热力学基础,物理竞赛
高中物理奥林匹克竞赛专题---热力学基础(共28张PPT)
解 : EC V(T dT a)2 3R (T dT a)
3
( 2
pdVd
paVa
)
0
AApATAV
pa(VbVa)RbTlnV Vbc
p(atm) ab
3 c
1
d
O 1
2
3
V(L)
pa(VbVa)pbVblnV Vbc 30 2 44 5 65 J 0
在此过程中系统向放 外出 界热量.
例：一绝热容器被中间的隔板分成相等的两半，一半
装有氦气，温度250K；另一半装有氧气，温度310K； 二者压强相等。求去掉隔板两种气体混合后的温度。
解：绝热容器Q＝0且气体对外不做功A＝0，
∴内能不变ΔE＝0：
EE 1E212 3R1T 25 2R2T
QpCp(T2T1)
比较，得： Cp
i
2 2
R
Cp
1
dQ dT
p
Cp CV R （迈耶公式）
思考： 为何
Cp CV ?
热容比 ：
Cp
CV
(也称为比热比、泊松比)
i CV 2 R
Cp
i
2 2
R
所以： i 2 1
i
的理论值：
c
b
E E b E a Q A 3 3 1 6 2 2J 6 10 ( 1 )Q a d ( E b b E a ) A a d 2 b 1 4 2 0 2J 52 a
在此过程中系统从吸 外收 界热量. O
d
V
( 2 )Q b a ( E a E b ) A b a 2 8 1 4 0 2J 94
中物理竞赛教程 基础篇+拓展篇
文章标题：探索中学物理竞赛的基础知识与拓展技巧第一部分：中学物理竞赛基础篇1. 导言中学物理竞赛作为学科竞赛的一种，旨在激发学生对物理学的兴趣，培养学生的科学思维和问题解决能力。
本文将从中学物理竞赛的基础知识出发，逐步深入探讨物理竞赛的拓展技巧，帮助读者更好地准备和参加中学物理竞赛。
2. 基础知识中学物理竞赛题目涉及的基础知识包括力学、热学、光学、电磁学等内容。
在准备基础知识时，学生应该重点掌握牛顿运动定律、牛顿万有引力定律、能量守恒定律等基本物理定律和原理。
对于力的合成分解、静力平衡、功率、电路分析等概念也需要有清晰的理解。
3. 解题技巧在物理竞赛中，解题技巧同样重要。
学生需要训练自己的逻辑思维能力和数学计算能力，灵活运用物理知识解决问题。
在解答受力分析问题时，要善于画图分析，利用几何关系进行求解；在分析电路问题时，要善于应用欧姆定律和基尔霍夫定律进行分析。
对于物理公式的掌握和运用也是解题的关键。
4. 综合能力除了基础知识和解题技巧外，中学物理竞赛还考察学生的综合能力。
学生需要培养对物理现象的观察和分析能力，能够将所学知识应用到实际问题中，并且要有一定的创新意识和实验设计能力。
第二部分：中学物理竞赛拓展篇1. 拓展知识除了基础知识外，中学物理竞赛的拓展知识也是考察的重点。
拓展知识包括相对论、量子力学、热力学第二定律等高阶物理内容。
学生可以通过阅读物理相关的书籍和论文，参加物理夏令营等活动，深入了解这些拓展知识，从而在竞赛中更好地应用。
2. 解题技巧提升在拓展篇中，解题技巧的提升也是至关重要的。
学生可以通过参加物理建模比赛、创新实验设计比赛等活动，提高自己的问题解决能力和创新能力。
可以多参加物理讨论班、研究小组等活动，与物理爱好者一起交流讨论，拓展自己的物理思维。
3. 案例分析在拓展篇中，通过案例分析来提升综合能力也是一种有效的方法。
学生可以选取一些复杂的物理问题进行分析和研究，尝试从多个角度进行思考和解决，从而提高自己的综合能力和创新思维。
高中物理竞赛课件 第七章 热力学基础 (共67张PPT)
dT=0；PV=C dQ=0；PVr=C ΔE=0； Q1-Q2=A净
PVn=C；n=0，1，，
第二定律开氏表述
m Q C T M
第二定律克氏表述
5
等体过程
热 力 学 第 一 定 律 的 应 用 等压过程 摩尔热容 多方过程
等温过程
绝热过程
热 力 学
热力学 第一定律
热机效率
循环过程 致冷系数
m Q C T M
卡诺 热力学第二定律 循环 卡诺热机效率 卡诺致冷系数
6
§7. 1 热力学第一定律
一、关于热力学的一些基本概念 1. 热力学系统（热力学研究对象，简称系统）
1。开放系统：系统与外界既有能量传递，又有质量传递的系统。 2。孤立系统：系统与外界既没能量传递，又没质量传递的系统。 3。封闭系统：系统与外界只有能量传递，没有质量传递的系统。 （a）一般系统：与外界既有功又有热量的传递 （b）透热系统：与外界没有功的交换但有热量的传递 （c）绝热系统：与外界没有热量的传递但有功的交换
11
注意： 1.Q是一个过程量 2.正负号的规定:
Q = E2 E1+ A
Q 0 (系统吸热); Q 0 (系统放热) A 0 (系统对外作功 ); A 0 (外界对系统作功 ) E 0 (系统内能增加 ); E 0 (系统内能减少 )
3.热力学第一定律适用于任何系统的任何过程 （包括非静态过程） 4.对于准静态过程热力学第一定律可表达为：
