“不引起其他變化”的條件。 如果沒有這個條件，熱量就可以從低溫物體傳遞到高溫物體。 二、熱力學(xué)第二定律的兩個表達(dá)式 1、開爾文表達(dá)式：不可能從單一熱源吸收熱量，使其完全轉(zhuǎn)化為有用功而不引起其他變化。 開爾文表達(dá)式也可以簡單地描述為功不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚駝t第二種永動機是不可能的。 “不引起其他變化”是條件。 如果沒有這個條件，熱量就可以全部轉(zhuǎn)化為功。 這種永動機并不違反熱力學(xué)第一定律。 它可以利用大氣或海洋作為單一熱源，可以吸收幾乎取之不竭的熱量而做功。 2.克勞修斯指出：不可以將熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化。 克勞修斯表達(dá)式的等價表達(dá)是：熱傳遞是不可逆的。 熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)是指出：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的。 熱力學(xué)第二定律可以用多種方式表達(dá)，但可以證明這些表達(dá)式是等價的。 自然過程的不可逆轉(zhuǎn)性導(dǎo)致樹葉永遠(yuǎn)掉落，水也無法回收； 欲復(fù)興，難矣；欲復(fù)興，難矣。 若欲破鏡熱力學(xué) 物理學(xué)家，無緣重逢；若欲破鏡，無緣重逢； 人生容易老去，返老還童只是幻想； 生米和熟米沒有辦法恢復(fù)。 大多數(shù)自然現(xiàn)象、歷史和人類都是不可逆轉(zhuǎn)的。 生態(tài)環(huán)境的變化是不可逆轉(zhuǎn)的。 本課小結(jié)： 1.復(fù)習(xí)了正向循環(huán)（熱機循環(huán)）和反向循環(huán)（冰箱循環(huán)）的概念； 2.討論了熱力學(xué)第二定律的兩種表達(dá)式； 3.采用反證法證明了熱力學(xué)第二定律兩個表達(dá)式的等價性； 4、闡明了熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)。
家庭作業(yè)：1.5； 1.6； 1.7. §1.6 卡諾定理的應(yīng)用 1. 熱力學(xué)溫標(biāo)可逆卡諾循環(huán)的熱機效率與工質(zhì)特性無關(guān)。 當(dāng)該循環(huán)在具有經(jīng)驗溫度 t1 和 t2 的兩個熱源之間工作時 當(dāng)該循環(huán)在具有經(jīng)驗溫度 t2 和 t3 的兩個熱源之間工作時。 當(dāng)循環(huán)在經(jīng)驗溫度為t1和t3的兩個熱源之間工作時，函數(shù)的形式與溫標(biāo)的選擇有關(guān)。 現(xiàn)在選擇一個溫標(biāo)。 ，來表示溫標(biāo)測量的溫度，并以純水的三相點為標(biāo)準(zhǔn)溫度點，嚴(yán)格定義其溫度為273.16K ** 熱力學(xué)與統(tǒng)計物理講師：范建中 主要參考書目及文獻(xiàn)1.馬本坤等，《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》，高等教育出版社，1980年9月第1版。 2. 王志成，《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》，高等教育出版社，2003年3月第3版。 3. 彭匡鼎，李相如等.，熱力學(xué)與統(tǒng)計物理實例與練習(xí)，高等教育出版社，第1版，1989年8月。 4. 苗勝清，王碧和，熱力學(xué)與統(tǒng)計物理，安徽教育出版社，1986年7月第1版。 5. 李紅銀等。 ，《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》，河南大學(xué)出版社，1988年7月第1版。 6. F.瑞福著，周世勛等譯，《統(tǒng)計物理》，科學(xué)出版社，1979年9月第1版。 7. Л.Д 撰寫。 和EM ，楊訓(xùn)凱譯，《統(tǒng)計物理》，人民教育出版社，1964年7月，第一版。 8. W. 、L. Ness、H. Stork，《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》，北京大學(xué)出版社，第 1 版，2001 年 12 月。 9. 