2024年大學物理第10章熱力學

大學物理第10章熱力學12024/2/29引言熱力學基本概念熱力學第一定律熱力學第二定律熱力學函數(shù)與熱力學關(guān)系熱力學在生活和科技中的應(yīng)用總結(jié)與展望contents目錄22024/2/2901引言32024/2/29熱力學是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡時的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時系統(tǒng)與外界相互作用的學科。熱力學定義熱力學是物理學的一個重要分支，它揭示了能量轉(zhuǎn)化過程的基本規(guī)律，為理解和利用熱現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。同時，熱力學在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，對于推動科學技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。重要性熱力學的定義與重要性42024/2/29研究對象熱力學的研究對象是大量粒子組成的宏觀物質(zhì)系統(tǒng)，如氣體、液體、固體等。這些系統(tǒng)的共同特征是粒子間的相互作用可以忽略，因此可以用宏觀參量如溫度、壓力、體積等來描述系統(tǒng)的狀態(tài)。研究方法熱力學的研究方法主要是基于實驗觀測和理論分析。通過實驗觀測，可以獲取物質(zhì)系統(tǒng)在熱現(xiàn)象中的宏觀性質(zhì)和變化規(guī)律；通過理論分析，可以建立描述這些性質(zhì)和規(guī)律的數(shù)學模型，進而揭示其內(nèi)在的物理機制。熱力學的研究對象和方法52024/2/29與統(tǒng)計物理學的關(guān)系統(tǒng)計物理學是從微觀角度研究大量粒子組成的宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的學科，而熱力學則是從宏觀角度研究這些系統(tǒng)的學科。兩者之間相互補充，共同構(gòu)成了對物質(zhì)系統(tǒng)的完整描述。與經(jīng)典力學的關(guān)系經(jīng)典力學是研究質(zhì)點和剛體等宏觀物體的運動規(guī)律的學科，而熱力學則是研究物質(zhì)系統(tǒng)在熱現(xiàn)象中的運動規(guī)律的學科。兩者在研究對象和方法上有所不同，但都是物理學的重要組成部分。與電磁學的關(guān)系電磁學是研究電磁現(xiàn)象的學科，而熱力學則是研究熱現(xiàn)象的學科。雖然兩者在研究對象上有所不同，但在實際應(yīng)用中常常相互交叉和滲透，如電磁感應(yīng)加熱、熱電轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象都需要同時考慮電磁學和熱力學的因素。熱力學與其他物理學科的關(guān)系62024/2/2902熱力學基本概念72024/2/29系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)是指某一特定空間內(nèi)所有物質(zhì)的集合，它是我們研究的對象。環(huán)境與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其他物質(zhì)的集合稱為環(huán)境。系統(tǒng)與環(huán)境之間通過物質(zhì)和能量的交換而相互影響。系統(tǒng)與環(huán)境82024/2/29狀態(tài)與狀態(tài)參量狀態(tài)一個熱力學系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的宏觀物理性質(zhì)的總和稱為狀態(tài)。狀態(tài)參量用來描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參量，如溫度、壓力、體積等。狀態(tài)參量的變化能夠反映系統(tǒng)狀態(tài)的變化。92024/2/29平衡態(tài)在沒有外界影響的條件下，系統(tǒng)各部分的性質(zhì)長時間內(nèi)不發(fā)生變化的狀態(tài)稱為平衡態(tài)。平衡態(tài)是一種理想化的狀態(tài)，實際系統(tǒng)總存在不同程度的漲落和擾動。非平衡態(tài)系統(tǒng)各部分性質(zhì)隨時間發(fā)生變化的狀態(tài)稱為非平衡態(tài)。