第四章 熱力學基礎(chǔ)

　　本章研究的也是物質(zhì)熱現(xiàn)象和熱運動的學科，但熱力學主要是從能量觀點出發(fā)分析研究在物質(zhì)熱運動狀態(tài)變化過程中有關(guān)熱功轉(zhuǎn)換的關(guān)系和條件。因此要把握住能量這個主線，分析能量轉(zhuǎn)化和傳遞時所遵循的規(guī)律。

　　這一章主要講的是兩個定律：熱力學第一定律和熱力學第二定律。

　　第一部分：熱力學第一定律

　　一、功與熱量(領(lǐng)會概念)

　　先理解一下“熱力學系統(tǒng)”這個概念，就是指在熱力學中研究的熱運動狀態(tài)發(fā)生變化的物體(氣、液、固都可以)。

　　功和熱都是一種“過程量”，也就是說，功只是在作功才有意義，熱量也只有傳遞時才有意義。我們不能說這個系統(tǒng)擁有多少“功或熱量”，只能說，這個系統(tǒng)對外作了多少功或傳遞了多少熱量。

　　要注意的是一個熱力學系統(tǒng)具有一定的內(nèi)能，雖然它與功和熱量的單位相同，但這是一個狀態(tài)量，也就是說，它與過程無關(guān)。即使不作功，它也是存在和有意義的。

　　二、熱力學第一定律、熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能

　　內(nèi)能的概念(領(lǐng)會)：一個熱力學系統(tǒng)，在其處于一定狀態(tài)時，具有一定的能量，這個能量就是熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能(如上一章講到的氣體所具有的內(nèi)能，這從微觀上講是由分子熱運動形成的)

　　熱力學第一定律(綜合應用)

　　熱力學系統(tǒng)在從平衡狀態(tài)1向平衡狀態(tài)2的變化中，外界對系統(tǒng)所作的功W'和外界傳給系統(tǒng)的熱量Q二者之和是恒定的，等于系統(tǒng)內(nèi)能的改變E2E1。用簡單的表述可以這樣理解：系統(tǒng)的吸熱等于內(nèi)能增量與對外所作功的和。即 Q=E2E1+W (這個公式的各種變換形式應十分熟悉，總的一條，就是能量應該守恒，一個系統(tǒng)不可能產(chǎn)生能量，也不會消滅能量)

　　所謂“第一類永動機”就是不需要外界能量供給卻能不斷對外做功的機器，這相當于上面公式中的dQ=0，而(dE+dW)不為0.這是不可能實現(xiàn)的。

　　三、平衡過程中功、熱量和內(nèi)能增量的計算(綜合應用)

　　這一節(jié)就是對上面定律的細分解作計算，根據(jù)三個計算公式，應能對“平衡過程”中各個參量進行求解。

　　平衡過程：就是指系統(tǒng)所經(jīng)歷的中間狀態(tài)都無限接近于平衡狀態(tài)的變化過程。平衡狀態(tài)就是指在系統(tǒng)內(nèi)體積一定，溫度和壓強處處相等的狀態(tài)。平衡過程就是指在變化過程中，每一個中間狀態(tài)都表現(xiàn)為一定體積，溫度和壓強處處相等的無限接近狀態(tài)，當然這是理想情形。

　　平衡過程中功的計算：功就是沿著力的方向上力的大小與距離的乘積。用氣體推活塞的過程來推導出熱力學系統(tǒng)對外界所做的功為：

　　這個公式對氣液固態(tài)系統(tǒng)均適用。

　　平衡過程中熱量的計算：

　　這里涉及到一個摩爾熱容量的定義，即1摩爾物質(zhì)溫度升高(或降低)1度時所吸收(或放出)的熱量，用C表示，單位是J/(mol.K)。(我們以前學過一個“比熱容”的概念，其意義相同，只是所用單位不同)

　　計算熱量的普遍公式是：

　　對于氣體，最有實際意義的是定壓摩爾熱容量和定容摩爾熱容量，分別用Cp和Cv表示，也就是加上一個條件，即在壓強不變或體積不變時的摩爾熱容量。只要用相應熱容量代入上式就可得到相應的等壓過程或等容過程吸收的熱量值。

　　內(nèi)能增量的計算：

　　我們已經(jīng)知道理想氣體內(nèi)能的計算方法，其增量就是用末量減去初量。這個增量也是與過程無關(guān)的。對一定量的氣體，它只是兩個狀態(tài)溫度差的函數(shù)即

　　對PV圖應能達到會作圖的要求。

　　四、熱力學定律對理想氣體等值過程的應用(綜合應用)

　　所謂等值過程就是在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，有一個狀態(tài)參量保持不變的過程。

　　等容過程：即體積保持不變的加熱或冷卻過程。這個過程中，氣體不做功，即 Qv=E2E1，因此

　　這個公式雖是從等容過程中推導出來的，但它適用于任何過程，因為理想氣體的內(nèi)能變化只與溫度的增量ΔT有關(guān)。

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