馮宇光等，《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理概論》，中國科學(xué)技術(shù)出版社，第 1 版，1993 年 6 月版。 10. 范建忠，《熱力學(xué)與統(tǒng)計物理》，科技文獻(xiàn)出版社，2005年7月。第一版簡介。 熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論。 它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是從能量的轉(zhuǎn)化開始。 以大量實踐總結(jié)出的若干基本宏觀規(guī)律為基礎(chǔ)，運用嚴(yán)格的邏輯推理而形成的一整套熱現(xiàn)象理論。
正如偉大的物理學(xué)家愛因斯坦所指出的：“熱力學(xué)使用的是分析方法，而不是合成方法。構(gòu)成其基礎(chǔ)和起點的元素不是用假設(shè)構(gòu)建的，而是在經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)的。它們是自然過程的普遍特征。” ，即原理。 “統(tǒng)計物理學(xué)是研究熱運動的微觀理論。 它從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，以微觀粒子所遵循的力學(xué)定律為基礎(chǔ)，然后利用概率統(tǒng)計的方法進行計算。 系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)及其變化規(guī)律。 諾貝爾獎獲得者中國物理學(xué)家李政道認(rèn)為：“統(tǒng)計物理學(xué)是理論物理學(xué)中最完美的學(xué)科之一，因為它的基本假設(shè)很簡單，但它的應(yīng)用卻很廣泛。物理學(xué)研究的目的是探索自然的基本原理，這基本原理簡單，其數(shù)學(xué)表達(dá)不一定復(fù)雜，但其研究領(lǐng)域一定很廣泛，而統(tǒng)計物理就具備這個特點。” 第一章熱力學(xué)基本定律§1.1 熱力學(xué)。 基本概念一：熱力學(xué)系統(tǒng)與外部世界熱力學(xué)的研究對象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。 它是由大量微觀粒子（可以是原子、分子、電子，也可以是場等特殊物質(zhì)）組成的有限的宏觀物體。 它的特點是時間和空間的宏觀尺度以及巨大的自由度。
根據(jù)系統(tǒng)各部分的物理、化學(xué)等性質(zhì)是否均勻，可將系統(tǒng)分為均勻系統(tǒng)和非均勻系統(tǒng)兩類。 與系統(tǒng)互連的所有周圍對象或?qū)ο蠼M稱為系統(tǒng)的外部世界，或簡稱為外部世界。 外界可以概括為對所研究的系統(tǒng)施加的一定的外部條件（如壓力、溫度、電磁場等），外界對系統(tǒng)的影響可以用外部條件來表示。 1、孤立系統(tǒng)：不與外界交互的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。 此時系統(tǒng)與外界既沒有能量也沒有物質(zhì)交換。 2、封閉系統(tǒng)：不與外界交換物質(zhì)但進行能量交換的系統(tǒng)稱為封閉系統(tǒng)。 3、開放系統(tǒng)：不與外界進行物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)稱為封閉系統(tǒng)，簡稱開放系統(tǒng)。 熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)由表征系統(tǒng)宏觀物理性質(zhì)的宏觀參數(shù)來描述。 這種用宏觀參數(shù)描述的狀態(tài)稱為熱力學(xué)狀態(tài)或宏觀狀態(tài)，相應(yīng)的宏觀參數(shù)稱為狀態(tài)參數(shù)。 熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)完全由一些獨立的物理量決定。 系統(tǒng)的狀態(tài)可以通過這些物理量的連續(xù)函數(shù)來描述，例如簡單系統(tǒng)的自由能F(T,V)。 當(dāng)系統(tǒng)的溫度T和體積V確定后，系統(tǒng)的狀態(tài)就完全確定了。 狀態(tài)參數(shù)可分為內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。 內(nèi)部參數(shù)代表系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。 例如物理資源網(wǎng)，氣體的溫度、密度、介質(zhì)的極化強度等都是內(nèi)參； 外部參數(shù)代表系統(tǒng)外部世界的狀態(tài)，或者是施加在系統(tǒng)上的外部條件，例如容器的體積以及作用在系統(tǒng)上的電場和磁場的強度等，它們都是外部的參數(shù)。
