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2014
10-15

自考物理(工)复习指导八

自考物理(工)复习指导八

第四章 热力学基础

  本章研究的也是物质热现象和热运动的学科,但热力学主要是从能量观点出发分析研究在物质热运动状态变化过程中有关热功转换的关系和条件。因此要把握住能量这个主线,分析能量转化和传递时所遵循的规律。

  这一章主要讲的是两个定律:热力学第一定律和热力学第二定律。

  第一部分:热力学第一定律

  一、功与热量(领会概念)

  先理解一下“热力学系统”这个概念,就是指在热力学中研究的热运动状态发生变化的物体(气、液、固都可以)。

  功和热都是一种“过程量”,也就是说,功只是在作功才有意义,热量也只有传递时才有意义。我们不能说这个系统拥有多少“功或热量”,只能说,这个系统对外作了多少功或传递了多少热量。

  要注意的是一个热力学系统具有一定的内能,虽然它与功和热量的单位相同,但这是一个状态量,也就是说,它与过程无关。即使不作功,它也是存在和有意义的。

  二、热力学第一定律、热力学系统的内能

  内能的概念(领会):一个热力学系统,在其处于一定状态时,具有一定的能量,这个能量就是热力学系统的内能(如上一章讲到的气体所具有的内能,这从微观上讲是由分子热运动形成的)

  热力学第一定律(综合应用)

  热力学系统在从平衡状态1向平衡状态2的变化中,外界对系统所作的功W’和外界传给系统的热量Q二者之和是恒定的,等于系统内能的改变E2E1。用简单的表述可以这样理解:系统的吸热等于内能增量与对外所作功的和。即 Q=E2E1+W (这个公式的各种变换形式应十分熟悉,总的一条,就是能量应该守恒,一个系统不可能产生能量,也不会消灭能量)

  所谓“第一类永动机”就是不需要外界能量供给却能不断对外做功的机器,这相当于上面公式中的dQ=0,而(dE+dW)不为0.这是不可能实现的。

  三、平衡过程中功、热量和内能增量的计算(综合应用)

  这一节就是对上面定律的细分解作计算,根据三个计算公式,应能对“平衡过程”中各个参量进行求解。

  平衡过程:就是指系统所经历的中间状态都无限接近于平衡状态的变化过程。平衡状态就是指在系统内体积一定,温度和压强处处相等的状态。平衡过程就是指在变化过程中,每一个中间状态都表现为一定体积,温度和压强处处相等的无限接近状态,当然这是理想情形。

  平衡过程中功的计算:功就是沿着力的方向上力的大小与距离的乘积。用气体推活塞的过程来推导出热力学系统对外界所做的功为:

  这个公式对气液固态系统均适用。

  平衡过程中热量的计算:

  这里涉及到一个摩尔热容量的定义,即1摩尔物质温度升高(或降低)1度时所吸收(或放出)的热量,用C表示,单位是J/(mol.K)。(我们以前学过一个“比热容”的概念,其意义相同,只是所用单位不同)

  计算热量的普遍公式是:

  对于气体,最有实际意义的是定压摩尔热容量和定容摩尔热容量,分别用Cp和Cv表示,也就是加上一个条件,即在压强不变或体积不变时的摩尔热容量。只要用相应热容量代入上式就可得到相应的等压过程或等容过程吸收的热量值。

  内能增量的计算:

  我们已经知道理想气体内能的计算方法,其增量就是用末量减去初量。这个增量也是与过程无关的。对一定量的气体,它只是两个状态温度差的函数即

  对PV图应能达到会作图的要求。

  四、热力学定律对理想气体等值过程的应用(综合应用)

  所谓等值过程就是在系统状态变化过程中,有一个状态参量保持不变的过程。

  等容过程:即体积保持不变的加热或冷却过程。这个过程中,气体不做功,即 Qv=E2E1,因此

  这个公式虽是从等容过程中推导出来的,但它适用于任何过程,因为理想气体的内能变化只与温度的增量ΔT有关。

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作者:重庆自考