朱卫华《大学物理》热学课件

大学物理热学热学是物理学的重要分支研究温度、热量和能量转换等相关概念通过学习大,学物理热学我们可以深入理解自然界中热现象并应用热学原理解决实际问题,,热量和温度热量温度热量是一种形式的能量当物体的温度改变时会发生热量的转移温度是衡量物体热量多少的标准用于描述物体的热状态温度的,,,热量可以从高温物体传递到低温物体直到两者达到热平衡高低决定了热量的流动方向高温物体会将热量传递给低温物体,,热平衡和热传导热平衡传热方式当一个系统达到热平衡时其内部各部分的温度相等不再产生热量的交换除了热传导热量还可以通过辐射和对流的方式在物质之间传播三种传,,,这是热力学第一定律的基础热方式各有特点广泛应用于工程实践中,123热传导热量通过分子碰撞和电子传导的方式在物质内部传播这就是热传导不,同物质的热传导系数不同热量的热电转换热电发电机热电制冷热电效应原理热电发电机利用热量直接转换为电能无需热电材料通过热电效应可实现制冷广泛应热电效应是指当存在温度差时导体或半导,,,中间转换步骤效率较高它们广泛应用于用于汽车、电子设备和医疗设备的制冷这体中会产生电势差这种热量直接转换为电,工业、交通和日常生活中种制冷方式无噪音、无振动且体积小能的过程在热电发电和热电制冷中得到广泛应用热量的热力学转换热能转化为其他形式的能量热力学定律的应用热能转化效率热能可以通过热机等装置转化为机械能、电热力学第一定律和第二定律规定了热量转化热能转化过程存在能量损失热机的热力学,能等其他形式的能量这个过程遵循热力学的规律是热能转化应用的基础效率是最重要的性能指标之一,定律理想气体的状态方程气体状态变量波义耳定律12理想气体的状态由压强、体积气体的压强与体积成反比温度,和温度三个变量决定它们之恒定时压强与体积的乘积为常,间满足特定的状态方程数查理定律理想气体状态方程34气体的体积与绝对温度成正比将波义耳定律和查理定律结合,,压强恒定时体积与温度的比值可得到理想气体状态方程,:PV为常数=nRT理想气体的等温过程等温过程定义压力与体积的关系能量转换分析在等温过程中气体的温度保持恒定只有气体的压力和体积成反比遵循布依耳定等温过程中气体吸收或释放的热量恰好,,,,压力和体积发生变化律常数等于它做的功内能不变:PV=,理想气体的等压过程体积增加1在等压过程中，气体的体积会随温度的升高而增加温度升高2加热使气体分子动能增加，从而使温度上升内能增加3温度升高导致气体内能增加在理想气体的等压过程中，随着温度的升高，气体的体积会线性增加，而内能也会相应增加这种特性使得等压过程在很多工程应用中得到广泛使用，比如汽车发动机的工作过程理想气体的等容过程体积不变1理想气体在等容过程中其体积保持不变,压力变化2当温度升高时气体压力会相应增加,内能变化3根据热力学第一定律内能随温度的升高而增加,在理想气体的等容过程中气体体积保持不变但温度和压力会随之发生变化随着温度的升高气体压力也会相应增加同时气体的内能也会,,,,增加这种过程广泛应用于工程领域如汽车发动机中的气缸内燃料燃烧过程,理想气体的绝热过程热量恒定1绝热过程中没有热量交换体积变化2气体体积随压力变化而变化温度变化3温度随压力变化而变化在绝热条件下理想气体的体积和温度会随着压力的变化而变化这是由于在绝热过程中气体内部没有热量交换所以内能的变化只能来自,,,于外部功的做功因此压力的降低会导致体积的增大和温度的降低,热机的原理和效率热机的基本原理热机的热效率影响热效率的因素热机利用热量做功的原理将热能转化热机的热效率是指热机转换热能为机械热机的热效率受工作物质、工作温度、,为机械能是热力学第二定律的应用能的效率是一个重要指标压缩比等因素的影响需要综合考虑,,,卡诺循环吸热过程1在高温