第七章 热力学的物理基础
大学物理热力学基础
大学物理热力学基础热力学是物理学的一个分支，它研究热现象中的物理规律，包括物质的热性质、热运动和热转化。
在大学物理课程中，热力学基础是物理学、化学、材料科学、工程学等学科的基础课程之一。
热力学基础主要涉及以下几个方面的内容：1、热力学第一定律热力学第一定律，也称为能量守恒定律，是指在一个封闭系统中，能量不能被创造或消除，只能从一种形式转化为另一种形式。
这个定律说明，能量在传递和转化过程中是守恒的，不会发生质的损失。
2、热力学第二定律热力学第二定律是指热量只能从高温物体传递到低温物体，而不能反过来。
这个定律说明，热量传递的方向是单向的，不可逆的。
这个定律对于理解能源转换和利用具有重要意义。
3、热力学第三定律热力学第三定律是指绝对零度下，物质的熵（表示物质混乱度的量）为零。
这个定律说明，在绝对零度下，所有物质的分子和原子都处于静止状态，没有热运动，因此熵为零。
这个定律对于理解物质在低温下的性质和行为具有重要意义。
4、理想气体状态方程理想气体状态方程是指一定质量的气体在恒温条件下，其压力、体积和密度之间的关系。
这个方程对于理解气体在平衡状态下的性质和行为具有重要意义。
5、热容和焓热容和焓是描述物质在加热和冷却过程中性质变化的物理量。
热容表示物质吸收或释放热量的能力，焓表示物质在恒温条件下加热或冷却时所吸收或释放的热量。
这两个物理量对于理解和分析热现象具有重要意义。
大学物理热力学基础是物理学的重要分支之一，它为我们提供了理解和分析热现象的基本理论工具。
通过学习热力学基础，我们可以更好地理解能源转换和利用的原理，为未来的学习和职业生涯打下坚实的基础。
在无机化学的领域中，化学热力学基础是理解物质性质、反应过程和能量转换的重要工具。
本篇文章将探讨化学热力学的基础概念、热力学第一定律、热力学第二定律以及热力学第三定律。
一、化学热力学的基础概念化学热力学是研究化学反应和相变过程中能量转换的科学。
它主要涉及物质的能量、压力、温度和体积等物理量之间的关系。
高中物理知识点总结热力学基础
高中物理知识点总结热力学基础IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】一.教学内容：热力学基础（一）改变物体内能的两种方式：做功和热传递1. 做功：其他形式的能与内能之间相互转化的过程，内能改变了多少用做功的数值来量度，外力对物体做功，内能增加，物体克服外力做功，内能减少。
2. 热传递：它是物体间内能转移的过程，内能改变了多少用传递的热量的数值来量度，物体吸收热量，物体的内能增加，放出热量，物体的内能减少，热传递的方式有：传导、对流、辐射，热传递的条件是物体间有温度差。
（二）热力学第一定律1. 内容：物体内能的增量等于外界对物体做的功W和物体吸收的热量Q 的总和。
2. 表达式：。
3. 符号法则：外界对物体做功，W取正值，物体对外界做功，W取负值，吸收热量Q 取正值，物体放出热量Q取负值；物体内能增加取正值，物体内能减少取负值。
（三）能的转化和守恒定律能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体。
在转化和转移的过程中，能的总量不变，这就是能量守恒定律。
（四）热力学第二定律两种表述：（1）不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。
（2）不可能从单一热源吸收热量，并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
热力学第二定律揭示了涉及热现象的宏观过程都有方向性。
（3）热力学第二定律的微观实质是：与热现象有关的自发的宏观过程，总是朝着分子热运动状态无序性增加的方向进行的。
（4）熵是用来描述物体的无序程度的物理量。
物体内部分子热运动无序程度越高，物体的熵就越大。
（五）说明的问题1. 第一类永动机是永远无法实现的，它违背了能的转化和守恒定律。
2. 第二类永动机也是无法实现的，它虽然不违背能的转化和守恒定律，但却违背了热力学第二定律。
（六）能源和可持续发展1. 能量与环境（1）温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量提高，导致“温室效应”，使得地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响。
大学物理热力学基础.
