2022-2023学年高二物理竞赛课件：热力学基础

热力学基础 1 热学简介 自然界雨雪的形成，蒸汽机的发明及其效率的提高，与人们生活息息相关冰箱、空调等，低温的获得及超导的发现。 Magnetically levitating a live frog Magnetically levitating a live frog, an experiment that earned Andre Geim and Sir Michael Berry the 2000 Ig Nobel Prize 2 热学简介 热学概念和规律（如熵、热力学第一定律、热力学第二定律）已经进入能源、材料、宇宙、生命、信息、经济和社会领域…… 股票市场的走势能准确预测吗？ 为什么红、黑两种颜色墨水混合后不能自动分开？ 宇宙是永恒的还是会走向消亡？ 地球上的能源是用之不竭的吗？ 为什么我们要倡导低碳生活？ 宏观方法　 热学简介 研究对象： 物质的热运动　 研究方法： 微观方法　 本次课讨论： 热力学中的几个基本概念 热力学第零定律&第一定律 热力学理论 统计规律 一、热力学中的几个基本概念 1．热力学系统 （1）所要研究的宏观物体或者物体组，简称系统。 （2）根据系统与外界的关系，把热力学系统分为： 孤立系统 (isolated system) 封闭系统 (closed system) 开放系统 (open system) 与系统相互作用的周围环境，称为外界。 与外界完全隔绝，无物质、能量交换； 与外界无物质交换，但可有能量交换； 与外界可以有物质交换，或能量交换. 本课程常以一定质量的理想气体为热力学系统。 1．热力学系统 （3）理想气体 一、热力学中的几个基本概念 宏观定义： 分子本身的大小远小于分子间的平均距离； b. 除碰撞的瞬间外，分子间无相互作用； c. 分子间（或分子与容器壁）的碰撞为弹性碰撞。 b. 温度较高（大于500K）、压强不大（不高于 1.01×105帕）； a. 遵循三个实验定律（Boyle, Gay Lussac, Charles） 和Avogadro定律； 微观定义： 无相互作用的弹性质点。 2．平衡态 一个热力学系统在不受外界影响的条件下，它的宏观性质具有空间均匀性和时间不变性。 处于平衡态的热力学系统可用一组状态量（p, V, T）表示。 p — 力学量；V — 几何量； T— 热学量 理想气体的平衡态在p-V图上表示成一个点 一、热力学中的几个基本概念 一个连接于高温热源和低温热源之间的金属棒，一段时间后金属棒上各处温度不再变化，这是平衡态吗？ ? NO! 是稳定态 3．准静态过程 （1）若外界对系统有影响，系统从一个状态到另一个状态所经历的变化叫热力学过程。 （2）准静态过程：系统的初、末态及所有的中间态都可近似看成平衡态 。 实际的热力学过程为非静态过程。 是一个理想情况（非常缓慢的过程）； 气体 活塞 砂子 T1 T1+dT T1+2dT T2 准静态过程在p-V图上表示为一条曲线 ； 一、热力学中的几个基本概念 4．体积功 （1）一定质量的气体由于体积变化所做的功 。 （2）在p-V图中表示为过程曲线下方所包围的面积 。 功是过程量。 如何实现系统的准静态过程？ 当气体体积从V1变到V2时，所做的总功为 缓慢地作功或热传递！ F p V S d d V l 气体膨胀，对外界作正功 ， 一、热力学中的几个基本概念 元功 气体被压缩，对外界作负功 5．热量 （1）系统与外界由于存在温度差传递的能量。 ——热容 ——比热容 ——摩尔热容 （2）若Q>0，系统从外界吸收热量； 若Q<0，系统向外界放出热量。 一、热力学中的几个基本概念 5．热量 等体摩尔热容： 等压摩尔热容： 热量是过程量 ! 一、热力学中的几个基本概念 等体过程： 等压过程： （3）实验发现：相同的理想气体分别经等体、等压过程升高相同的温度，所吸收的热量不等。 （1）做功和热传递都可以改变系统的能量。 小结： （2）热力学第零定律： 热能与其他形式的能量的转化 热能在不同的系统之间的转移 如果物体A和B分别与物体C处于热平衡的状态， 那么A和B之间也处于热平衡. 一、热力学中的几个基本概念 系统与外界存在压力差 系统与外界存在温度差 12 做功是由于系统与外界存在压力差； 热传递是由于系统与外界存在温度差 6．内能 系统的内能指系统的总能量。 说明： （1）由于热力学只讨论热运动，所以系统的内能变化只与分子动能和分子间势能有关，即 （2）对于理想气体，分子间没有作用力，没有势能，所以 内能是系统的状态函