狀態(tài)參數(shù)根據(jù)與系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)系也可分為廣延量和強度量兩類。 在同一狀態(tài)下，與系統(tǒng)質(zhì)量成正比的狀態(tài)參數(shù)稱為廣延量，如粒子數(shù)、體積、內(nèi)能等； 與系統(tǒng)質(zhì)量無關(guān)的狀態(tài)參數(shù)稱為強度量，如溫度、壓力、密度等。兩個熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)描述了三種平衡態(tài)和非平衡態(tài)。 孤立系統(tǒng)所達(dá)到的不再隨時間變化的狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡狀態(tài)，簡稱平衡狀態(tài)。 不滿足上述條件的狀態(tài)稱為非平衡狀態(tài)。 熱力學(xué)平衡狀態(tài)具有以下特點： 1、當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，雖然其宏觀性質(zhì)不再隨時間變化，但組成系統(tǒng)的大量微觀粒子仍然在不斷運動。 這只是這些微觀粒子運動的平均效果。 只是沒有改變。 因此，熱力學(xué)平衡狀態(tài)是一種動態(tài)平衡，通常稱為熱力學(xué)平衡。 2、均衡是一個理想化的概念，是一定條件下對實際情況的抽象和概括。 例如，在短時間內(nèi)，狀態(tài)變化極其緩慢的系統(tǒng)狀態(tài)可以視為平衡狀態(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)時，可以采用局部平衡法來近似，即將系統(tǒng)劃分為許多更小的部分，每個部分本身近似處于平衡狀態(tài)。 3、在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的宏觀量的值仍然會波動。 但對于宏觀系統(tǒng)來說，波動極小，一般情況下可以忽略不計。 4、當(dāng)系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡時，系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)不隨時間變化，系統(tǒng)內(nèi)部不發(fā)生宏觀物理過程（如熱傳導(dǎo)、擴散等）。
對于封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)來說，只要有不斷的外部作用，系統(tǒng)在一定時間后就能達(dá)到其宏觀性質(zhì)不隨時間變化，但系統(tǒng)內(nèi)部仍然存在宏觀物理過程的狀態(tài)。 系統(tǒng)的這種狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，而是穩(wěn)定狀態(tài)。 5、孤立系統(tǒng)從某種非平衡狀態(tài)開始，直到達(dá)到孤立系統(tǒng)應(yīng)有的平衡狀態(tài)所需的時間稱為弛豫時間，用符號τ表示。 其長度由系統(tǒng)的性質(zhì)和弛豫機制決定。 非平衡態(tài)可分為近平衡態(tài)和遠(yuǎn)平衡態(tài)兩種非平衡態(tài)。 前者稱為線性非平衡狀態(tài)，其變化趨于平衡。 這是一般熱力學(xué)中討論的非平衡問題。 后者稱為非線性非平衡態(tài)，由于遠(yuǎn)離平衡態(tài)而形成新的結(jié)構(gòu)，即耗散結(jié)構(gòu)。 這是比利時布魯塞爾學(xué)派的普里戈金于1969年提出的新概念。 6、當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)具有一定的狀態(tài)參數(shù)，宏觀上它們處處相同，不發(fā)生宏觀物理過程（僅存在是熱運動）； 當(dāng)系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)沒有確定的狀態(tài)參數(shù)，宏觀上處處不同，發(fā)生宏觀物理過程（定向輸運過程）； 當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)有確定的狀態(tài)參數(shù)，宏觀上各處不同，發(fā)生宏觀物理過程（定向輸運過程）； 在一定的平衡狀態(tài)下，描述熱力學(xué)系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)所滿足的函數(shù)關(guān)系，稱為狀態(tài)方程。