11.01310522.4103
22.7102(J)
Qacb Acb
V(l)
7-3 气体的摩尔热容量
一、热容与摩尔热容的定义： 热容量：系统在某一无限小过程中吸收热量dQ与温
度变化dT的比值称为系统在该过程的热容量（C）
dQ
C dT
表示升高1K所吸收的热量
J K1
单位质量的热容量叫比热容。 CMC比 JK1kg1
摩尔热容量：1 mol 物质的热容量（Cm）
M C Mmol Cm
1mol 物质温度升高1K时所吸收的热量。
JK1mo1
二、理想气体的摩尔热容量
1、理想气体的定容摩尔热容：
dQ CV ( dT )V
( dE dT
)V
理想气体 dE i RdT
2 3
单原子理想气体 CV 2 R
双原子理想气体
1、理想气体的绝热准静态过程的过程方程
dA PdV dE M M moC lVdT (1)
理想气体状态方程
PV M RT Mmol
对其微分得:
M
PdVVdP RdT Mmol
(2)
联立（1）（2）得：
dP dV0 PV
PV con. s(3t)
（泊松公式）
将 PV cons.与t PV M RT联立得:
准静态过程是一种理想的极限。
三、准静态过程的功和热量
1、体积功的计算
dl
➢当活塞移动微小位移dl 时， 系统对外界所作的元功为：
p F S
➢系统体积由V1变为V2，系统对外界作总功为：
A dA V2pdV V1
dV0, 系统对外作正功；
dV0, 系统对外作负功；
例：有1mol理想气体 （1）a b等温，
物理化学第七章统计热力学基础
热力学第二定律的实质是揭示了热量 传递和机械能转化之间的方向性。
VS
它指出，热量传递和机械能转化的过 程是有方向的，即热量只能自发地从 高温物体传向低温物体，而机械能只 能通过消耗其他形式的能量才能转化 为内能。
热力学第二定律的应用
在能源利用领域，热力学第二定律指导我们合理利用能源，提高能源利用效率。
优势
统计热力学从微观角度出发，通过统计方法描述微观粒子的运动状态和相互作用，能够 更深入地揭示热现象的本质和内在规律。
局限性
统计热力学涉及到大量的微观粒子，计算较为复杂，需要借助计算机模拟等技术手段。
统计热力学与宏观热力学的关系
统计热力学和宏观热力学是相互补充的 关系，宏观热力学提供整体的、宏观的 视角，而统计热力学提供更微观、更具 体的视角。
03
热力学第一定律
热力学第一定律的表述
热力学第一定律的表述为
能量不能无中生出，也不能消失，只能从一种形式转化为另一种 形式。
也可以表述为
封闭系统中，热和功的总和是守恒的，即Q+W=ΔU。其中Q表示传 给系统的热量，W表示系统对外做的功，ΔU表示系统内能的变化。
热力学第一定律的实质
热力学第一定律实质是能量守恒定律在封闭系统中的具体表现。 它表明了在能量转化和传递过程中，能量的总量保持不变，即能 量守恒。
掌握理想气体和实际气 体的统计描述，理解气 体定律的微观解释。
了解相变和化学反应的 统计热力学基础，理解 热力学第二定律和熵的 概念。
02
统计热力学基础概念
统计热力学简介
统计热力学是研究热力学系统 在平衡态和近平衡态时微观粒 子运动状态和宏观性质之间关 系的学科。
它基于微观粒子的运动状态和 相互作用，通过统计方法来描 述系统的宏观性质，揭示了微 观结构和宏观性质之间的联系 。
大学物理热力学基础
2.过程方程：
V T
=
const.
P
等压膨胀
1
2
3.过程曲线：
o V1
V2
V
2
4.能量转换关系： W = 1 P dV = P(V2 - V1)
Q PC P(T 2T 1) EC V(T 2T 1)
吸热一部分用于对外做功，其余用于增加系统内能。
14
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三.等温过程(isothermal process) P
1
1.特点： T = const.
等温膨胀
2.过程方程： P V = const.