等体过程
等压过程 摩尔热容 多方过程
等温过程
绝热过程
热机效率
循环过程 致冷系数
卡诺 热力学第二定律 循环 卡诺热机效率 卡诺致冷系数
4
热 力 学 第 热 一 Q= Δ E + A 力 定 学 律 的 应 V A PdV 用 V
物理竞赛必备知识点总结
物理竞赛必备知识点总结一、力学1. 运动学（1）速度、加速度的定义及其计算方法；（2）匀变速直线运动的相关公式以及应用；（3）平抛运动、倾斜抛体运动的相关公式及其应用。
2. 动力学（1）牛顿三定律及其应用；（2）运动方程的推导和应用；（3）弹簧振子、简谐振动的相关公式及其应用；（4）摩擦力的计算及其应用。
二、热学1. 热力学基本概念（1）热力学系统、热力学平衡和热平衡的含义及其判定方法；（2）内能、热量和做功的关系；（3）理想气体状态方程及其应用。
2. 热力学第一定律（1）热功当量的含义及其计算；（2）绝热过程、等容过程、等压过程、等温过程的基本特征及其应用。
3. 热力学第二定律（1）卡诺循环的原理及其效率；（2）热机和制冷机的效率公式及其应用。
三、电磁学1. 电学基础（1）库仑定律及其应用；（2）电场强度、电势以及电势差的定义及计算方法；（3）电场中带电粒子的运动方程及其应用。
2. 磁学基础（1）洛伦兹力的计算及其应用；（2）电流和磁场的相互作用；（3）安培环路定理、比奥-萨伐特定律及其应用。
3. 电磁感应（1）法拉第电磁感应定律的条件和公式；（2）楞次定律的应用；（3）自感系数和互感系数的计算及其应用。
四、光学1. 几何光学（1）光的直线传播及其应用；（2）折射定律、全反射定律及其应用；（3）薄透镜成像公式、放大倍数计算及其应用。
2. 波动光学（1）双缝干涉、多缝干涉及其应用；（2）多普勒效应的计算和应用；（3）光的偏振和光栅原理及其应用。
五、原子物理1. 光电效应（1）光电效应的基本概念和实验事实；（2）光电发射功函数及其与光强的关系；（3）反光电效应及其应用。
2. 波尔模型（1）原子光谱的特点及其解释；（2）氢原子光谱的解释及其能级计算。
六、现代物理1. 相对论（1）相对论长度收缩及其推导；（2）相对论时间膨胀及其推导；（3）相对论动量和能量的变化及其应用。
2. 量子力学（1）波粒二象性及其实验事实；（2）薛定谔方程的基本概念及其应用；（3）不确定性原理的解释及其应用。
物理竞赛-热学部分
水的体积为
V水
0.18 103
0.18103 (m3 )
将水蒸气视作理想气体, 由 pV νRT
1.013105V气 108.31373.15 V气 0.306m3
水变为水蒸气, 对外作功为
A
V气 pdV
V水
p(V气 V水 ) 1.013 10 5 （0.306 - 0.18 10 3） 0.31 10 5 (J )
= (i/2)R(T２－T１) A=ΔE=5×(3/2)×8．31×(300-290）=623 J 吸热 Q=0
例题
在一个大气压下, 180克水在沸点汽化为100 0C的水蒸汽。问它的内能改变了多少？（水 的沸点汽化热为2．25x106焦耳/千克）
解:汽化吸热为 Q 0.18 2.25 10 6 4.05 10 5 (J )
(2)等压过程 Ｑ=Cp（T２-T１）=[(i+2)/2]R(T２－T１) 吸热 Ｑ=5×(5/2)×8．31×(300-290)=1038．5 J ΔE= CV(T２－T１) 内能增加 ΔE=5×(3/2)×8．31×(300-290)=623 J 对外作功 A=Q-ΔE=1038．5-623=415．5 J (3)绝热过程 由热力学第一定律得A=ΔE 做功与内能的变化均为 A=ΔE= CV(T２－T１)
由热力学第一定律, 内能改变为 ΔE Q A 3.74 105 J
四． 循环、卡诺循环
1)特点: E 0
2)效率: W Q1 Q2
Q1
Q1
3)制冷系数: e Q2 Q2 W Q1 Q2
4)卡诺循环:
热机效率: W 1 T2
Q1
T1
吸了多少热量？
p0
S
l2
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
高中物理竞赛--热力学专题
dW = −pdV → W = − � pdV
V1
这就是外界对流体在无限小的准静态膨胀或压缩中所做的功 非准静态过程（包括不可逆过程）：外界对物体所作的功仍然等于作用力与位移的乘积，但是由于在过程进行
中，物体的各部分都在变化，作用在物体上的力不再需要力平衡条件，一般情况下功的表达式会非常复杂。 特殊情形下的功：
C V +R
的关系为pV CV = 恒量。 解答：关键点—注意与节流过程的区别 分析打开K1的热力学过程：开始时，气室a中有ν摩尔气体，打开K1，外界气体有一部分空气ν′摩尔等压p0进
入气室，热力学过程：绝热、非准静态、不可逆，注意：与常规的节流过程有区别 初态：
