科数网
学习
高中数学
高中物理
微积分
线性代数
概率论
人工智能
赞助本站
在线教程
高中物理
热学
日期:
2024-01-09 08:26
查看:
111
次
编辑
导出本文
热学
19 世纪 30 年代, 人们逐渐认识到, 为了使系统的热力学状态发生变化, 既可以向它传热, 也可以对它做功。从 1840 年开始, 英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验,以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响,以及功与热的相互关系。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。 焦耳的实验 在焦耳研究功与热等效性的许多实验中, 有两个最具代表性。一个是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水, 引起水温上升; 另一个是通过电流的热效应给水加热。 ![图片](/uploads/2024-01/image_202401099471f53.png) 实验 1 如图 3.1-1, 用绝热性能良好的材料制作容器,容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动, 搅拌容器中的水, 水由于摩擦而温度上升。 ![图片](/uploads/2024-01/image_20240109604213a.png) 在这个过程中, 系统不从外界吸热, 也不向外界放热,这样的过程叫作绝热过程 (adiabatic process)。 焦耳的多次实验测量表明, 尽管各次悬挂重物的质量不同, 下落的高度也不一样, 但只要重力所做的功相同,容器内水温上升的数值都是相同的, 即系统状态的变化是相同的。 实验 2 如图 3.1-2, 让正在下降的重物带动发电机发电, 电流通过浸在液体中的电阻丝, 由电流的热效应给液体加热, 使液体温度上升。 多次实验结果表明, 对于同一个系统, 如果过程是绝热的,那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短, 只要所做的电功相等, 则系统温度上升的数值是相同的,即系统的状态就发生了同样的变化。 焦耳的这些实验表明, 在各种不同的绝热过程中, 如果使系统从状态 1 变为状态 2 , 所需外界做功的数量是相同的。也就是说, 要使系统状态通过绝热过程发生变化,做功的数量只由过程始末两个状态 $1 、 2$ 决定, 而与做功的方式无关。那么, 必定存在一个描述系统状态的物理量, 这个物理量的变化与做功相关。例如, 在力学中, 重力做的功仅由物体的起点和终点两个位置决定, 而与物体的运动路径无关。根据这一事实人们认识到, 物体具有重力势能。物体在两个位置间的重力势能之差等于物体在这 两个位置间移动时重力所做的功。 与此类似, 在热力学系统的绝热过程中, 外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定, 不依赖于做功的具体过程和方式。这就使我们认识到, 任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量, 这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度, 所以这个物理量必定是系统的一种能量, 我们把它称为系统的内能。 ## 功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中, 当系统从状态 1 经过绝热过程达到状态 2 时 (图 3.1-3), 内能的变化量 $$ \Delta U=U_2-U_1 $$ 它就等于外界对系统所做的功 $W$, 即 $$ \Delta U=W $$ 可见, 在绝热过程中, 外界对系统做功, 系统的内能增加; 系统对外做功, 系统的内能减少。 一般来说, 如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短, 系统与外界交换的热量就很少, 即系统与外界来不及交换热量, 这样的过程若不计传递的热, 可以看成绝热过程。本节 “问题” 栏目中的实验就是这样的过程:迅速压下活塞,引火仪筒内气体被压缩,体积变小,外界对气体做了功, 内能增加, 温度升高。当温度达到易燃物的燃点时, 易燃物发生自燃。 ![图片](/uploads/2024-01/image_202401093261bcb.png)
子目录
1. 热力学第一定律
2. 热力学第二定律
上一篇:
分子动理论与气体固体液体
下一篇:
原子结构和波粒二象性
本文对您是否有用?
有用
(
0
)
无用
(
0
)
赞助我们
0
篇笔记
写笔记
更多笔记
提交笔记