2
3.过程曲线：
o V1
V2 V
4.能量转换关系： E = 0
Q= W
2
W = 1 P dV =
RT
2
1
dV V
W
RTl nV( 2 ) V1
P1V1
ln(V2 V1
)
P1V1
ln(P1 P2
)
系统吸热全部用来对外做功。
=
CP CV
=
i +2 i
>1
对单原子分子， i = 3， = 1.67 对双原子分子， i = 5， = 1.40 对多原子分子， i = 6， = 1.33 (以上均为刚性理想气体分子)
12
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§7.3 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用
一.等容过程(isochoric process)
所以循环过程的效率为：
1Q2 17p2(V1V2)
Q1
5V`1(p1p2)
29
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第七章热力学理论
Q : ∆E : A = 1 : 0 : 1
•摩尔热容量 摩尔热容量: 摩尔热容量
CT ,m = ∞
4、绝热过程 adiabatic 、
•特点： 特点： 特点
整个过程和外界无热量交换， 整个过程和外界无热量交换，Q = 0 气体绝热膨胀， 气体绝热膨胀，温度 ? 气体绝热压缩， 气体绝热压缩，温度 ? p1 p2 B V1 V2 V p A
理想气体的压强保持不变， 理想气体的压强保持不变，p = const. p1
•过程曲线： 过程曲线： 过程曲线 •内能改变: 内能改变: 内能改变
图上是一条垂直p轴的直线 等压线)。 轴的直线(等压线 在 p-V 图上是一条垂直 轴的直线 等压线 。 过程方程： 过程方程：V/T = const. o
A
B
V1
V2
V
i ∆E = νR∆T 2 •体积功: 体积功: 体积功
A = p1 (V2 − V1 ) = νR(T2 − T1 ) = νR∆T
气体体积膨胀 做正功， 做正功，直接 计算面积。 计算面积。
2、等压过程 、
•热量交换 热量交换: 热量交换
由热力学第一定律： 由热力学第一定律：
p p1 A B
•过程曲线： 过程曲线： 过程曲线
图上是一条双曲线， 等温线。 在 p-V 图上是一条双曲线，叫等温线。 过程方程： 过程方程：pV = const. o
•内能改变: 内能改变: 内能改变
i Q ∆T = 0 ∴ ∆E = νR∆T = 0 2 •体积功: 体积功: 体积功
A = ∫ PdV =
V1
A Q1 − Q2 Q2 η= = = 1− Q1 Q1 Q1
傅献彩第五版物理化学ppt课件第07章统计热力学基础[1]
![傅献彩第五版物理化学ppt课件第07章统计热力学基础[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/f8e0c2922dc58bd63186bceb19e8b8f67c1cefb0.png)
A V
T
,
N
p
p
NkT
ln q V
T ,N
G A pV
G非定位
kT
ln
qN N!
NkTV
ln q V
T ,N
§7.4 配分函数
配分函数与热力学函数的关系
(5)焓H
(6)定容热容CV
H U pV
U非定位
NkT 2
ln q T
V ,N
p
NkT
ln q V
T
U T
A定位 kNT ln
g ei / kT i
i
i
与不考虑简并度的公式相比，只多了 gi 项
非定位系统的Boltzmann最概然分布公式 Ni* N
g ei / kT i g ei / kT i
由此可见，定位系统与非定位系统，最概然的分i 布公式
是相同的。
非定位系统的熵和Helmholtz自由能的计算公式
物理化学电子教案—第七章
第七章 统计热力学基础
§7.1 概论 §7.2 Boltzmann 统计 §7.4 配分函数 §7.5 各配分函数的求法及其对热力学函数的贡献 §7.7 分子的全配分函数 §7.8 用配分函数计算rGm 和反应的平衡常数
§7.1 概 论
统计热力学的研究方法和目的
统计热力学是宏观热力学与量子化学的桥梁。通过系统 粒子的微观性质（分子质量、分子几何构型、分子内及分子 间作用力等），利用分子的配分函数计算系统的宏观性质。 由于热力学是对大量粒子组成的宏观系统而言，这决定统计 热力学也是研究大量粒子组成的宏观系统，对这种大样本系 统，最合适的研究方法就是统计平均方法。
、V、N一定) 条件下对一切可能的微观运动状态所求的平均值
高中物理竞赛课件 第七章 热力学基础 (共67张PPT)
E i RT dE i RdT
2
2
CP
dQP dT
dQP
dE
PdV
i 2
RdT
RdT
PV RT d（PV） PdV VdP PdV RdT
14
单原子：i 3 双原子：i 5 多原子：i 6 二、三种等值过程
5
3
7
5
8
6
1.等容过程 特征：dV 0 dA 0
p
过程方程：
(1)状态d的体积Vd; (2)整个过程对外所做的功;
(3)整个过程吸收的热量.
