大学物理【第五版下册】第十三章热力学基础

老师用的讲义

热力学第一定律

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13 -- 1 准静态过程 功 热量

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一、什么是热力学系统 热力学研究的对象为热力学系统。 热力学系统可以是气体、液体、固体。 本章只研究理想气体。 二、什么是热力学过程

热力学系统的状态随时间变化的过程 为热力学过程。 三、什么是准静态过程 热力学过程中所经历的各个状态都由 热平衡态构成的过程，为准静态过程。

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如果其中有一个状态为非平衡态，则此过 程为非准静态过程。如果系统进行的速度 过快，系统状态发生变化后，还未来得及 恢复新的平衡态，系统又发生了变化，则 该过程为非准静态过程。 例如：气缸活塞压缩 的速度过快，气体的 状态发生变化，还来 F 不及恢复，P、V、T 无确定关系，则此过 程为非准静态过程。

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对非常缓慢的过程可近似认为是准静态过 程。例如气缸活塞的速度大约为10m/s,而 气缸内气体密度、压强趋于均匀的过程以 慢速进行，此时则可看成是准静态过程。

准静态过程中气 体的各状态参量 都有确定的值， 可在 P~V 图上作 出连续的过程曲 线。

P

A B

o

V

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驰豫时间 系统从非平衡态过渡到平衡态所用的 时间。如果过程进行的时间t > 可视为准静态过程； 系统来得及恢复平衡态。 如果过程进行的时间t < 则为非准静态过程； 系统来不及恢复平衡态。

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热力学是研究物质世界中有关热现象的宏观 理论，它不涉及物质的微观结构，而是将一物质 系统中大量粒子看作一个整体，研究系统所表现 的各种宏观性质和规律。 热力学第一定律是热力学的基本定律，是一 个包括热现象在内的能量守恒与转化的定律。 热力学第一定律首先涉及到

内能

功

热量

的基本概念

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四、功1. 功是系统内能变化的量度。系统作功 是通过物体作宏观位移来完成的。

例如：气缸内的气压大于外界大气压,气体膨胀推动气缸活塞对外 作功。 2.气体作功的计算 由功的定义：W dW Fdr cos b a b a

P

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压强

F P S

P

dV dx

S

元功

dW Fdx PSdx PdV

如果体积变化从 V1—V2,在整个过程中气 体作功为：W dW b a V2 V1

PdV

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在P~V图中曲线下的面积为功曲线下的面积：S V2 V1

PdV W

P P

1 2V1 dV V2V

功是过程量

功的大小不仅取决 于系统的始末状态， o 且与系统经历的过 程有关，

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从图中可看出， 1-2与1-1’-2两个 过程的始末状态相 同，但过程曲线不 同，两条曲线下的 面积不同，则作功 也不同。

P

1

1' 2

o

V1

V2

V

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注意：作功与过程有关 .

W dW

b a

V2 V1

PdV

1,当气体膨胀时, W>0, 系统作正功,外界对系 统作负功. 2.当气体压缩 时,W<0,系统作负功, 外界对系统作正

功.

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五、热量 通过传热方式传递能量的量度， 系统和外界之间存在温差而发生的 能量传递 .

热量是高温物体向低温 物体传递的能量。 T1 T2 热量是系统内能变化 的量度，是过程量。

T1 Q T2

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如一杯80º C的热水，向周围温度较低的空 气放出热量，这是一个过程，而说这杯水 具有多少热量是错的，具有的是内能，当 水温度下降时，内能也减小。 2.热量与温度的区别 热量是系统内能变化的量度，是过程量。 温度反映物体冷热程度，是分子平均平 动动能的标志，是状态量。

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3.功与热量的异同 1)过程量：与过程有关； 2)等效性：改变系统热运动状态作用相同； 1卡 = 4.186 J , 1 J = 0.24 卡 3)功与热量的物理本质不同 .宏观运动 分子热运动 功 热量 分子热运动 分子热运动

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4.热量的计算热量

m' Q C (T2 - T1 ) M

定义: C为摩尔热容： 1 mol 气体温度升高或降低 1 º C(或k) 所吸收或放出的热量。dQ 摩尔热容还可定成 C dT 1mol物质升高单位温度所吸收的热量。

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符号 d 表示“元”,因为Q不是状态函数， 不能写成微分。理想气体吸热后，对不同的过程吸热 也不一样。因此对不同过程引入不同的摩 尔热容。 等容过程：引入摩尔定体热容CV,表示 在等容过程中，1 mol 气体升高或降低单 位温度所吸收或放出的热量。 dQ CV dT V

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m' 热量 QV CV (T2 - T1 ) M 等压过程：引入摩尔定压热容CP,表 示在等压过程中，1 mol 气体升高或降 低单位温度所吸收或放出的热量。 dQ CP dT P

m' 热量 QP CP (T2 - T1 ) M

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13--2 热力学第一 定律 内能