大學物理第10章熱力學12024/2/29引言熱力學基本概念熱力學第一定律熱力學第二定律熱力學函數與熱力學關系熱力學在生活和科技中的應用總結與展望contents目錄22024/2/2901引言32024/2/29熱力學是研究熱現象中物質系統在平衡時的性質和建立能量的平衡關系，以及狀態發生變化時系統與外界相互作用的學科。熱力學定義熱力學是物理學的一個重要分支，它揭示了能量轉化過程的基本規律，為理解和利用熱現象提供了理論基礎。同時，熱力學在工業、農業、醫學等領域都有廣泛應用，對于推動科學技術的發展具有重要意義。重要性熱力學的定義與重要性42024/2/29研究對象熱力學的研究對象是大量粒子組成的宏觀物質系統，如氣體、液體、固體等。這些系統的共同特征是粒子間的相互作用可以忽略，因此可以用宏觀參量如溫度、壓力、體積等來描述系統的狀態。研究方法熱力學的研究方法主要是基于實驗觀測和理論分析。通過實驗觀測，可以獲取物質系統在熱現象中的宏觀性質和變化規律；通過理論分析，可以建立描述這些性質和規律的數學模型，進而揭示其內在的物理機制。熱力學的研究對象和方法52024/2/29與統計物理學的關系統計物理學是從微觀角度研究大量粒子組成的宏觀物質系統的學科，而熱力學則是從宏觀角度研究這些系統的學科。兩者之間相互補充，共同構成了對物質系統的完整描述。與經典力學的關系經典力學是研究質點和剛體等宏觀物體的運動規律的學科，而熱力學則是研究物質系統在熱現象中的運動規律的學科。兩者在研究對象和方法上有所不同，但都是物理學的重要組成部分。與電磁學的關系電磁學是研究電磁現象的學科，而熱力學則是研究熱現象的學科。雖然兩者在研究對象上有所不同，但在實際應用中常常相互交叉和滲透，如電磁感應加熱、熱電轉換等現象都需要同時考慮電磁學和熱力學的因素。熱力學與其他物理學科的關系62024/2/2902熱力學基本概念72024/2/29系統熱力學系統是指某一特定空間內所有物質的集合，它是我們研究的對象。環境與系統發生相互作用的其他物質的集合稱為環境。系統與環境之間通過物質和能量的交換而相互影響。系統與環境82024/2/29狀態與狀態參量狀態一個熱力學系統所表現出來的宏觀物理性質的總和稱為狀態。狀態參量用來描述系統狀態的物理量稱為狀態參量，如溫度、壓力、體積等。狀態參量的變化能夠反映系統狀態的變化。92024/2/29平衡態在沒有外界影響的條件下，系統各部分的性質長時間內不發生變化的狀態稱為平衡態。平衡態是一種理想化的狀態，實際系統總存在不同程度的漲落和擾動。非平衡態系統各部分性質隨時間發生變化的狀態稱為非平衡態。非平衡態是普遍存在的，但可以通過一定的條件或過程趨近于平衡態。平衡態與非平衡態102024/2/29熱力學過程熱力學過程系統從一個狀態變化到另一個狀態所經歷的全部狀態的總和稱為熱力學過程。熱力學過程可以通過狀態參量的變化來描述。等溫過程系統溫度保持不變的熱力學過程稱為等溫過程。在等溫過程中，系統內能不變，但可能吸收或放出熱量。等容過程系統體積保持不變的熱力學過程稱為等容過程。在等容過程中，系統不做功，但溫度和壓力可能發生變化。等壓過程系統壓力保持不變的熱力學過程稱為等壓過程。在等壓過程中，系統體積和溫度可能發生變化，同時可能伴隨吸熱或放熱現象。112024/2/2903熱力學第一定律122024/2/29能量守恒熱力學系統能量的變化等于傳入或傳出的熱量與對外做功或外界對系統做功之和。熱量轉移熱量可以自發地從高溫物體傳遞到低溫物體，但不可能自發地從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化。做功與熱傳遞做功和熱傳遞是改變系統內能的兩種方式，它們在改變內能方面是等效的。熱力學第一定律的表述132024/2/29積分形式Q=ΔU+W，其中Q表示系統吸收的熱量，ΔU表示系統內能的變化量，W表示系統對外做的功。符號規定系統吸熱Q為正，放熱為負；系統對外做功W為正，外界對系統做功為負；系統內能增加ΔU為正，減少為負。微分形式dQ=dU+dW，其中dQ表示系統吸收的熱量，dU表示系統內能的變化，dW表示系統對外做的功。熱力學第一定律的數學表達式142024/2/29熱力學第一定律的應用舉例理想氣體等溫過程在等溫過程中，理想氣體內能不變，因此吸收的熱量全部用于對外做功。理想氣體等容過程在等容過程中，系統體積不變，不對外做功，因此吸收的熱量全部轉化為系統內能的增加。熱機效率熱機效率定義為有用功與吸收熱量之比，根據熱力學第一定律可以推導出熱機效率的最大值。