①理想氣體的狀態(tài)方程pV=nRT 其中n為理想氣體的摩爾數(shù)，R為通用氣體常數(shù)，R=8.31 J/K﹒ mol，NA 是阿伏加德羅常數(shù)，k 是玻爾茲曼常數(shù)。 ② 范德韋爾斯方程四狀態(tài)方程 對于氣體、液體和各向同性固體等不受外力場影響的均勻系統(tǒng)，狀態(tài)方程可表示為 f(T, p, V)=0 1. 方程氣體的狀態(tài)方程： ③氣體系統(tǒng)較準(zhǔn)確的狀態(tài)方程是Onnes方程，其中A、B、C、D分別稱為第一、第二、第三。 ...維里()系數(shù)。 當(dāng)壓力趨于零時，上式應(yīng)過渡到理想氣體狀態(tài)方程，故第一維里系數(shù)A=RT。 其他維里系數(shù)可以通過實驗確定。 這些維里系數(shù)是溫度的函數(shù)，與氣體的性質(zhì)無關(guān)。 2、簡單固體和液體（均勻、各向同性）的狀態(tài)方程為V0為壓力p=0時的體積，T=T0，T0為常數(shù)。 α和κ的值很小，在一定溫度范圍內(nèi)可以近似視為常數(shù)。 3. 介電固體的狀態(tài)方程 當(dāng)均勻的電介質(zhì)置于電場中時，會發(fā)生極化。 極化過程中電介質(zhì)的體積變化很小。 當(dāng)溫度不太低時，均質(zhì)電介質(zhì)的狀態(tài)方程為： P 為電極化強度，E 為電場強度，a、b 為常數(shù) 4、順磁性固體的狀態(tài)方程 當(dāng)順磁性固體時置于磁場中，會發(fā)生磁化。
在通常的實驗中，磁化過程是在一個大氣壓下進行的，因此壓力是恒定的，并且只有很小的體積變化。 在高溫和弱磁場下，順磁固體的狀態(tài)方程為： 式中，m為磁化強度，H為磁場強度，a為與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。 上式也稱為居里定律。 5. 物質(zhì) 與狀態(tài)方程相關(guān)的三個系數(shù)是定壓膨脹系數(shù)、定容壓力系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)，可以從循環(huán)關(guān)系式中得到[例1]。 分別用實驗測得的某種氣體體系的等壓膨脹系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)，其中a為常數(shù)，求出該氣體的狀態(tài)方程。 【解】以T和P為自變量，則V=V(T,p)。 兩邊同時乘以p，對兩邊積分得到方程。 與理想氣體狀態(tài)方程比較，可得 6。熱力學(xué)過程使系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間發(fā)生變化。 所經(jīng)歷的變化稱為熱力學(xué)過程，或簡稱為過程。 1.準(zhǔn)靜態(tài)過程和非靜態(tài)過程如果過程進行得非常緩慢，使得系統(tǒng)在過程中所經(jīng)歷的每一個狀態(tài)都可以視為平衡狀態(tài)，這樣的過程稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程。 反之，如果在過程中系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被破壞到不可忽視的程度，這樣的過程稱為非靜態(tài)過程。 通常，準(zhǔn)靜態(tài)過程也稱為平衡過程，非靜態(tài)過程也稱為非平衡過程。 無限緩慢進行的過程 (Δt>>τ) 是準(zhǔn)靜態(tài)過程。 2、可逆過程和不可逆過程假設(shè)一個系統(tǒng)從狀態(tài)A經(jīng)過某個過程P到達(dá)狀態(tài)B，如果我們能找到另一個過程R，它可以將一切恢復(fù)到原來的狀態(tài)（系統(tǒng)和外界都回到原來的狀態(tài)） ），則過程P稱為可逆過程； 反之，如果找不到滿足上述條件的過程R，則稱過程P為不可逆過程。
