华中科技大学：《大学物理》课程教学资源（PPT课件讲稿）第三章 热力学第一定律（First law of thermodynamics）

器 I(Thermodynami 热学(二) Heat 2)

1 (Thermodynamics) 热 学 力 热学 （二） （Heat 2）

学习热力学的意义 1掌握自然界的基本规律 热一:能量守恒 热二:自然过程的方向 2学习唯象的研究方法 以实验为基础的逻辑推理的研究方法 3熵(S)的概念与“信息技术”密切相关 4热能是重要的能源,也是维持生命的主要来源

2 1.掌握自然界的基本规律 热一：能量守恒 热二：自然过程的方向 2.学习唯象的研究方法 以实验为基础的逻辑推理的研究方法 3.熵（S）的概念与“信息技术”密切相关 4.热能是重要的能源，也是维持生命的主要来源。 学习热力学的意义

第三章热力学第一定律 First law of thermodynamics) §3.1准静态过程 □>■ △§3.2功 §3.3内能、热量、热力学第一定律■ §34热容量 □>■ §3.5绝热过程 §3.6循环过程 §3.7卡诺循环 IDI △§38致冷循环

3 § 3.8 致冷循环 第三章 热力学第一定律 （First law of thermodynamics) § 3.1 准静态过程 § 3.2 功 § 3.3内能、热量、热力学第一定律 § 3.4 热容量 § 3.5绝热过程 § 3.6 循环过程 § 3.7 卡诺循环

第三章热力学第一定律 (First law of thermodynamics) §3.1准静态过程( quasi- static process) 热力学系统从一个状态变化到另一个状态, 称为热力学过程(简称“过程”)。 过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。 始平衡态 系列非 平衡态 末平衡态 热力学中,为能利用平衡态的性质,引入 准静态过程的概念

4 始平衡态 一系列非 平衡态 末平衡态 过程进行的任一时刻系统的状态并非平衡态。 热力学中，为能利用平衡态的性质，引入 第三章 热力学第一定律 （First law of thermodynamics) §3.1 准静态过程（quasi-static process） 热力学系统从一个状态变化到另一个状态 , 称为热力学过程（简称“过程”）。 准静态过程的概念

准静态过程:系统的每一状态都无限接近于 平衡态的过程。即准静态过程是由一系列平衡 态组成的过程。 准静态过程是一个理想化的过程,是实际 过程的近似。 快 缓慢 非平衡态 接近平衡态 非准静态过程 准静态过程

5 准静态过程：系统的每一状态都无限接近于 平衡态的过程。 态组成的过程。 即准静态过程是由一系列平衡 ←快 非平衡态 ←缓慢 接近平衡态 准静态过程是一个理想化的过程，是实际 过程的近似。 非准静态过程 准静态过程

平衡即不变 过程即变化 矛盾→统一于“无限缓慢” 只有过程进行得无限缓慢,每个中间态才可 看作是平衡态。 如何判断“无限缓慢”? 引入弛豫时间( relaxation time)r 平衡破坏恢复平衡 过程>:过程就可视为准静态过程 所以无限缓慢只是个相对的概念

6 矛盾 统一于“无限缓慢” 平衡即不变 过程即变化 只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可 看作是平衡态。 如何判断“无限缓慢”？ 引入弛豫时间（relaxation time） ： 平衡破坏  恢复平衡 t过程 >  ：过程就可视为准静态过程 所以无限缓慢只是个相对的概念

例如分析内燃机气缸内的气体经历的过程 气体压强的弛豫时间: L一容器的线度 0-分子热运动平均速率 气缸线度:L~101m 103s 分子平均速率:U~102m/s 内燃机活塞运动周期△t~102s>vp 所以汽缸的压缩过程可认为是准静态过程

7 气体压强的弛豫时间： v L  p = 气缸线度： L ~ 10-1 m 分子平均速率： p  ~ 10-3 s 容器的线度 分子热运动平均速率 ~ 10 v 2 m/s 内燃机活塞运动周期 t ~ 10-2 s > p  所以汽缸的压缩过程可认为是准静态过程。 例如分析内燃机气缸内的气体经历的过程：

准静态过程可以用过程曲线来表示: Px(P1,1)一个点代表一个平衡态 过程曲线 (p,V) 22 改变系统状态的方法:1作功 2传热 8

8 (p2 ,V2 ) ( p1 ,V1 ) (p ,V ) 过程曲线 准静态过程可以用过程曲线来表示： O V p 改变系统状态的方法：1.作功 2.传热 一个点代表一个平衡态

△§32功(work) 通过作功可以改变系统的状态。 体积功dA=pdVp dA=pdr P 过程量 摩擦功dA= fr dl O v;vdvv 电流的功矿4=Udq=Udt 般元功可4=广义力f×广义位移dq 通过作功改变分子规则运动的能量碰撞 系统的热力学状 态的微观实质:分子无规则运动的能量

9 △§3.2功（work） 体积功 dA = pdV A p V V V d 2 1 =  ─过程量 摩擦功 电流的功 一般元功 dA = fr dl dA = Udq dA =广义力 f ×广义位移 dq = UIdt 通过作功改变 系统的热力学状 态的微观实质： 分子无规则运动的能量 分子规则运动的能量 碰撞 V1 V V+d V V2 V O p dA= pdV 通过作功可以改变系统的状态

§3.3内能,热量,热力学第一定律 内能( internal energy) 绝热I A 绝热Ⅱ 2 2 绝热壁 绝图 水 热壁 水 绝热I R R A 绝热Ⅱ

10 §3.3 内能，热量，热力学第一定律 一.内能（internal energy） 1 2 1 2 A绝热Ⅰ A绝热Ⅱ 绝 热 壁 A绝热Ⅰ R 水 绝 热 壁 A绝热Ⅱ R I 水