下从热源吸收热量，使工质温度升高这是卡诺循环的第一个过程等温膨胀2工质在恒温条件下做功温度保持不变这是卡诺循环的第二个过程,放热过程3在低温下向冷源释放热量使工质温度降低这是卡诺循环的第三个过程,等温压缩4工质在恒温条件下吸收外加功温度保持不变这是卡诺循环的第四个过程,熵的定义和热力学第二定律熵的定义热力学第二定律不可逆过程熵是描述系统无序程度的物理量熵越高，热量自发地从高温物体流向低温物体熵必热量的自发传播是一个不可逆的过程会导,,系统无序程度越大定增加这是热力学的基本规律致熵的增加熵增加定律热力学第二定律熵增加原理根据热力学第二定律热量自发地从高温流向低温熵必然增加这熵增加定律阐述了自然界的演化趋势从有序走向无序从集中走,,-,意味着一个封闭系统内的无序程度总是趋于增加向分散从集中能量走向分散能量这是宇宙演化的客观规律,相变和相图物质在不同的温度和压力条件下可以发生相变从固态、液态和气,态之间转换相图可以直观地表示物质的相变过程例如水的相,图显示了冰、液态水和水蒸气之间的相互转化关系相图对于理解和预测各种物质的相变行为非常重要在工业生产、,物质制备等诸多领域都有广泛应用液体的表面张力和毛细现象表面张力毛细现象测量表面张力液体表面分子之间的相互吸引力形成了表面由于表面张力的作用液体能在毛细管中自可以通过测量一滴液体在毛细管中的高度或,张力使液体表面能够抵抗外力作用这种发上升或下降这就是毛细现象毛细现象液体悬垂滴的大小等方法来测量液体的表面,,表面张力在许多自然现象和工业应用中扮演在植物吸水、油墨笔工作等过程中起重要作张力表面张力大小反映了液体分子间的相重要角色用互作用强度理想气体分子的热运动热运动的特点热运动的表现形式12理想气体分子存在快速随机的分子的热运动包括平动、转动热运动这种热运动是分子的固和振动三种形式体现了分子的,,有属性多自由度特性热运动的统计描述热运动动能的分布34分子热运动的统计规律可以用分子热运动动能服从麦克斯韦-温度、压强和分子动能等宏观玻尔兹曼分布动能均分定律成,物理量来描述立气体分子的平均运动速度300500600m/s m/s m/s氧气分子在室温下的平均运动速度氮气分子在室温下的平均运动速度氢气分子在室温下的平均运动速度气体分子的平均运动速度取决于温度和分子量温度越高分子动能越大平均运动速度越快质量较小的气体分子如氢气平均运动速度也,,,,更快这些高速运动的分子相互碰撞产生了气体的压强,分子动理论与气体压强压力产生的原因压强的计算公式气体分子随机运动时不断撞击容根据分子动理论气体压强等于单,器壁产生了气体压强分子数量位面积上分子平均冲量与时间的,越多撞击次数越频繁气体压强越乘积这种关系可以推导出气体,,大压强的数学表达式压强的影响因素气体压强与分子数密度、温度和平均分子速度等因素有关通过调整这些参数可以控制气体的压强,分子动理论与气体内能气体分子的内能内能的计算内能与温度的关系内能与压力的关系根据分子动理论气体分子具气体的内能可以通过测量温度气体内能随温度升高而增加气体压力的增大会导致分子间,,有三种形式的内能动能、势和压力的变化来计算内能的这是因为分子的动能和势能都距离减小势能增加从而使内:,,能和旋转能这些内能形式随变化与气体分子的平均动能和随温度上升而增大内能变化能增加内能的变化反映了气气体温度和压力的变化而变化势能有关是热量传递的依据体热力学性质的变化分子动理论与热容内能与温度气体分子的内能与温度成正比温度升高分子运动更快内能增加,,分子间能量交换分子之间频繁碰撞不断交换动能和势能导致气体整体温度变化,,热容与分子自由度气体热容随分子自由度增加而增大二原子分子有个自由度，热容更大5分子动理论与气体扩散热运动下的分子扩散扩散过程与温度关系根据分