外界气体：�ν′ , p0, V�, T0�，其能量 Ui1 = ν′ CV T0，且p0V� = ν′ RT0
体达到热平衡时，测得气体的压强为p1 2) 仍从初始状态出发，让活塞处在自由状态，在电热丝中通以弱电流，也持续一段时间，然后停止通电，最
后测得气体的体积为V2
解答：关键点—热力学状态的描述 初始热力学状态(ν, p0, V0, T0)的内能
Ui = CxνT0，且 p0V0 = νRT0
→
Ui
=
Cx R
p0V0
末态热力学状态： 等容过程末态(ν, p1, V0, T1)的内能
Uf = CxνT1，且 p1V0 = νRT1
→
Uf
=
Cx R
p1V0
热力学第一定律给出电热丝传给气体的热量
Q1
=
Uf
−
Ui
=
Cx R
(p1
−
p0)V0
等压过程末态(ν, p0, V2, T2)的内能
高中物理竞赛-热力学基础
压吸Q 时热Mm，，cV 气内T2 体能T1 增加；等容 降W温降0 压时 ，气体放热 ，．E 内热Mm能量CV减等T2 少于T1
， 功W吸 ， 热 内pV并 能2 对 增V1外加 做 Q吸 MmERT2WT1
降Q 温0 时，对外 做少W 功； ，绝Mm 内热cV 能压T2 减缩T1 升压升温时，
增容长 量C关p系(T)为．T（(t)本 T题0 1讨 论(t 内t0 )容1/4．，其自中然Ｔ只0在、一α、定t的0均温为度常范量围．内求适金用属）片热
热容量定义
Cp
P t T
1
1
其中 T T0 1 t t t0 4 T0 1 t t0 4
体体积V0不变，温度和压强各变为T１和p１；第二次保持压强p0不变，
而温度和体积各变为T２和V１．试证明
( p1 p0 )V0 (V1 V0 ) p0
等容升温时,吸收的电热全部用作增加内能:
Q E CV n(T1 T0 ) CCVRVn((pnp1VR1 0pp0n0)VRV00)
1
绝热膨胀时,对外做功量等于内能的减少:
W
E
i 2
NR(T0
T)
i NR( p0V0 pV ) 2 NR NR
i2
i
p0V0 pV
1
为了测定气体的γ( Cp )，有时用下列方法：一定量 的的气 铂体丝初对始它的加温热度．、设压两强次和加体热积的分电别流C为和V T时0、间p都0、相V同0．．用第一一根次通保有持电气流
等压升温时,吸收的电热用作增加内能与对外做功:
Q
E W
C pn(T1 T0 )
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测温属性：气体体积不变 气体的压强P随温度变化
线性关系：T(p)= a . P 其 中 a=273.16K/Ptr （三相 点温度为273.16K，气体在 三相点的压强为Ptr ，）
得：T(p) = 273.16k P/Ptr
以不同气体为测温物质，T(P)存在差异。但在
常用的物态参量有以下几类：
（1）几何参量（如：气体体积V） （2）力学参量（如：气体压强P） （3）热学参量（如：温度T，熵S等）
（4）化学参量（如：混合气体各化学组的质量和物 质的量等）
（5）电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁 化强度等）
气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达 的空间。通常容器的体积就是气体的体积。
压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等 于容器壁上单位面积所受到的正压力。常用的压强 单位有：
（1）SI制的帕斯卡 Pa ：1Pa=1N·m-2。
（2）厘米水银柱cm·Hg （3）标准大气压atm： 1atm＝76ch·Hg＝1.013×105Pa。
温度的概念较复杂，它的本质与物质分子的热运 动有密切的关系。温度的高低反映分子热运动的激 烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的 冷热程度。温度的数值表示方法叫作温标，常用的 温标有：
阿伏加德罗定律：在标准状态下，1摩尔任何气体 所占有的体积为22.4升。
在任何情况下都遵守上述三个实验定律和阿伏加 德罗定律的气体称为理想气体。
一般气体在在温度不太低（与室温相比）和压 强不太高（与大气压相比）时，都可近似看成理想 气体。
2、理想气体状态方程
从3条实验定律得出：一定质量的理想气体在两 个平衡态时状态参量之间的关系
Ptr降低时，差异逐渐消失，在Ptr 0的极限下，
它们趋于一个共同的极限温标，称为理想气体
温标。
P T27.316Kli．平衡态
一个与外界之间没有任何能量和物质传递的孤立 系统，不论它刚开始时处于何种状态，经过一段时 间以后，系统内各部分的压强、温度、密度等必将 相同。此时气体的三个物态参量P、V、T都具有确 定的值，且不再随时间变化。即一个系统在不受外 界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变 化，我们就说这个系统处于热力学平衡态。