無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程 §1.2 熱力學(xué)與溫度第零定律 如果任意兩個系統(tǒng)同時與第三個系統(tǒng)處于熱平衡，則這兩個系統(tǒng)必定處于熱平衡。 這種熱平衡的可傳遞性被稱為熱力學(xué)第零定律。 1.熱力學(xué)第零定律。 溫度是熱力學(xué)系統(tǒng)的獨特狀態(tài)參數(shù)。 2.溫度（系統(tǒng)I和II達(dá)到熱平衡）（系統(tǒng)II和III處于熱平衡）（系統(tǒng)I和III處于熱平衡）I和II都與III達(dá)到熱平衡函數(shù)。 t代表系統(tǒng)的溫度。 溫度是表示相互接觸的一個系統(tǒng)和另一個系統(tǒng)是否處于熱平衡的物理量。 I Ⅱ ⅢⅢⅠ 圖1-2 若Ⅰ～Ⅱ且Ⅱ～Ⅲ，則Ⅰ～Ⅲ。 （表示處于熱平衡狀態(tài)，如圖1-2） 3、溫標(biāo)和溫度計經(jīng)驗溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)（0～100℃）、華氏溫標(biāo)（32～212℉） 理想氣體溫度標(biāo)度：純水的三相點溫度規(guī)定為Ttr=273.16K。 ptr 表示溫度計內(nèi)氣體在三相點的壓力。 當(dāng)溫度計內(nèi)氣體的壓力為p時，用線性關(guān)系規(guī)定此時的氣體溫度是各種氣體在壓力趨于零的極限條件下所決定的趨勢。 一個常見的極限溫度，這個極限溫標(biāo)稱為理想氣體溫標(biāo)。 單位是開爾文，用K表示，其大小與攝氏度相同。 熱力學(xué)溫標(biāo)是完全獨立于任何測溫物質(zhì)和性質(zhì)的溫標(biāo)。 它是根據(jù)熱力學(xué)第二定律引入的溫標(biāo)。
歷史上，是開爾文首先提出的，也稱為開爾文溫標(biāo)。 由這個溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，用T表示。理想氣體溫標(biāo)的原點（零度）就是熱力學(xué)溫標(biāo)的原點，稱為絕對零。 熱力學(xué)溫度與攝氏溫度之間的關(guān)系為 §1.3 熱力學(xué)第一定律 1. 準(zhǔn)靜態(tài)過程中的功表達(dá)。 1、體積變化所做的功和外界對系統(tǒng)所做的功為如果過程是準(zhǔn)靜態(tài)的，活塞的摩擦阻力可以忽略不計，那么W的大小就是活塞的面積pV 圖上準(zhǔn)靜態(tài)過程曲線下的陰影面積。 系統(tǒng)對外所做的功是。 在非靜態(tài)過程中，外界對系統(tǒng)所做的功仍然等于外部壓力和活塞。 位移的乘積，但是2。液面膜面積變化所做的功如圖1-5所示。 將液面膜拉伸在金屬框架上。 長度為l的金屬絲可以自由移動。 液膜的表面張力系數(shù)為σ金屬絲。 當(dāng)dx準(zhǔn)靜態(tài)移動時，外界對液面膜所做的功為3。磁介質(zhì)被磁化所做的功如圖1-6所示。 假設(shè)磁介質(zhì)的長度為l，橫截面積為S，匝數(shù)為N。 線圈，并且認(rèn)為磁介質(zhì)的長度遠(yuǎn)大于直徑。 當(dāng)接通電源時，當(dāng)改變電流的大小使磁介質(zhì)中的磁場發(fā)生變化時，線圈中就會產(chǎn)生一個反電動勢V，外部電源必須克服這個反電動勢才能執(zhí)行功，可以近似認(rèn)為介質(zhì)中的磁場和磁化強度是均勻的。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，安培環(huán)路定律中，m為磁化強度，μ0為真空磁導(dǎo)率。 如果以磁介質(zhì)為研究對象，則在準(zhǔn)靜態(tài)磁化過程中，磁介質(zhì)上的外磁化功為： 式中，M=Vm 為磁介質(zhì)的總磁矩。 4、電介質(zhì)極化所做的功當(dāng)外電場E使電介質(zhì)極化時，如圖1-7所示，當(dāng)外電場E使電介質(zhì)極化時，隨著電場E的變化，總電矩電介質(zhì)的 P 值也會發(fā)生變化。 令增量為 dP。 如果僅以電介質(zhì)作為研究對象，那么外部電場對電介質(zhì)所做的功就是準(zhǔn)靜態(tài)過程中外界對系統(tǒng)所做的基本功。 