非平衡態(tài)是普遍存在的，但可以通過一定的條件或過程趨近于平衡態(tài)。平衡態(tài)與非平衡態(tài)102024/2/29熱力學過程熱力學過程系統(tǒng)從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力學過程。熱力學過程可以通過狀態(tài)參量的變化來描述。等溫過程系統(tǒng)溫度保持不變的熱力學過程稱為等溫過程。在等溫過程中，系統(tǒng)內(nèi)能不變，但可能吸收或放出熱量。等容過程系統(tǒng)體積保持不變的熱力學過程稱為等容過程。在等容過程中，系統(tǒng)不做功，但溫度和壓力可能發(fā)生變化。等壓過程系統(tǒng)壓力保持不變的熱力學過程稱為等壓過程。在等壓過程中，系統(tǒng)體積和溫度可能發(fā)生變化，同時可能伴隨吸熱或放熱現(xiàn)象。112024/2/2903熱力學第一定律122024/2/29能量守恒熱力學系統(tǒng)能量的變化等于傳入或傳出的熱量與對外做功或外界對系統(tǒng)做功之和。熱量轉(zhuǎn)移熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，但不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化。做功與熱傳遞做功和熱傳遞是改變系統(tǒng)內(nèi)能的兩種方式，它們在改變內(nèi)能方面是等效的。熱力學第一定律的表述132024/2/29積分形式Q=ΔU+W，其中Q表示系統(tǒng)吸收的熱量，ΔU表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化量，W表示系統(tǒng)對外做的功。符號規(guī)定系統(tǒng)吸熱Q為正，放熱為負；系統(tǒng)對外做功W為正，外界對系統(tǒng)做功為負；系統(tǒng)內(nèi)能增加ΔU為正，減少為負。微分形式dQ=dU+dW，其中dQ表示系統(tǒng)吸收的熱量，dU表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化，dW表示系統(tǒng)對外做的功。熱力學第一定律的數(shù)學表達式142024/2/29熱力學第一定律的應(yīng)用舉例理想氣體等溫過程在等溫過程中，理想氣體內(nèi)能不變，因此吸收的熱量全部用于對外做功。理想氣體等容過程在等容過程中，系統(tǒng)體積不變，不對外做功，因此吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能的增加。熱機效率熱機效率定義為有用功與吸收熱量之比，根據(jù)熱力學第一定律可以推導出熱機效率的最大值。絕熱過程在絕熱過程中，系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，因此系統(tǒng)內(nèi)能的變化等于外界對系統(tǒng)所做的功或系統(tǒng)對外所做的功。152024/2/2904熱力學第二定律162024/2/29克勞修斯表述熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。開爾文-普朗克表述不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。熵增表述在孤立系統(tǒng)中，一切實際發(fā)生的過程都使系統(tǒng)的熵增加，不可能發(fā)生使熵減少的過程。熱力學第二定律的表述030201172024/2/29對于任意可逆循環(huán)過程，有∮(δQ/T)r=0；對于任意不可逆循環(huán)過程，有∮(δQ/T)ir<0。其中，δQ表示系統(tǒng)吸收或放出的熱量，T表示熱源溫度，r和ir分別表示可逆和不可逆過程。克勞修斯不等式對于孤立系統(tǒng)，其熵S總是增加的，即dS≥0。等號成立時表示系統(tǒng)處于平衡態(tài)，否則系統(tǒng)處于非平衡態(tài)。熵增原理熱力學第二定律的數(shù)學表達式182024/2/29熵與生活現(xiàn)象熵增原理可以解釋許多生活現(xiàn)象，如為什么打碎的玻璃杯無法自動復原、為什么房間不收拾會變得越來越亂等。熱機效率根據(jù)熱力學第二定律，熱機不可能將吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為有用功，因此熱機效率總是小于1。制冷系數(shù)制冷機在工作時需要從低溫熱源吸收熱量并排放到高溫熱源，根據(jù)熱力學第二定律，制冷系數(shù)也存在上限。