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1、大学物理学,第八章 热力学基础,热力学第一定律,系统在某一过程中从外界吸收的热量等于系统内能的增量与系统对外界作功之和。,三、绝热线与等温线,从物理上看： （以气体膨胀为例）, 1 , 绝热线比等温线陡。,从数学上看：,等温过程,绝热过程,绝热过程中压强的减小要比等温过程的多。,压强减少 的因素：,四、多方过程 （实际过程）,n 多方指数,多方过程的功：,例题1 温度为25 0，压强为1atm的1mol 刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀到原来的3倍。求：1）这一过程中气体对外所作的功 2）若气体经绝热过程体积膨胀为原来 3 倍，那么气体对外作的功又多少？,解 1）对等温过程，有：,故
2、：,2 ) 对绝热过程：,特征:, p -V 图中循环过程沿顺时针方向。,利用高温热源吸收的热量对外作功。,循环效率：,循环效果：,Q 吸、 Q 放 均取绝对值。,1）正循环（热机循环）, 工质经一循环从高温热源吸热 Q 吸 ，向低温热源放热 Q 放 ， 对外输出净功 A = Q 吸 Q 放 。,注意,4、循环类型,循环效果：,利用外界作功从低温热源处吸收热量。,制冷系数：,热泵供热系数：,特征:, 经一循环，外界对系统做功，工质从低温热源吸热 Q 吸 ， 向高温热源放热 Q放 。A = Q放 - Q 吸 。, p -V 图中循环过程沿逆时针方向。,2） 逆循环（制冷循环）,二、卡诺循环（ 1
3、824 ）,1、定义：由两个准静态等温过程与两个准静态绝热过程组成。,2、卡诺热机效率,结论, 1 ( 100% ) 。,热机的效率只与热源的温度有关。 （低温和高温）,热机效率的定义,卡诺热机效率,由绝热过程方程,3、卡诺致冷系数,例 家用冰箱冷冻室的温度为 - 18 0 C，外界温度为 27 0 C 。,即，消耗 1 J 电能，从冷冻室取出5. 67 J 热能。,逆循环为卡诺致冷机，外界对系统作功，从低温热源吸热。,（理想情况）,例题1 设氮气作卡诺循环。热源的温度为1270C，冷源的温度为70C，设 p1=10atm，V1=10L， V2=20L，试求： p2、 p3、 p4、V3、V4
4、；自高温热源吸收的热量；一次循环中气体所作的净功；循环效率。,解, 循环效率,一、 自发过程的方向性,自发过程是指系统不受外界任何影响条件下状态的变化。,自然界中的自发过程都具有方向性。,二、可逆过程和不可逆过程,一个系统从某一状态出发，经过某一过程达到另一状态 ，如果存在另外一个过程，能使系统和外界完全复原，则原过程称为可逆过程；如果用任何方法都不可能使系统和外界完全复原，则原过程称为不可逆过程。,注意,1、一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆过程。,2、只有无摩擦的准静态过程才是可逆的。（理想过程）,三 、热力学第二定律,1、开尔文表述 （1851）,不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为
5、有用的功而不产生其它影响。,2）第二类永动机（ ）不可实现 。,3）热力学第二定律指出了功热转换的方向性：,1） 功变热是不可逆过程。,说明,2、克劳修斯表述 ( 1850 ),不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起外界的变化。,热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。,热力学第二定律指出了热传导方向性：,3、开尔文表述和克劳修斯表述的等价性（反证法）,四、热力学第二定律的统计意义,微观态：如果可把每个分子编号，所有分子的每种具体分布花样称为一种微观态。,宏观态：如果不考虑分子之间的差别，只考虑分子宏观分布，这样的状态称为宏观态。,显然，每个宏观态可以包含多个微状态。,2、不可逆过程的统计
6、解释：,1、宏状态与微观态：,下面以气体自由膨胀为例说明自发过程的不可逆性。,热力学概率：一个宏观态所包含的微观态的个数称为热力学概率；记为 。,宏观分布 （宏观态）,具体分布 （微观态）,共有5 种宏观态，24 = 16 种微观状态。,微观态个数即 热力学概率,1,4,6,4,1,每个微观状态的概率相同： 1/16。,均匀分布和接近均匀分布的概率最大。存在气体自动收缩可能性，但概率非常小。,全部分子都集中在左边或右边的概率为：,等概率原理：对于孤立系统，各种微观态出现的可能性（或概率）是相等的。,真实的气体系统 ：,若有N 个分子，则共 2N 种微观状态。,例如，1摩尔气体的自由膨胀,可能的
7、微观态数,3、热力学第二定律的统计意义 孤立系统内发生的自发过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态，即从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态转变。,玻尔兹曼熵公式（微观）（1877年）,对于由大量分子构成的系统而言，宏观态包含的微观态数目往往很大，为了便于实际计算1887年，玻耳兹曼用如下关系式来表示系统无序性的大小：,1909年，普朗克引进了比例系数k，把它写为,玻尔兹曼熵,当系统状态变化时，过程进行的方向可表示为,一、熵 熵增加原理,如果孤立系统中进行的是可逆过程，即无摩擦的准静态过程，各中间态都无限接近平衡态，各中间态的达到最大值， 的数值不变，熵也不变。,2）熵变仅与过程的初、末状态有关，与过程无关。,1）可逆过程取等号，不可逆过程取大于号。,熵是系统无序度的量度。熵增加原理所指明的方向是从有序到无序的方向。熵增加意味着无序度的增加；平衡态时熵最大，即系统达到了最无序的状态。,讨论,作业：8 - 7、8,热力学基础,热力学 第二定律 （方向性）,文字表述,数学表述,克劳修斯表述,开尔文表述,热循环,制冷循环,卡诺循环,