一般可以表示為 其中yi 稱為決定系統(tǒng)狀態(tài)（如體積V、面積A、磁矩M、電矩P 等）的廣義坐標(biāo)，Yi 稱為對應(yīng)的廣義力yi（如壓力-p、表面張力系數(shù)σ、磁場強度H、電場強度E等）。 傳熱：系統(tǒng)與外界之間不做任何宏觀功而傳遞熱量的過程 2.熱量的表示 熱量：熱交換過程中系統(tǒng)與外界之間傳遞的熱量 能量的計量： 熱容： In在一定過程中，當(dāng)系統(tǒng)溫度升高（或降低）1K時，系統(tǒng)吸收（或釋放）的熱容量與質(zhì)量成正比，因此是一個廣延量。 熱容的單位是定體積熱容、定壓熱容、比熱容的計算公式3、內(nèi)能的表示方法在一個過程中，如果系統(tǒng)狀態(tài)的變化完全是由于直接的機械或電的作用而沒有任何其他作用影響，該過程稱為絕熱過程。 絕熱過程 過程中外界對系統(tǒng)所做的功只與初態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與過程所經(jīng)過的路徑無關(guān)。 絕熱過程中外界對系統(tǒng)所做的功W用來表示最終狀態(tài)B與初始狀態(tài)A之間的狀態(tài)函數(shù)U。其差函數(shù)U稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。 內(nèi)能是一個廣泛的量。 系統(tǒng)的內(nèi)能是系統(tǒng)中微觀粒子無規(guī)則運動的動能與粒子間相互作用的勢能之和。 采用局部平衡的方法。 ，內(nèi)能的概念也可以擴展到非平衡狀態(tài)的系統(tǒng)。 系統(tǒng)的內(nèi)能等于各局部子系統(tǒng)的內(nèi)能之和，可表示為 1. 絕熱過程 2. 焦耳實驗結(jié)論 3. 系統(tǒng)經(jīng)過初始狀態(tài) A 和終態(tài)后的內(nèi)能B給定，可以有無窮多個絕熱過程來完成這種狀態(tài)的變化。 所有這些過程（包括非靜態(tài)絕熱過程）中外界對系統(tǒng)所做的功是相等的。 第一熱力學(xué)積分定律的公式為4。 熱力學(xué)第一定律。 如果系統(tǒng)沒有經(jīng)歷絕熱過程，那么在此過程中外界對系統(tǒng)所做的功不等于內(nèi)能的增加。 兩者之差就是系統(tǒng)吸收的熱量，即無窮大。 小型準(zhǔn)靜態(tài)過程中熱力學(xué)第一定律的微分表達(dá)式。 熱力學(xué)第一定律的微分表達(dá)式對于絕熱系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)有：當(dāng)孤立系統(tǒng)中發(fā)生各種過程時，能量可以在子系統(tǒng)之間傳遞，但整個孤立系統(tǒng)的內(nèi)能是守恒的，即能量轉(zhuǎn)換和守恒定律。 當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷循環(huán)過程時，內(nèi)能不發(fā)生變化。 這意味著系統(tǒng)通過循環(huán)過程所做的功等于它吸收的熱量。 如果外界沒有熱量的供應(yīng)，系統(tǒng)就無法對外做功。 熱力學(xué)第一定律也可以表達(dá)為第一類永動機是不可能制造出來的。 §1.4 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用 1. 熱容與內(nèi)能的關(guān)系 對于簡單的均勻氣體系統(tǒng)，在沒有外場的情況下，可以用 p、V、T 三個參數(shù)來描述狀態(tài)系統(tǒng)的。 在體積恒定的情況下，dV=0，則有熱力學(xué)第一定律，加上等壓條件dp=0，我們可以得到兩個，理想氣體的內(nèi)能1.焦耳定律或著名的自由膨脹焦耳實驗將理想氣體引入真空，證實對于理想氣體，在一定溫度范圍內(nèi)，由理想氣體狀態(tài)方程求得，由CV、Cp和γ給出。 它可以被視為一個常數(shù)，因此積分得到 3. 理想氣體的多邊形過程。 當(dāng)理想氣體系統(tǒng)經(jīng)過一定的過程時，假設(shè)其熱容為C，由熱力學(xué)第一定律即可求得。 對理想氣體狀態(tài)方程兩邊求導(dǎo)，令多邊形指數(shù)為多邊形。 過程方程 = 常數(shù) 0 絕熱過程 PV = 常數(shù) 1 ±∞ 等溫過程 0 V = 常數(shù) ±∞ 等容過程 P = 常數(shù) 0 等壓過程 系統(tǒng)對外界做功 過程方程多項式索引 z 熱容量項目 1698 英國 , 獨立1705年發(fā)明了蒸汽機，主要用于礦井抽水。 當(dāng)時效率非常低。
