《热学》第五章 热力学第一定律

制作:龚劲涛

1 热 学 制作：龚劲涛

第一章我们从热力学的角度学习了有关平衡态 的一些知识,第二章和第三章我们深入系统内 部从分子的微观运动的本质认识了平衡态,第 四章我们又从分子的热运动和碰撞研究了平衡 态迁移的初级理论。那么很自然要进一步讨论 系统从一个平衡态变化到另一个平衡态的过程 在这一过程中状态参量的变化的规律是什么? 从而系统的能量以及热力学性质会发生什么样 的变化?这种变化在实际中有何意义?这些重 要的问题可以用热力学的方法加以方便地讨论, 从而给出满意的回答

2 第一章我们从热力学的角度学习了有关平衡态 的一些知识，第二章和第三章我们深入系统内 部从分子的微观运动的本质认识了平衡态，第 四章我们又从分子的热运动和碰撞研究了平衡 态迁移的初级理论。那么很自然要进一步讨论 系统从一个平衡态变化到另一个平衡态的过程， 在这一过程中状态参量的变化的规律是什么？ 从而系统的能量以及热力学性质会发生什么样 的变化？这种变化在实际中有何意义？这些重 要的问题可以用热力学的方法加以方便地讨论， 从而给出满意的回答

第五章 热力学第一定律 c the first law of thermodynamics)

3 第五章 热力学第一定律 （ the first law of thermodynamics)

本章的教学目的和要求 1、分子物理和热力学的主要区别,理解并掌握准静态过程 的意义和作用,热力学功的意义和形成,准静态过程功的计 算和图示。 2、阐明功,热量和内能三个概念的含义及三者的区别,使 学生掌握热力学第一定律的意义及其数学表达式,指出第 类永动机不可能造成。 3、通过热力学第一定律对理想气体各等值过程的应用,使 学生掌握应用热力学第一定律分析热过程热量变换,能量变 化的基本方法 4、介绍循环过程的一般概念,重点掌握求正循环的效率和 逆循环的制冷系数的一般方法并能熟练的加以应用

4 本章的教学目的和要求： 1、 分子物理和热力学的主要区别，理解并掌握准静态过程 的意义和作用，热力学功的意义和形成，准静态过程功的计 算和图示。 2、 阐明功，热量和内能三个概念的含义及三者的区别，使 学生掌握热力学第一定律的意义及其数学表达式，指出第一 类永动机不可能造成。 3、 通过热力学第一定律对理想气体各等值过程的应用，使 学生掌握应用热力学第一定律分析热过程热量变换，能量变 化的基本方法。 4、 介绍循环过程的一般概念，重点掌握求正循环的效率和 逆循环的制冷系数的一般方法并能熟练的加以应用

热力学过程 功 热量 热力学第一定律 热容量燈 气体的内能焦耳一汤姆孙实验 热力学第一定律对理想气体的应用 循环过程和卡诺循环

5 •热力学过程 •功 •热量 •热力学第一定律 •热容量 焓 •气体的内能 焦耳－汤姆孙实验 •热力学第一定律对理想气体的应用 •循环过程和卡诺循环

第一节热力学过程 (Thermodynamics process) 过程 当系统的状态随时间变化 时,我们就说系统在经历 个热力学过程,简称过推进活塞压绾汽缸内的 程 气体时,气体的体积、 密度、温度或压强都将 变化

6 第一节 热力学过程 (Thermodynamics process) 一： 过程 当系统的状态随时间变化 时，我们就说系统在经历 一个热力学过程，简称过 程。 推进活塞压缩汽缸内的 气体时，气体的体积、 密度、温度或压强都将 变化

二、非静态过程 在热力学过程的发生时,系 统往往由个平衡状态经过为从平衡态破坏 系列状态变化后到达另一到新平衡态建立 平衡态。如果中间状态为非所需的时间称为 平衡态,则此过程称非静抛豫时间。用 态过程 作为中间态的非平衡态通 表示 常不能用状态参量来描述

7 二、非静态过程 在热力学过程的发生时，系 统往往由一个平衡状态经过 一系列状态变化后到达另一 平衡态。如果中间状态为非 平衡态，则此过程称非静 态过程。 作为中间态的非平衡态通 常不能用状态参量来描述。 为从平衡态破坏 到新平衡态建立 所需的时间称为 弛豫时间。用 τ表示

三、准静态过程 Quasi-static process 如果一个热力学系统过程在始末两平衡态 之间所经历的之中间状态,可以近似当作 平衡态,则此过程为准静态过程。 注意x·准静态过程只有在进行的“无限缓慢” N的条件下才可能实现 对于实际过程则要求系统状态发生变化的特 征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静 态过程

8 三、准静态过程 Quasi-static process 如果一个热力学系统过程在始末两平衡态 之间所经历的之中间状态，可以近似当作 平衡态，则此过程为准静态过程。 •准静态过程只有在进行的“无限缓慢” 的条件下才可能实现 •对于实际过程则要求系统状态发生变化的特 征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静 态过程。 注意

显然作为准静态过程中间 状态的平衡态,具有确定7 的状态参量值,对于简单 a(r, VITi) 系统可用PV图上的一点 来表示这个平衡态。系统 的准静态变化过程可用 PV图上的一条曲线表示, 称之为过程曲线(右图)。 准静态过程是一种理想的 极限,但作为热力学的基 础,我们要首先着重讨论 它

9 ◼ 显然作为准静态过程中间 状态的平衡态，具有确定 的状态参量值，对于简单 系统可用P—V图上的一点 来表示这个平衡态。系统 的准静态变化过程可用 P—V图上的一条曲线表示， 称之为过程曲线（右图）。 ◼ 准静态过程是一种理想的 极限，但作为热力学的基 础，我们要首先着重讨论 它

外界对系统的作用使系统的状态发生了变化, 这种相互作用的情况用力的情况来反映是不 方便的,有的时候甚至是不可能的,但是作 用的结果是使系统的能量发生了改变,作为 能量变化的量度是功,作为能量变化的主要 形式之一是热量的交换,因此,外界的作用 就是功和热的转移,从而使系统的状态发生 改变,为此,我们以后就以功和热为两条主 要线索来反映系统和外界的相互作用了

10 外界对系统的作用使系统的状态发生了变化， 这种相互作用的情况用力的情况来反映是不 方便的，有的时候甚至是不可能的，但是作 用的结果是使系统的能量发生了改变，作为 能量变化的量度是功，作为能量变化的主要 形式之一是热量的交换，因此，外界的作用 就是功和热的转移，从而使系统的状态发生 改变，为此，我们以后就以功和热为两条主 要线索来反映系统和外界的相互作用了