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热力学与统计物理 授课教师 杨宏春 篇序 研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响 研究物质热运动与其它运动形态之间的转化规律 1 热学的研究对象 2 热力学?统计物理的研究方法 (1) 统计物理研究方法 从物质的微观结构出发，依据每个粒子所遵循的力学规律，用统计的 方法研究宏观物体的热力学性质 (2) 热力学研究方法 由观察和实验总结出热力学定律；用逻辑推理方法研究物体的热学性质 第八章 热力学基础 ? 章内容结构 热力学基础 ? 章内容结构 (1) 热运动与其它运动形式之间的能量转换 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 8.2 卡诺循环与卡诺定理 (2) 热力学第二定律与不可逆过程 8.3 热力学第二定律 8.4 热力学第二定律的数学表述——熵、熵增加原理 8.5 热力学第二定律的统计意义 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 (1) 基本概念 热力学过程：从一个热力学平衡态转化到另一个平衡态所经历的过程总合 驰豫时间：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所需的时间 非准静态过程：热力学过程的中间状态是非平衡态过程 准静态过程：热力学过程的中间状态为准平衡态 讨论 准静态过程为理想过程 准静态过程的必要条件：两平衡态转化所经历的时间大于驰豫时间 准静态过程可以用宏观参量图给予表示 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 (2) 热运动与其它运动形式之间的能量转换 A 热力学系统对外界做功 对无摩擦准静态过程 讨论 功是过程量 (注意过程量微元的表达方法) 功正负符号规定：体积膨胀时，系统对外作正功，反之亦然 外界压强恒定的非准静态过程，上面表述式仍然适用 B 热力学系统与外界热量交换 系统与外界热量交换满足 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 讨论 热量是过程量 热量正负符号规定：系统吸收热量为正，放出热量为负 C 热力学第一定律 热力学第一定律 讨论 热力学第一定律是引入态函数——内能的理论基础 热力学第一定律表明：第一永动机是不可实现的 D 理想气体内能 热力学系统内能 理想气体内能 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 讨论：理想气体的内能只与温度有关，是热力学系统的状态量 (3) 典型热力学过程能量转换的案例分析 A 关于热容量的基本概念 热容量：热力学系统温度升高单位温度所吸收的热量 摩尔热容量：一摩尔物质升高单位温度所吸收的热量 比热容：单位物质升高单位温度所吸收的热量 定容摩尔热容量 定压摩尔热容量 比热容比 (绝热系数) 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 例8.1.1：求理想气体的定容摩尔热容量 解：由热力学第一定律 定容条件下做功 理想气体的定容摩尔热容量 理想气体内能 例8.1.2：理想气体的定压摩尔热容量 解：由热力学第一定律 定容条件下做功 理想气体内能 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 例8.1.3：求单原子、刚性双原子、刚性多原子分子气体的绝热系数 解：因 单原子分子气体 刚性双原子分子气体 刚性多原子分子气体 B 等容过程能量转换 等容过程外界对系统做功 等容过程外界对系统传热 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 等容过程内能改变 结论：等容过程中，系统吸收的热量完全用来增加热力学系统的内能 C 等温过程能量转换 等温过程内能改变 等温过程热量交换与做功 结论：等温过程中吸收的热量完全用来对外做功，而不增加系统内能 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 D 等压过程能量转换 等压过程外界对系统做功 等压过程外界对系统传热 等压过程内能改变 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 E 绝热过程能量转换 绝热过程传热 绝热过程外界对系统做功 绝热过程内能改变 绝热过程状态方程 8.1 热力学第一定律与典型热力学过程 课堂讨论：同一初始状态气体的等温过程与绝热过程的比较 绝热过程 p-V 曲线的斜率 等温过程 p-V 曲线的斜率 课后自学 自学教材 p285-p288 例8.1.1-例 8.1.3 查阅文献，自学多方过程的能量交换 8.2 卡诺循环与卡诺定理 8.2 卡诺循环与卡诺定理 (1) 相关概念 循环过程：系统经一系列变化后又回到原状态的过程 正循环：规定顺时针方向的循环为正循环 逆循环：规定逆时针方向的循环为逆循环 热机效率：对外做功与从高温热源吸收热量的比值 制冷系数：在低温热源吸收热量与外界对系统所做功的比值 (2) 卡诺循环 a?b，等温膨胀 b?c，绝热膨胀，温度降至T2 c?d，等温压缩 d?a，绝热压缩，温度回升到T1 A 卡诺热机效率 绝热物态方程 8.2 卡诺