國內外經典教材名師講堂程守洙《普通物理學》第六章熱力學基礎主講老師：宋鋼學習指導：

通過對熱力學過程的描述，了解熱力學的基本定律，以及各種循環過程。一、熱力學第零定律與第一定律

1．熱力學第零定律;

如果兩個物體都與處于確定狀態的第三個物體處于熱平衡，則該兩個物體彼此處于熱平衡。

2．熱力學過程

從一個平衡態到另一個平衡態就稱為熱力學過程。如果過程中間任意一個狀態都可以看作是平衡態那么這個過程就稱為準靜態過程，也稱平衡過程。

3．功熱量內能

能量交換的方式是通過宏觀的有規則運動

(如機械運動、電流等)來完成的，稱為宏觀功。

交換能量的方式是通過分子的無規則運動來完成的（如熱傳遞）稱為微觀功。

熱力學系統在一定狀態下，應具有一定的能量，稱做熱力學系統的內能。內能的改變量只決定于初末兩個狀態，而與經歷過程無關。

在這里需要記住對氣體做功的表達式

4．熱力學第一定律

設有一系統，外界對它傳熱為Q，使系統內能由|同時。系統對外界又作功為A，那么用數學式表示上述過程，有：

對于微小變化：

第一類永動機違反了熱力學第一定律。

積分表示陰影區面積

二、熱力學第一定律在理想氣體準靜態過程中的應用

1．等體過程

過程中氣體體積不發生變化。PV=nRT可知，P增加T增加。

外界傳給氣體的熱量，全部用來增加氣體內能氣體對外作功=0。根據熱量公式我們可知道：

Cv為摩爾定體熱容，將上式與上面的做以比較，可得Cv的表達式：

2．等壓過程氣體摩爾定壓熱容

過程中氣體壓強不發生變化。PV=nRT可知，T增加V增加。

氣體吸收的熱量一部分轉換為

內能另一部分轉換為對外作功。

利用求Cv的方法，可以求得此時的熱容—摩爾定壓熱容Cp

熱容比或者稱為絕熱系數

單原子分子：5/3

雙原子分子：7/5

熱容反應熱慣性，也就是到達平衡的時間長度，熱容越大，所需要的能量越多，到達平衡的時間越長

3．等溫過程

過程中氣體溫度不發生變化。PV=nRT可知，P增加V減小。

氣體吸收的熱量全部用來對外作功，氣體內能不變。

4．絕熱過程

在不與外界作熱量交換的條件下，系統的狀態變化過程叫做絕熱過程。

等溫線與絕熱線的交點

等溫

絕熱

斜率比較

絕熱線比較陡

絕中體積壓縮，氣體被做功所以改變量就大。

三、循環過程卡諾循環

1．循環過程：

系統經過一系列狀態變化

過程又回到原狀態。

2．卡諾循環：1824年法國工程師卡諾提出

在兩個溫度恒定的熱源之間循環（一高、一低）

其中包括兩個絕熱過程與兩個等溫過程。

研究過程只取絕對值：

說明：

（1）完成一次卡諾循環必須有高溫與低溫兩個熱源；

（2）效率只有熱源溫度有關。兩個溫度差值越大，從高溫熱源吸收的熱量利用價值越大；

（3）效率始終小于1。

按反方向循環，從低溫吸取熱量，則產生致冷效果：

致冷系數：

卡諾機的致冷系數四、熱力學第二定律

1．兩個表述：

開爾文表述（開氏表述）：不可能從單一熱源吸取熱量，使它完全變為有用功而不引起其它變化。

說明：1）其它變化：指熱源和作功對象以外的物體的變化。

2）從一個熱源吸熱并將熱量全部變為有用功的熱機（效率=100%），稱做第二類永動機。它不同于第一類永動機，因為它不違反熱力學第一定律。有人計算過，如果能制造第二類永動機，使它從海水這一單一熱源吸熱而完全變為有用功，那么海水的溫度只要降低0.01K，所做的功就可供全世界所有工廠一千多年之用。但是由熱力學第二定律知，第二類永動機是一種幻想。因此開爾文表述可等價說成“第二類永動機是不可能制造出來的?！?/p>

3）開氏說法并不是說熱量不能完全變成功，只是說在不引起其它變化的情況下，熱量不能完全變成有用功。如：氣缸中理想氣體等溫膨脹時,氣體從熱源吸熱，熱量全部用來對外界作功，但此時氣體的體積增加了，氣體不能回到原狀態，這就是其它變化。

克勞修斯表述（克氏表述）：熱量不能自動地從低溫物體傳到高溫物體。

注意：克氏說法并不是說熱量不能從低溫物體傳到高溫物體，而是不能自動地傳到高溫物體。如：致冷機，在外界對系統做功的情況下，低溫物體才能向高溫物體傳熱，但是這種熱傳導不是自動的，是在外界做功條件下進行的。

2．證明這兩個是相同的

假設開爾文敘述不成立，亦即允許有一循環可以只從高溫熱源T1取得熱量Q1，并把它全部轉

變為功。這樣利用一個逆卡諾循環接受這些功，使它從低溫熱源T2取得熱量Q2，輸出熱量Q1+Q2給高溫熱源。所得的結果是外辦沒有對它做功而它卻把熱量Q2從低溫熱源傳給了高溫熱源。這也就說明開爾文敘述不成立，則克勞修斯敘述也不成立。五、可逆過程不可逆過程卡諾定理

一個過程，每一步都可能在相反的方向進行而在外界不引起其他變化，這個過程叫做可逆過程，否則稱為不可逆過程。

1．可逆過程：如：無摩擦的準靜態過程。

不可逆過程：如：熱傳導、功熱轉換、氣體自由膨脹、擴散等。

結論：一切與熱現象有關的實際過程都是不可逆的。

2．卡諾定理

（1）在同樣高低溫熱源（高為T1，低為T2）之間工作的一切可逆機，不論用什么工作物，效率都第于（1-T2/T1）

（2）在同樣高低溫熱源之間工作的一切不可逆機的效率，不可能高于可逆機，即六、熵玻耳茲曼關系

1．熵

直白的講熵是從狀態1

變為狀態2的結果，這個變

化與過程無關。

在可逆卡諾機中，有

2．自由膨脹不可逆

原因：熵變不為0

3．玻耳茲曼關系

W為熱力學概率，表示熱運動無序性的程度七、熵增加原理熱力學第二定律的統計意義