自然過程的方向性自然界中許多自發(fā)過程都是不可逆的，如熱傳導、擴散等。這些過程的發(fā)生都遵循著熱力學第二定律所揭示的方向性。熱力學第二定律的應(yīng)用舉例192024/2/2905熱力學函數(shù)與熱力學關(guān)系202024/2/29VS描述系統(tǒng)平衡態(tài)的物理量，如內(nèi)能、焓、熵等。性質(zhì)熱力學函數(shù)具有確定性、單值性、可加性和微分性等基本性質(zhì)。熱力學函數(shù)熱力學函數(shù)的定義與性質(zhì)212024/2/29熱力學第二定律在自然界中涉及到的熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。熱力學基本關(guān)系式基于熱力學第一定律和第二定律，推導出的一系列描述系統(tǒng)狀態(tài)變化的公式，如內(nèi)能、焓、熵等的變化關(guān)系。熱力學第一定律熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。熱力學基本關(guān)系式222024/2/29描述系統(tǒng)狀態(tài)參量之間偏導數(shù)關(guān)系的四個等式，是熱力學中的重要公式。麥克斯韋關(guān)系式在熱力學函數(shù)計算、相變研究、熱機效率計算等方面有廣泛應(yīng)用。例如，利用麥克斯韋關(guān)系式可以推導出克拉珀龍方程，進而研究氣體的相變過程；還可以利用麥克斯韋關(guān)系式計算熱機的效率等。麥克斯韋關(guān)系式應(yīng)用麥克斯韋關(guān)系式及其應(yīng)用232024/2/2906熱力學在生活和科技中的應(yīng)用242024/2/2903新能源開發(fā)熱力學在新能源開發(fā)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如太陽能熱利用、地熱能開發(fā)等。01能源轉(zhuǎn)換與利用熱力學為能源轉(zhuǎn)換和利用提供了理論基礎(chǔ)，如熱能轉(zhuǎn)換為機械能、電能等。02熱效率評估熱力學可用于評估能源轉(zhuǎn)換過程中的熱效率，指導能源的高效利用。熱力學在能源領(lǐng)域的應(yīng)用252024/2/29材料相變研究熱力學可用于研究材料的相變過程，如固態(tài)相變、液態(tài)相變等。材料熱力學性質(zhì)熱力學可描述材料的熱力學性質(zhì)，如比熱容、熱膨脹系數(shù)等，為材料設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。材料加工與處理熱力學在材料加工與處理過程中發(fā)揮重要作用，如熱處理、熱成型等。熱力學在材料科學中的應(yīng)用262024/2/29環(huán)境污染控制熱力學可用于研究環(huán)境污染物的擴散、轉(zhuǎn)化和去除過程，為環(huán)境污染控制提供技術(shù)支持。節(jié)能減排技術(shù)熱力學在節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如余熱回收、熱能梯級利用等。可持續(xù)能源系統(tǒng)熱力學可用于分析和優(yōu)化可持續(xù)能源系統(tǒng)，如太陽能、風能等可再生能源的利用系統(tǒng)。熱力學在環(huán)境保護中的應(yīng)用272024/2/2907總結(jié)與展望282024/2/29熱力學的重要性和應(yīng)用價值01熱力學在能源轉(zhuǎn)換和利用中扮演核心角色，對于提高能源效率和開發(fā)新能源具有重要意義。02熱力學在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，有助于減少污染和浪費，促進綠色發(fā)展。熱力學在材料科學、化學、生物學等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，推動了這些領(lǐng)域的進步和發(fā)展。03292024/2/29微觀熱力學和宏觀熱力學的融合將是未來研究的重要方向，有助于揭示熱力學現(xiàn)象的微觀機制和宏觀規(guī)律。非平衡態(tài)熱力學和不可逆過程熱力學將成為研究熱點，有助于解決實際問題，如熱傳導、擴散等。熱力學與其他學科的交叉研究將進一步加強，如熱力學與統(tǒng)計物理、量子力學、信息論等的結(jié)合，將產(chǎn)生新的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。熱力學的發(fā)展趨勢和未來研究方向