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第三讲热力学基本定律讲授内容:教科书§1.5-6学时:4教学方法:结合课件中的文字、画图和简单动画进行讲授;通过习题课熟悉如何按定义计算熵。教学目的:使学生掌握热力学第二定律、内能和熵的微观本质和一般性质,认识作功与传热在微观机理上的差别。掌握熵判据及其应用,明确热力学温度定义。教学重点:不可逆性的微观诠释和熵的微观本质教学难点:熵作为系统微观状态不确定性的量度是不易深入理解的,我们先从数学上引进不确定性,然后求其统计平均值,突破了这一难点。。教学过程:(课件标题字幕)一热力学第一定律:(70分钟)(字幕)1热力学第一定律定性表述:(字幕)热力学第一定律是在十九世纪焦耳所做大量试验基础上总结出来的,是能量守恒与转化定律在热现象方面的体现。焦耳的试验结果证明了机械能、电能与内能之间的转化满足守恒关系。(字幕)(焦耳、亥姆霍兹照片)(焦耳实验动画)此后,能量守恒与转化定律已被公认是自然界的一个普遍规律。该定律的一般表述为:自然界一切物质都具有能量能量具有各种不同的形式彼此可以相互转化,能量可以在不同物体之间传递在转化或传递过程中其数量不变(字幕)。在历史上曾经有过许多设计试图制造不需供给能量而又不断对外作功的机器,即所谓第一种永动机,这显然是违背能量守恒与转化定律的。所以,热力学第一定律又可表述为第一种永动机是不可能的。(字幕)2内能功热量:(字幕)对物质的结构和相互作用没有足够了解之前,人们曾把能量分为机械能和非机械能,后者又分为电磁能、热能等等。现代物理学家则把能量分为动能和各种相互作用的势能。由大量微观粒子组成的系统,其内部各种粒子的动能与各种相互作用势能的总和的统计平均值称为系统的内能。(字幕)理想的孤立系统与外界没有相互作用,它的内能是恒定的。封闭系统与外界没有物质交换,其内能因系统与外界的相互作用而可能发生变化。系统与外界之间的相互作用从根本上说虽然都是由系统内部粒子与外界粒子广义的之间的相互作用形成的但因宏观表现形式不同,而分为两大类。系统内外粒子间通过相互作用交换能量,其总的平均效果如果表现为宏观上的机械或电磁的相互作用,人们称此过程为作功,所传递的能量称为功(字幕)。在力学中功的最简计算公式是力×位移,按照这个模式可以把各种作功过程中某些具有‘力’的性质的宏观强度量如压强、表面张力系数、电场强度、磁场强度等称为广义力,把系统的某些宏观广延量的变化如体积、表面面积、电介质总电矩、磁介质总磁矩等的变化称为广义位移,从而将各种功一般地表达为广义力×广义位移(字幕)。系统内外粒子间通过相互作用交换能量,其总的平均效果若不能宏观地表示为广义力×广义位移,则称此过程为传热,所传递的能量称为热量(字幕)。通过传热只能在同一物体的不同部分或在不同物体之间进行能量的传递;通过作功不仅能够传递能量,还可以实现不同形式能量之间的相互转化。3内能的热力学定义:(字幕)纯粹作功而绝无热传递的过程称为绝热过程。(字幕)在能量守恒与转化定律未被认知之前,焦耳通过大量实验发现,用各种不同的绝热过程使同一物体的温度发生同样的变化,所需的功在实验误差容许范围内是相等的。这些实验表明,在绝热过程中外界对系统所作的功仅取决于系统(字幕)因此人们可以用外界对系统所作的功W的初态A和末态B,与过程无关。给内能下一个热力学定义:系统存在一个态函数叫做内能,在绝热过程中外界对系统所作的功等于系统内能的增加。(字幕)即UBUAW(字幕)上式只给出初、末两态内能之差,由它定义的内能其数值具有相对性,可以象处理重力势能那样,视解决问题的方便而选择某一状态为标准,作为计算内能的起点。实际上,在解决各类问题时,既没有必要也没有可能把系统内部的各种动能与势能都计算出来,采用上式给出的内能定义是很实用的。4可逆过程中的功(字幕)4.1可逆过程中功的一般表达式:(字幕)如果闭系处于平衡时可由温度和外参量x描述,根据内能作为统计平均值的计算公式,系统从初态T、x经可逆无穷小变化达到末态TdT、xdx,系统内能的变化应为(字幕)dUsPsdEssEsdPs(字幕)注意上式给出的内能变化是由宏观参量T和x的变化引起的Es是外参量x例如体积的函数,故ESdESdxx(字幕)考虑到上式ESPSdESPSdxXdxssx(字幕)其中X为系统所受的与外参量x相应的广义力,在可逆过程中它是系统宏观状态参量的函数。Xdx则为外界对系统所作的功,即WXdx(字幕)4.2可逆与不可逆过程功的比较:(字幕)在不可逆过程中,一般情况下,外界对系统所做的功满足不等式WXdx(字幕)上面两式的差别可以这样来解释:从微观上看,在一个无穷小过程中外界对系统作的功,是在系统的概率分布不变的情况下,由广义位移引起的系统能级变化使系统增加的那部分能量。根据量子力学,对系统的任何微小扰动例如系统的外参量——体积发生变