《热力学》教材：大学物理（下册）吴百诗主编第11章热力学基础§11.1 热力学的研究对象和研究方法一．热学的研究对象热学研究热现象的理论热力学从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观规律核心问题：热能转化为机械能二. 热学的研究方法宏观量描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。
微观量描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。
§11.2 平衡态与理想气体状态方程一．热力学系统热力学系统：热力学研究的具体对象，简称系统系统与外界的相互作用：热传递（能力交换），质量交换等系统分类：开放系统：系统与外界有物质交换和能量交换封闭系统：系统与外界没有物质交换，只有能量交换孤立系统：系统与外界没有物质交换，也没有能量交换二．气体的状态参量体积（V）气体分子可能到达的整个空间的体积压强（p）大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏观效果温度（T）大量分子热运动的剧烈程度温标：温度的数值表示方法热力学温标：符号：T ，单位：开尔文，简称：开，用K表示国际上规定水的三相点温度为273.16 K摄氏温标：符号：t ，单位：℃摄氏温标与热力学温标的关系：t=T-273.15水的冰点0℃为273.15K，（一个大气压）水的三相点：在没有空气的密闭容器内使水的三相平衡共存，其温度就是三相点温度。
选择水的三相点为热力学温标的基准点比选用冰点、沸点更准确，更容易复现。
三相点温度的测量与压力无关。
三．平衡态定义：在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。
说明：(1)不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方式交换能量。
例如：两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态。
提问：人体的体温保持在36℃，是稳定态？还是平衡态？(2)但可以处于均匀的外力场中；例如：处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度变化，但它是平衡态。
(3)平衡态是热动平衡，宏观参量不变，微观参量变化剧烈。
(4)平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示(5)平衡态是一种理想状态实际中没有完全不受外界影响的系统，也没有绝对保持不变的系统。
四．准静态过程在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。
实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。
如：实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程说明：（1）准静态过程是一个理想过程；（2）除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程；（3）准静态过程在状态图上可用一条曲线表示, 如图.V五．理想气体状态方程一定质量的气体在平衡状态下p 、T 、V 存在一定的关系：质量为m ，摩尔质量为M 的理想气体状态方程为：其中ν=m/M 为气体的摩尔数，该方程称为：克拉珀龙方程说明：(1) 理想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体； (2) 实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作理想气体处理。
且温度越高、压强越低，精确度越高. (3) 混合理想气体的状态方程为 i=1,2,……,n； ；表观摩尔质量：补充例题：一柴油的汽缸容积为 0.827×10-3 m 3 。
压缩前汽缸的空气温度为320 K ， 压强为8.4×104 Pa ，当活塞急速推进时可将空气压缩到原体积的 1/17 ， 使压强增大 到 4.2×106 Pa 。
求：这时空气的温度 解：),(V p f T =RTRT MmpV ν==RTM m V p iii =∑=ii p p ∑=ii m m ∑∑==i i i ii mM m m M νRTMm pV =T 2 > 柴油的燃点。
若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推动活塞作功，这就是柴油机点火的原理。
书中例题11.1（p8）（重点）一氧气瓶容积为30L ，充满氧气后压强为130atm （大气压），氧气厂规定，当压强降到10atm 时就应重新充气。
有一个车间每天需要40L 、1atm 的氧气。
（1atm=1.013×105Pa 帕斯卡） 问：一瓶氧气能用多少天？ 解：由理想气体状态方程得130atm ，30L 氧气的质量： 10atm ，30L 氧气的质量： 1atm ，40L 氧气的质量： 可用天数：§11.3 热力学第一定律一. 功 热量 内能功(A)： 是能量传递和转化的量度；（过程量）系统对外作功：A>0 ; 外界对系统作功：A<0 ;222111T V p T V p=111222T V p V p T =K 941320171104.8102.4462=⨯⨯⨯⨯=T RT MmpV =RTV Mp m 111=RTV Mp m 122=RTV Mp m 333=9040130)10130()(33121321=⨯⨯-=-=-=V p V p p m m m n热量(Q)：是传热过程中所传递能量的多少的量度；（过程量）系统吸热：Q>0 ; 系统放热：Q<0;内能(E)：是物体中分子无规则运动能量的总和 ；（状态量） 1. 功与内能的关系：绝热过程（没有热量传递）：（E 2–E 1）=A Q 说明：（1） 在绝热过程中，系统内能的改变量等于外界对系统作的功。