p
2p1
c
解: (1)由绝热过程方程：
TcVc 1 TdVd 1
p1
ab
d
1
得：Vd
Tc Td
1
Vc
根据题意：
Td
Ta
p1V1 R
o v1 2v1
v
Vc 2V1
Tc
pcVc R
4 p1V1 R
4Ta
5
3
27
(2)整个过程对外所做的功;
真空
T
T0
2V0
∵绝热过程
(E E0） A 0
而 A=0
V0 1T0 （2V0） 1T T P0V0 P（2V0） P
E E0 （T T0）
始末两态满足 P0V0 P（2V0）
状态方程
T0
T
P
1 2
P0
26
例7-4 1mol单原子理想气体,由状态a(p1,V1)先等压加热至体积增大1倍,再等体加热至压 力增大1倍,最后再经绝热膨胀,使其温度降至初始温度,如图所示,试求:
i 2 1
1
i
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第七章 热力学的物理基础
1、［D ］
将T p ~图转化为v p ~图即可得出结论。
2、［C ］
在摩尔数相同的条件下，等体过程吸收的热量为： T R i M m T C M m Q v v ∆=∆=2
在吸收热量相等的条件下，对自由度i 不同的气体，其温度改变也不同。
应用状态方程的微分形式： Rdt M m vd p =
所以，压强改变不相同。
3、物体做宏观位移；分子间的相互作用。
4、kg 261059.6-⨯
定容比热容v c 是kg 1的物质，在体积不变时，温度升高1度所吸收的热量。
定容摩尔热容v C 是mol 1的物质，在体积不变时，温度升高1度所吸收的热量。
v a v v mc N Mc C == ， R i C v 2=
， 氩：3=i kg c N R c N C m v
a v a v 261059.623-⨯=== 5、k mol J ⋅/1.29
此气体的摩尔质量：kg M 33100.2104.22--⨯=⨯⨯=ρ，
所以该气体为氢气，则5=i ，其定压摩尔热容为： k mol J R R i C p ⋅==+=/1.292
722 6、（1）1摩尔理想气体的内能；
（2）定容摩尔热容；
（3）定压摩尔热容。
7、［B ］
绝热线下的面积代表系统从a 到b 的任何准静态过程必须放出的能量，因此，（Ⅰ)是放热过程，（Ⅱ)是吸热过程。
8、［B ］
9、［B ］
因为功和热量与变化过程有关，不知道变化过程，功和热量不能确定。
不知道什么气体，质量就不能确定。
气体的内能增量可以确定为： )(2
3)(2A A B B A A B B V P V P V P V P i E -=-=
∆ 10、［D ］ T R Q p ∆=
27, T R A ∆=, 72=Q A .
11、［D ］
利用热力学第一定律：W E Q +∆=来判断。
12、J 31064.8⨯
13、J 400
14、3.33％；50％；7.66％。
15、112
3V P ；0=∆E 功等于过程曲线下的面积，11111123)2)(2(21V P V V P P A =-+=
∵112V P V P V P B B A A ==
∴0,=∆=E T T B A
16、等压；等压；等压。
作出v p ~图可以直接分析得出结论。
17、J W Q 90==静静
v p ~图中循环曲线所围的面积即为所求。
18、（1）)(25
1122V P V P E -=∆
（2）)(21
1122V P V P W -=
(3))(31122V P V P W E Q -=+∆=
(4)R 3
19、（1）K T B 225=， K T C 75=
（2）J Q C B 1400:-=→等压过程
J Q A C 1500:=→等容过程
过程J Q B A 500:=→
解：（1）A C →为等容过程，过程方程为：C C A A
T P T P =，K P T P T A
A
C C 75=
=
C B →为等压过程，过程方程为：K
V T V T T V T V C
C
B B
C C B B
225,===
（2）先计算出摩尔数，mol RT T P M m
RT M m V P A
A
A A A A 321.0,===
由40.1=γ求出该气体的自由度i ，
∵ 40.12
=+=i i γ
∴ R C R C i P V 27
,25,5===
:C B → 等压过程，吸热，J T T C M m
Q B C P 1400)(-=-=
A C →：等容过程，吸热，J T T C M m
Q C A V 1500)(=-=
:B A → 此过程为一多方过程，应利用净热量净Q 来计算。
对于一个循环过程： ∵ 0=∆E
∴J V V P P W Q C B C A 600430021
)(21=⨯⨯=--==）（净净
又∵14001500-+=++=AB BC AB CA Q Q Q Q Q 净 ∴J Q Q AB 500100=-=净
20、（1）放热J Q ab 5.6232-=
吸热J Q bc 5.3739=
放热J Q ca 3456=
（2）J W 963=净
（3）4.131
==Q W 净
η％
解：（1）放热J R T T C Q a b p ab 5.6232)300(25
)(--⨯=-=； 吸热J R T T C Q b c v bc 5.373930023
)(=⨯=-=； 放热J V V
RT Q c
a
c ca 34562ln 60031.8ln =⨯==。
（2）J Q Q Q W ab ca bc 963=-+=净；
（3）4.135.37393456963
1
=+==Q W 净η％。
21、（1）J 2.405；
（2）0=∆E ；
（3）J 2.405。