絕熱過程在絕熱過程中，系統與外界沒有熱量交換，因此系統內能的變化等于外界對系統所做的功或系統對外所做的功。152024/2/2904熱力學第二定律162024/2/29克勞修斯表述熱量不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體。開爾文-普朗克表述不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變為有用功而不產生其他影響。熵增表述在孤立系統中，一切實際發生的過程都使系統的熵增加，不可能發生使熵減少的過程。熱力學第二定律的表述030201172024/2/29對于任意可逆循環過程，有∮(δQ/T)r=0；對于任意不可逆循環過程，有∮(δQ/T)ir<0。其中，δQ表示系統吸收或放出的熱量，T表示熱源溫度，r和ir分別表示可逆和不可逆過程。克勞修斯不等式對于孤立系統，其熵S總是增加的，即dS≥0。等號成立時表示系統處于平衡態，否則系統處于非平衡態。熵增原理熱力學第二定律的數學表達式182024/2/29熵與生活現象熵增原理可以解釋許多生活現象，如為什么打碎的玻璃杯無法自動復原、為什么房間不收拾會變得越來越亂等。熱機效率根據熱力學第二定律，熱機不可能將吸收的熱量全部轉化為有用功，因此熱機效率總是小于1。制冷系數制冷機在工作時需要從低溫熱源吸收熱量并排放到高溫熱源，根據熱力學第二定律，制冷系數也存在上限。自然過程的方向性自然界中許多自發過程都是不可逆的，如熱傳導、擴散等。這些過程的發生都遵循著熱力學第二定律所揭示的方向性。熱力學第二定律的應用舉例192024/2/2905熱力學函數與熱力學關系202024/2/29VS描述系統平衡態的物理量，如內能、焓、熵等。性質熱力學函數具有確定性、單值性、可加性和微分性等基本性質。熱力學函數熱力學函數的定義與性質212024/2/29熱力學第二定律在自然界中涉及到的熱現象的宏觀過程都具有方向性。熱力學基本關系式基于熱力學第一定律和第二定律，推導出的一系列描述系統狀態變化的公式，如內能、焓、熵等的變化關系。熱力學第一定律熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機械能或其他能量互相轉換，但是在轉換過程中，能量的總值保持不變。熱力學基本關系式222024/2/29描述系統狀態參量之間偏導數關系的四個等式，是熱力學中的重要公式。麥克斯韋關系式在熱力學函數計算、相變研究、熱機效率計算等方面有廣泛應用。例如，利用麥克斯韋關系式可以推導出克拉珀龍方程，進而研究氣體的相變過程；還可以利用麥克斯韋關系式計算熱機的效率等。麥克斯韋關系式應用麥克斯韋關系式及其應用232024/2/2906熱力學在生活和科技中的應用242024/2/2903新能源開發熱力學在新能源開發領域具有廣泛應用，如太陽能熱利用、地熱能開發等。01能源轉換與利用熱力學為能源轉換和利用提供了理論基礎，如熱能轉換為機械能、電能等。02熱效率評估熱力學可用于評估能源轉換過程中的熱效率，指導能源的高效利用。熱力學在能源領域的應用252024/2/29材料相變研究熱力學可用于研究材料的相變過程，如固態相變、液態相變等。材料熱力學性質熱力學可描述材料的熱力學性質，如比熱容、熱膨脹系數等，為材料設計和應用提供依據。材料加工與處理熱力學在材料加工與處理過程中發揮重要作用，如熱處理、熱成型等。熱力學在材料科學中的應用262024/2/29環境污染控制熱力學可用于研究環境污染物的擴散、轉化和去除過程，為環境污染控制提供技術支持。節能減排技術熱力學在節能減排技術領域具有廣泛應用，如余熱回收、熱能梯級利用等。可持續能源系統熱力學可用于分析和優化可持續能源系統，如太陽能、風能等可再生能源的利用系統。熱力學在環境保護中的應用272024/2/2907總結與展望282024/2/29熱力學的重要性和應用價值01熱力學在能源轉換和利用中扮演核心角色，對于提高能源效率和開發新能源具有重要意義。02熱力學在環境保護和可持續發展方面發揮著關鍵作用，有助于減少污染和浪費，促進綠色發展。熱力學在材料科學、化學、生物學等領域具有廣泛應用，推動了這些領域的進步和發展。03292024/2/29微觀熱力學和宏觀熱力學的融合將是未來研究的重要方向，有助于揭示熱力學現象的微觀機制和宏觀規律。非平衡態熱力學和不可逆過程熱力學將成為研究熱點，有助于解決實際問題，如熱傳導、擴散等。熱力學與其他學科的交叉研究將進一步加強，如熱力學與統計物理、量子力學、信息論等的結合，將產生新的研究方向和應用領域。熱力學的發展趨勢和未來研究方向