子动理论气体分子在热运气体分子扩散的速度与温度成正,动中不断碰撞并扩散这导致了气比温度越高分子热运动越剧烈,,,,体浓度和压强在空间上的均匀分扩散越快布扩散对气体性质的影响气体分子的扩散过程导致了气体内能、压强、温度等性质在空间上的均匀分布分子碰撞与分子统计分子碰撞分子动理论与气体压力分子统计规律分子在热运动中会频繁地发生碰撞这些碰分子动理论可以解释气体的压强来源于分子分子的随机热运动遵循统计规律可以用概,,撞会改变分子的速度和方向从而影响整个的热运动和碰撞从而更好地理解气体的性率统计的方法描述分子速度分布、碰撞频率,,气体系统的宏观性质质等性质分子动理论与辐射辐射的产生黑体辐射12根据分子动理论原子和分子的理想的黑体能够完全吸收所有,热运动会产生电磁辐射称为热入射的辐射并以最大强度发射,,辐射热辐射的波长和强度取热辐射普朗克提出了黑体辐决于物质的温度射定律描述了辐射强度与波长,的关系热辐射特性3分子动理论可解释热辐射的吸收、发射和传播等特性为理解热辐射提供,了基础黑体辐射与普朗克定律能量辐射光谱特性普朗克定律黑体是一种理想的热辐射体，能够完全吸收黑体辐射的光谱特性由温度决定，较高温度普朗克通过量子理论解释了黑体辐射的光谱所有入射的电磁辐射下辐射更蓝，较低温度下辐射更红分布，奠定了量子论的基础热电转换与热电效应热电转换热电海白夫效应热电转换是通过热电效应将热能当两个不同的导电材料接触并形直接转换为电能的过程这种技成回路时如果两个接触点的温度,术可以用于发电、制冷和温度测不同就会产生电势差这就是热电,,量海白夫效应热电汤姆逊效应当电流通过温度梯度的导体时会产生热流或冷却效应这就是热电汤姆逊效,,应这可用于热电制冷半导体的热电效应塞贝克效应皮尔效应12当半导体两端存在温差时会当在半导体材料中通电时一,,产生电压差这种现象称为塞端会吸收热量另一端会释放,,贝克效应热量这就是皮尔效应,汤姆逊效应热电制冷34当半导体材料在温差和电流共利用半导体的热电效应可以制同作用下会产生热吸收或释造温度差从而实现制冷的功,,放这称为汤姆逊效应能,固体材料的热传导热导率影响因素应用举例测量方法固体材料的热传导能力用热导影响材料热导率的主要因素包高热导率的金属材料广泛应用测量固体材料热导率常用的方率来表示它是描述材料导热括材料的孔隙度、晶体结构、于散热器、热交换器等领域法包括平板法、线热源法和激,;性能的重要物理量热导率越杂质含量以及温度合理选择低热导率的陶瓷、木材等常用光闪热法等通过仪器测量可高材料的导热性越好原料和制备工艺可以优化材料于保温隔热以准确获得材料的热传导性能,的热传导性能数据固体材料的热膨胀金属的热膨胀陶瓷的热膨胀聚合物的热膨胀金属材料在受热时会发生热膨胀其长度、陶瓷材料的热膨胀系数通常较小这使它们聚合物材料的热膨胀系数通常较大需要在,,,体积会随温度升高而增大这是由于金属原更容易抵抗温度变化造成的形状变形这种设计时充分考虑温度对其尺寸的影响合理子热运动加剧原子间距增大所致了解金特性使陶瓷材料适用于需要高温承受能力的利用聚合物热膨胀特性对工程应用很有帮助,属热膨胀性质对工程制造很重要工程应用热辐射的基本概念太阳辐射太阳是一个黑体它通过辐射方式向四周发射热量和光能,热辐射热辐射是热能以电磁波形式自身传播的过程是热传导和对流之外的第三种热传递方式,黑体辐射理想的黑体在给定温度下辐射的最大辐射强度就是黑体辐射热辐射的吸收和发射热辐射的吸收热辐射的发射物体表面能够吸收来自其他物体的热辐射吸收率取决于物体的根据普朗克定律物体表面会自发地发出热辐射发射率取决于物,材料和表面性质颜色较暗的物体通常吸收率较高而颜色较浅的体的材料和表面性质颜色较暗的物体通常发射率较高而颜色较,,物体吸收率较低浅的物体发射率较低。