第17章 热力学基础

第17章热力学基础

◆本章学习目标

本章从能量的观点出发，不过问物质的微观结构，以大量实验观测为基础，来研究物质热现象的宏观基本规律及其应用。

◆本章教学内容

1．准静态过程，热量、功、内能等基本概念；

2．热力学第一定律及其对理想气体各等值过程的应用；

3．理想气体的摩尔热容；

4．循环过程；

5．热力学第二定律等。

◆本章教学重点

准静态过程、功，热量，内能，热力学第一定律及其应用，卡诺循环，卡诺热机的效率，热力学第二定律，卡诺定理等。

◆本章教学难点

准静态过程，热力学第一定律及其应用，热力学第二定律等。

◆本章学习方法建议及参考资料

1．通过对本章内容的学习的，使学生认识物质热运动的特点、规律和

研究方法, 掌握热学的基本概念、基本规律和基本理论，并能较为灵活地加

以运用。

2．通过课程内容和研究方法的讲述有意识地培养学生的辩证唯物主义世界观。

3．为了培养学生分析问题和解决问题的能力，本课程应讲解适当的例题

和安排一定的习题课，使学生学会正确地运用所学知识解决实际问题，同时

要布置适量的习题和思考题，引导学生深入钻研物理概念，牢固掌握基础知识。

4．充分利用多媒体教学手段，注意在教学过程中使用电子教案与黑板的

结合，并在课堂教学中注重启发式教学，组织课堂讨论、课堂提问等。

主要参考资料

1.《物理学》，马文蔚等编，高等教育出版社，2002

2.《热学》，李椿等编，高等教育出版社，1990

3.《新概念物理教程·热学》，赵凯华等编，高等教育出版社，1998

3.《〈普通物理学教程·热学〉（第二版）习题思考题解题指导》,秦允豪编,高等教育出版社,2004

§17.1 内能功热量

一、内能

1.系统:在热力学中，常把所要研究的宏观物体叫做热力学系统，简称系统。

2．内能：在一定的状态下，热力学系统具有一定的能量，叫做系统的内能。对一般系统内能是温度和体积的函数，即E=E（V，T），因此，内能是状态的单值函数。

二、功和热量

要使系统的内能发生变化，通常有两种方式，一种是外界向系统传递热量，另一种是外界对系统做功，因此，功与热量的量值都可以作为内能变化的量度。但做功和热传递有本质的区别，做功是通过系统与外界物体发生宏观的相对位移来完成的，所起的作用是外界物体的有规则运动与系统内分子无规则运动的转换，从而改变系统的内能；传递热量是通过接触边界上分子之间的碰撞来完成的，所起的作用是系统外物体的分子无规则运动与系统内分子无规则运动之间的转换，从而改变系统的内能。因此，做功是传递能量的宏观方式，热传递是传递能量的微观方式，这就是它们的本质区别。

三、内能功与热量

内能与功和热量虽有密切的关系，但它们是两类不同性质的物理量，内能决定于系统的状态，是状态量，功和热量与系统所经历的过程有关，是过程量。

§17.2 热力学第一定律

一、热力学第一定律

如果系统从一个平衡态变到另一个平衡态的过程中，从外界吸收热量Q ，外界对系统做功A ，系统初状态的内能为1E ，末状态的内能为2E ，它们之间满足

A E E Q +-=)(12

此即热力学第一定律的数学表达式，对于系统状态的微小变化过程，热力学第一定律可以写为

dA dE dQ +=

从热力学第一定律可以看出，如果使系统进行一个过程，在这个过程中系统的内能保持不变，那么系统从外界吸收的热量（或给外界放出的热量）必然转变为系统对外界所做的功（或外界对系统所做的功），即为能量守恒的表现。

二、准静态过程

1．准静态过程：如果在系统变化过程中，每一个中间状态都无限地接近于平衡状态，这种过程叫做平衡过程，或准静态过程。

2．准静态过程的实现

准静态过程是一个理想过程，但只要实际过程进行的足够缓慢，使得系统每一时刻都近似于平衡状态，就可把它看作准静态过程。

3．准静态过程中体积功的表达式

如上图为一气缸，其中气体的压强为p ，活塞面积为s ，当活塞移动一微小距离dL 时，在这一微小变化过程中，压强p 处处相等，因此是一准静态过程，在这过程中气体做的功为

dA=fdL=psdL

式中sdL=dV 是气体体积的微小增量所以

dA=pdV

当系统体积从21V V →时，气体对外界做的功为

⎰⎰==2

121V V V V pdV dA A 因此，在气体的微小变化过程中，热力学第一定律可写成

pdV dE dQ +=

其积分形式为

⎰+-=2

1

)(12V V pdV E E Q

§17.3 热力学第一定律对理想气体应用

一、等容过程

（1） 等容过程中的功

等容过程中由于体积不变，因此功

⎰==0PdV A

（2） 等容过程中的内能改变及吸收的热量

A 、定容摩尔热容量V C

由热容量的一般定义，定容摩尔热容量V C =

dT

dQ V 由热力学第一定律可知，R i dE dQ V 2== i 为气体分子自由度，R 为普适衡量，即理想气体的定容摩尔热容量只是分子自由度的函数，与气体的温度无关。

B 、等容过程中的内能改变E ∆及吸收的热量V Q

由热力学第一定律 A E Q +∆= 得

E Q ∆= 由dT

dE C v =得 )(12T T C M

Q v v -=μ

二、等压过程

（1） 等容过程中的功

)(12V V P A -=

（2）等容过程中的内能改变及吸收的热量

A 、定压摩尔热容量p C

定压摩尔热容量p C =dT dQ p

B 、等压过程中的内能改变E ∆及吸收的热量p Q