1765年，瓦特在修理紐科門蒸汽機的基礎(chǔ)上，對蒸汽機進行了重大改進，將凝汽器與汽缸分離，發(fā)明了曲軸和齒輪傳動裝置、離心調(diào)速器等，使蒸汽機現(xiàn)代化，大大提高了蒸汽機的效率。 效率使蒸汽機成為當(dāng)時普遍適合工業(yè)生產(chǎn)的通用原動機，但當(dāng)時的效率只有3%左右。 熱機的發(fā)明和使用是18世紀(jì)中葉開始的第一次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一。 熱機的研究促進了熱力學(xué)的快速發(fā)展。 與熱力學(xué)相關(guān)的循環(huán)過程的研究是熱力學(xué)第一定律的輝煌成就。 為了提高熱機效率而進行的卡諾循環(huán)研究，對于熱力學(xué)第二定律的建立也起到了關(guān)鍵作用。 熱機發(fā)展簡介 §1.5 熱力學(xué)第二定律 1. 熱機與循環(huán) 1. 正向循環(huán)：循環(huán)過程的方向為順時針方向。 當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)一周時，將從高溫?zé)嵩次誕1的熱量，并將Q2的熱量釋放到低溫?zé)嵩础?同時，系統(tǒng)輸出的凈功為W′=Q1-Q2，其值等于pV圖上循環(huán)曲線所圍成的面積。 正循環(huán)可以對外界做正功，是熱機的循環(huán)。 熱機的效率為p VAB 圖1-9 系統(tǒng)從初始狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列中間狀態(tài)，最后回到初始狀態(tài)的過程稱為循環(huán)過程。 如果循環(huán)過程是無耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程，則循環(huán)過程是可逆的； 如果循環(huán)過程是非靜態(tài)過程或耗散過程，則循環(huán)過程是不可逆的。 相應(yīng)的熱機分別稱為可逆熱機和不可逆熱機。 熱機是一種能連續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的機器。 0.46 燃?xì)廨啓C 0.07 熱電偶 0.08 蒸汽機車 0.25 汽油機 0.37 柴油機 0.48 液體燃料火箭效率熱機 目前蒸汽機主要用于發(fā)電廠。
除蒸汽機外，熱機還包括內(nèi)燃機、噴氣機等，雖然它們的工作方式和效率不同，但其工作原理基本相同，都是不斷地將熱量轉(zhuǎn)化為功。 幾種設(shè)備的效率如下： 循環(huán)過程的方向為逆時針方向。 當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)一個周期時，會從低溫?zé)嵩次諢崃縌2，并向高溫?zé)嵩瘁尫艧崃縌1。 同時，系統(tǒng)對外所做的功為W=Q1-Q2，其值等于pV圖上循環(huán)曲線所圍成的面積。 逆循環(huán)是外界對系統(tǒng)做正功熱力學(xué) 物理學(xué)家，是冰箱的一個循環(huán)。 其循環(huán)效率就是冰箱的制冷系數(shù)。制冷系數(shù)為2，逆循環(huán)：冰箱的循環(huán)就是冰箱的循環(huán)。 其工作原理如圖所示。 壓縮機冷凝器（減壓蒸發(fā)）冰柜Q1 Q2 W = Q1-Q2節(jié)氣門閥烘干機2， Cycle和 1. Cycle可逆 循環(huán)是一個循環(huán)過程，由兩個等溫度過程和兩個完美的過程組成如圖1-12所示。 AB過程是一個等溫過程，系統(tǒng)吸收的熱量為1）在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g起作用的所有可逆熱發(fā)動機都具有相同的效率，無論工作實質(zhì)如何， IS（2）在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g起作用的所有不可逆的熱發(fā)動機，在相同條件下，加熱發(fā)動機的效率小于可逆熱發(fā)動機的效率。 也就是說，定理的提議清楚地表明，理想的熱發(fā)動機效率的上限不是1，而是理想的熱發(fā)動機的效率。 ①提高熱溫發(fā)動機溫度差的高溫和低溫?zé)嵩吹男剩? ②減少熱發(fā)動機每個部分的耗散因子。 提高熱發(fā)動機效率的有效方法是：低溫?zé)嵩吹臏囟葻o法降低，因此唯一的方法是增加高溫?zé)嵩吹臏囟炔p少耗散因子。