：大學物理熱力學基本概念3.A與Q

比較E改變方式特點能量轉換量度做功熱傳遞與宏觀位移相聯系通過非保守力做功實現機械運動熱運動A與溫差相聯系，通過分子碰撞實現熱運動熱運動Q在系統狀態變化過程中，A、Q、△E

間數量關系包含熱運動和機械運動范圍的能量守恒定律熱力學第一定律大學物理熱力學基本概念§20.2熱力學第一定律及其應用一.熱力學第一定律1.數學形式：系統從外界吸熱=內能增量+系統對外界做功準靜態：dQ=dE+pdV理想氣體：微小過程：dQ=dE+dA增量微小量微小量大學物理熱力學基本概念2.物理意義：涉及熱運動和機械運動的能量轉換及守恒定律。3.其它表述：第一類永動機是不可能制成的。第一類永動機：系統不斷經歷狀態變化后回到初態（不消耗內能），不從外界吸熱，只對外做功蓄水槽發電機泵電池蓄水槽重力型浮力型毛細型子母型……違反熱力學第一定律，所以不可能成功。即：大學物理熱力學基本概念二.對理想氣體的應用等值過程

等體過程

等壓過程

等溫過程絕熱過程1）過程方程查理定律1.等體過程（dV=0V=c)大學物理熱力學基本概念2）熱力學第一定律的具體形式3）等體摩爾熱容單原子分子氣體雙原子分子（剛性）由得吸熱全部用于增加內能：注意：大學物理熱力學基本概念2.等壓過程（dp=0p=c)2)熱力學第一定律的具體形式1)過程方程蓋.呂薩克定律大學物理熱力學基本概念3)等壓摩爾熱容邁耶公式泊松比單原子分子氣體雙原子剛性分子大學物理熱力學基本概念討論：理論值與實驗值的差異（P648）注意：大學物理熱力學基本概念實驗結果：CV隨溫度變化顯示經典理論缺陷，是導致近代物理革命原因之一。理論值與實驗值差異的原因：經典理論認為能量連續分布，實際上只有近似連續，均是量子化的。隨T升高，轉動、振動能量相繼解凍（被激發），曲線出現三個臺階。大學物理熱力學基本概念3.等溫過程（dT=0T=c)1）過程方程玻意耳—馬略特定律2）熱力學第一定律的具體形式吸熱全部用于對外做功大學物理熱力學基本概念3）摩爾熱容4.絕熱過程特點：dQ=0絕熱材料快速進行（如氣體自由膨脹）大學物理熱力學基本概念1）過程方程熱力學第一定律條件:準靜態：理想氣體：消去dT絕熱方程大學物理熱力學基本概念2）絕熱線絕熱線：比等溫線陡等溫線：

pV=恒量雙曲線過pV圖中某點（A)微觀解釋：等溫絕熱大學物理熱力學基本概念3)熱力學第一定律的具體形式4)摩爾熱容大學物理熱力學基本概念*5.多方過程(一般情況)pVo特例：大學物理熱力學基本概念小結：1.P651表理想氣體典型過程比較大學物理熱力學基本概念大學物理熱力學基本概念小結：2.A：準靜態過程非靜態過程Q：等體絕熱Q=0等溫（準靜態）等壓大學物理熱力學基本概念練習1.

理想氣體絕熱自由膨脹，去掉隔板實現平衡后壓強p=?由絕熱方程解1：解2：哪一個解對？為什么？絕熱方程對非靜態過程不適用大學物理熱力學基本概念解：由氣體狀態方程可得答案：（D）

一定量的理想氣體，在p—T

圖上沿著一條直線從平衡態a變化到b則這是一個：（）(A)絕熱膨脹（B）等容吸熱

(C)吸熱壓縮（D）吸熱膨脹練習2abp2p1T1T2Tp0大學物理熱力學