平衡态是一个理想状态。系统处于平衡态时， 物理性质处处均匀，且系统的宏观性质不再变化， 但分子无规则运动并没有停止。所以平衡态是一种 动态平衡。
右图中隔板刚抽走的瞬间
系统处于非平衡态，但是经过
并不很长的时间，容器中的气
体压强、温度、密度等物理性
真
质趋于均匀，且不随时间变化，
空
它已处于平衡态。
平衡态是最简单、最基本的。但在自然界中， 平衡态是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不平 衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。非平衡 现象千姿百态、丰富多彩，但也复杂得多，不易精 确地予以描述或解析。在远离平衡态的非平衡系统 中，常常会出现一些意想不到的有趣现象。对非平 衡系统的研究是目前最热门的课题之一。
（1）热力学温标T，SI制，单位：K(开尔文)
（2）摄氏温标t，单位：ºC(度)，规定：纯水的冰点 和沸点温度分别为0ºC和100ºC。
（3）华氏温标F，单位ºF，规定：纯水的冰点和沸 点温度分别为32ºF和212ºF。
三者间的关系为： Tt27.135F 9 t 32 5
理想气体温标
I(P1,V!,T1)
P2
O V1
II(P2,V2,T2)
V2 V
三、理想气体状态方程
1．理想气体
一定质量的气体，在温度不太低和压强不太高时， 满足以下三条实验定律：
（1）玻义耳－马略特定律：一定质量的气体在等
温过程中
PV＝常量
（2）盖－吕萨克定律：一定质量的气体在等体过
程中
P ＝常量 T
（3）查理定律：一定质量的气体在等压过程中 V ＝常量 T
P1V1 P2V2 C
2．准静态过程
若外界对系统有一定的影响，系统的状态会从某 一初始的平衡态，经过一系列中间状态，变化到另一 平衡态，我们把这种状态变化的过程叫作热力学过程。 若此热力学过程进行的足够缓慢，使得每一个中间状 态都可近似看成是平衡态，则称该过程为一个准静态 过程。可以用P－V图上的一条曲线来表示。
P
P1
微观描述方法的局限性：
在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出 简化假设（微观模型）后所得的理论结果与实验不 能完全符合。
11－1 平衡态、理想气体物态方程
一、气体的物态参量
在热学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒 子组成的一个或多个物体或是一个物体的某一部分 称为热力学系统。系统的周围环境称为外界。用来 描述系统宏观状态的物理量称为物态参量。
热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要 在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具 有同样的可靠性与普遍性。
对于任何宏观的物质系统。不管它是天文的、 化学的、生物的……系统，也不管它涉及的是力学 现象、电学现象……只要与热运动有关，总应遵循 热力学规律。
2、微观描述过程：统计物理学
统计物理学是热物理学的微观描述方法，它 从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用 统计的方法，把宏观性质看作由微观粒子热运动 的统计平均值所决定，由此找出微观量与宏观量 之间的关系。
引言 宏观描述方法与微观描述方法
一、热学的研究对象及其特点 热物理学是研究有关物质的热运动以及与热
相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学及 光学一起共同被称为经典物理四大柱石。
宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子 （例如分子、原子等）都处于永不停息的无规热 运动中。布朗粒子的无规则运动。
正是大量微观粒子的无规热运动，才决定了宏 观物质的热学性质。
热物理学渗透到自然科学各部门，所有与热相 联系的现象都可用热学来研究。
二、宏观描述方法与微观描述方法
1、宏观描述方法：热力学方法
热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象 的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的 基本定律出发，应用数学方法，通过逻推理及演绎， 得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理 过程进行的方向和限度等结论。