第四章 熱力學(xué)基礎(chǔ)

　　本章研究的也是物質(zhì)熱現(xiàn)象和熱運(yùn)動(dòng)的學(xué)科，但熱力學(xué)主要是從能量觀點(diǎn)出發(fā)分析研究在物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化過程中有關(guān)熱功轉(zhuǎn)換的關(guān)系和條件。因此要把握住能量這個(gè)主線，分析能量轉(zhuǎn)化和傳遞時(shí)所遵循的規(guī)律。

　　這一章主要講的是兩個(gè)定律：熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。

　　第一部分：熱力學(xué)第一定律

　　一、功與熱量（領(lǐng)會(huì)概念）

　　先理解一下“熱力學(xué)系統(tǒng)”這個(gè)概念，就是指在熱力學(xué)中研究的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的物體（氣、液、固都可以）。

　　功和熱都是一種“過程量”，也就是說，功只是在作功才有意義，熱量也只有傳遞時(shí)才有意義。我們不能說這個(gè)系統(tǒng)擁有多少“功或熱量”，只能說，這個(gè)系統(tǒng)對(duì)外作了多少功或傳遞了多少熱量。

　　要注意的是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)具有一定的內(nèi)能，雖然它與功和熱量的單位相同，但這是一個(gè)狀態(tài)量，也就是說，它與過程無關(guān)。即使不作功，它也是存在和有意義的。

　　二、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能

　　內(nèi)能的概念（領(lǐng)會(huì)）：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，在其處于一定狀態(tài)時(shí)，具有一定的能量，這個(gè)能量就是熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能（如上一章講到的氣體所具有的內(nèi)能，這從微觀上講是由分子熱運(yùn)動(dòng)形成的）

　　熱力學(xué)第一定律（綜合應(yīng)用）

　　熱力學(xué)系統(tǒng)在從平衡狀態(tài)1向平衡狀態(tài)2的變化中，外界對(duì)系統(tǒng)所作的功W'和外界傳給系統(tǒng)的熱量Q二者之和是恒定的，等于系統(tǒng)內(nèi)能的改變E2E1。用簡(jiǎn)單的表述可以這樣理解：系統(tǒng)的吸熱等于內(nèi)能增量與對(duì)外所作功的和。即 Q=E2E1+W （這個(gè)公式的各種變換形式應(yīng)十分熟悉，總的一條，就是能量應(yīng)該守恒，一個(gè)系統(tǒng)不可能產(chǎn)生能量，也不會(huì)消滅能量）

　　所謂“第一類永動(dòng)機(jī)”就是不需要外界能量供給卻能不斷對(duì)外做功的機(jī)器，這相當(dāng)于上面公式中的dQ=0，而（dE+dW）不為0.這是不可能實(shí)現(xiàn)的。

　　三、平衡過程中功、熱量和內(nèi)能增量的計(jì)算（綜合應(yīng)用）

　　這一節(jié)就是對(duì)上面定律的細(xì)分解作計(jì)算，根據(jù)三個(gè)計(jì)算公式，應(yīng)能對(duì)“平衡過程”中各個(gè)參量進(jìn)行求解。

　　平衡過程：就是指系統(tǒng)所經(jīng)歷的中間狀態(tài)都無限接近于平衡狀態(tài)的變化過程。平衡狀態(tài)就是指在系統(tǒng)內(nèi)體積一定，溫度和壓強(qiáng)處處相等的狀態(tài)。平衡過程就是指在變化過程中，每一個(gè)中間狀態(tài)都表現(xiàn)為一定體積，溫度和壓強(qiáng)處處相等的無限接近狀態(tài)，當(dāng)然這是理想情形。

　　平衡過程中功的計(jì)算：功就是沿著力的方向上力的大小與距離的乘積。用氣體推活塞的過程來推導(dǎo)出熱力學(xué)系統(tǒng)對(duì)外界所做的功為：

　　這個(gè)公式對(duì)氣液固態(tài)系統(tǒng)均適用。

　　平衡過程中熱量的計(jì)算：

　　這里涉及到一個(gè)摩爾熱容量的定義，即1摩爾物質(zhì)溫度升高（或降低）1度時(shí)所吸收（或放出）的熱量，用C表示，單位是J/（mol.K）。（我們以前學(xué)過一個(gè)“比熱容”的概念，其意義相同，只是所用單位不同）

　　計(jì)算熱量的普遍公式是：

　　對(duì)于氣體，更有實(shí)際意義的是定壓摩爾熱容量和定容摩爾熱容量，分別用Cp和Cv表示，也就是加上一個(gè)條件，即在壓強(qiáng)不變或體積不變時(shí)的摩爾熱容量。只要用相應(yīng)熱容量代入上式就可得到相應(yīng)的等壓過程或等容過程吸收的熱量值。

　　內(nèi)能增量的計(jì)算：

　　我們已經(jīng)知道理想氣體內(nèi)能的計(jì)算方法，其增量就是用末量減去初量。這個(gè)增量也是與過程無關(guān)的。對(duì)一定量的氣體，它只是兩個(gè)狀態(tài)溫度差的函數(shù)即

　　對(duì)PV圖應(yīng)能達(dá)到會(huì)作圖的要求。

　　四、熱力學(xué)定律對(duì)理想氣體等值過程的應(yīng)用（綜合應(yīng)用）

　　所謂等值過程就是在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，有一個(gè)狀態(tài)參量保持不變的過程。

　　等容過程：即體積保持不變的加熱或冷卻過程。這個(gè)過程中，氣體不做功，即 Qv=E2E1，因此

　　這個(gè)公式雖是從等容過程中推導(dǎo)出來的，但它適用于任何過程，因?yàn)槔硐霘怏w的內(nèi)能變化只與溫度的增量ΔT有關(guān)。