（2） 此式给出过程量与状态量的关系 2.热量与内能的关系：外界对系统不作功时：（E 2–E 1）=Q v 说明：（1） 外界不对系统作功时,系统内能的改变量等于外界对系统传递的热量。
（2） 此式给出过程量与状态量的关系作功与传热都能使系统的内能改变，但其微观机制有所不同。
二．热力学第一定律外界与系统之间不仅作功，而且传递热量，则有系统从外界吸收的热量，一部分使其内能增加，另一部分则用以对外界作功。
( 热力学第一定律的表述)对于无限小的状态变化过程，热力学第一定律可表示为： 说明：(1) 热力学第一定律实际上就是包含热现象在内的能量守恒与转换定律； (2) 第一类永动机是不可能实现的。
（热力学第一定律的另一种表述形式）；AE E Q +-=）（12AE Q d d d +=(3) 此定律只要求系统的初、末状态是平衡态，至于过程中经历的各状态则不一定是平衡态。
(4) 适用于任何系统（气、液、固）。
§11.4 准静态过程中功和热量的计算一.准静态过程中功的计算热力学第一定律可表示为书中例题11.4（p16）在大气压下1kg 水体积为1L ，沸腾成蒸汽的体积为1671L ，汽化热为2260kJ/kg 。
求：1kg 水在汽化过程中对外界作多少功？内能增加多少？ 解：在大气压下1kg 100℃的水汽化为100℃的蒸汽，吸收热量为 Q=mL=1×2260=2260 （kJ ）Vp l pS l f A d d d d ===⎰=21V V Vp A d Vp E Q d d d +=⎰+-=21V V Vp E E Q d )(12xx TQC )(∆∆=保持压强不变，体积改变，系统对外作功为： 水的内能改变为：A/Q = 168.7 / 2260 = 0.0746 = 7.46 % (汽化过程只有7.46%转化成功) 书中例题11.5（p17）已知1mol 某种气体在一定温度下，压强随体积变化的函数关系为： 其中，a 、b 、c 为常量求：该气体经一准静态过程，体积由V 1膨胀到V 2时，气体对外界作的功。
解：二. 准静态过程中热量的计算一定质量m 的物体在一个过程x 中吸收热量△Q ，温度升高△T ，热容定义为： 当△T →0时，得到温度为T 时的热容： 比热容：单位质量物体的热容。
摩尔热容：1mol 物体的热容。
热容一般情况下是温度的函数，只有在温度变化范围不大时，近似为常量。
当物体的温度由T 1变化到T 2时，吸收的热量为：)(7.16810)11671(1001.1)(d 3512kJ V V p V p A 21V V =⨯-⨯⨯=-==-⎰)(3.20917.168226012kJ A Q E E E =-=-=-=∆2V a b V cp --=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+--=--=⎪⎭⎫ ⎝⎛--==⎰⎰⎰⎰12122211ln d d d d V V a b V bV c V V a V b V c VV a b V cV p A 21212121V V V V V V V V xx T x TQ T Q C )d d ()(lim 0=∆∆=→∆xx T x TQm T m Q C )d d (1)(lim 0=∆∆=→∆T xx T x TQT Q C )d d (1)(lim 0νν=∆∆=→∆例：水的热容为4180J/kg ℃，使1m 3的水升高1℃需要的热量为： Q = 4180 ×1000 = 4.18 × 106（J ）1度电为1千瓦时，1000×3600 = 3.6 × 106（J ） 1度电使1m 3的水升高0.86℃150升太阳能热水器，一天可使水温升高20℃相当于多少度电产生的热量？ 一天吸收的热量为：4180×20×150=12.54× 106（J ） 12.54× 106 / 3.6 × 106 = 3.48 (千瓦时) 书中例题11.6（p18）在一个大气压下，温度在50K 到100K 之间时，1mol 银的热容随温度变化的经验公式为：C M =0.076T –0.00026T 2–0.15求：216g 的银温度从50K 升高到100K 所需要的热量。
解：银的摩尔质量为M=107.868×10-3kg ，216g 银的摩尔数为：§11.5 理想气体的内能和C V ，C p一. 理想气体的内能焦耳试验，实验装置：210868.1071021633=⨯⨯=--ν)(21423100026.0221076.0215.0200026.02076.02)15.000026.0076.0(2d |||10050100503100502100501005021005022121J T T T dTdT T TdT dTT T T C Q T T T T x x =⨯-⨯⨯-⨯⨯=⨯-⨯-⨯=--==⎰⎰⎰⎰⎰ν实验结果：膨胀前后温度计的读数未变，体积和压强发生了变化。
气体绝热自由膨胀过程中：A=0, Q=0, E 1=E 2，气体的内能没变。
结论：气体的内能只是温度的函数，与体积无关。
E=E （T ） 这一结论称为焦耳定律通过改进实验或其它实验方法，证实仅理想气体有上述结论。