熱學(xué)緒論.講義課件

1、熱學(xué)緒論第1頁，共37頁。一、什么是熱學(xué)？ 熱學(xué)是研究有關(guān)物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)（熱現(xiàn)象）以及與熱相聯(lián)系的各種規(guī)律的科學(xué)。 是經(jīng)典物理學(xué)的四大柱石之一。熱物理學(xué)的研究對(duì)象 是由數(shù)量很大的微觀粒子所組成的系統(tǒng)。第2頁，共37頁。單個(gè)分子 無序、具有偶然性、遵循力學(xué)規(guī)律.研究對(duì)象的特征整體（大量分子） 服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律 . 宏觀量：表示大量分子集體特征的物理量（可直接測(cè)量）, 如 等 . 微觀量：描述個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量（不可直接測(cè)量），如分子的 等 .宏觀量微觀量統(tǒng)計(jì)平均第3頁，共37頁。 熱學(xué)研究方法2. 熱力學(xué) 宏觀描述 實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)， 給出宏觀物體熱現(xiàn)象的規(guī)律，從能量觀點(diǎn)出發(fā)，分析研究物態(tài)變化過程中

2、熱功轉(zhuǎn)換的關(guān)系和條件 .兩種方法的關(guān)系氣體動(dòng)理論熱力學(xué)相輔相成1. 氣體動(dòng)理論 微觀描述 研究大量數(shù)目的熱運(yùn)動(dòng)的粒子系統(tǒng)，應(yīng)用模型假設(shè)和統(tǒng)計(jì)方法 .第4頁，共37頁。二、熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史熱學(xué)的發(fā)展史實(shí)際上就是熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的發(fā)展史，可以劃分為以下幾個(gè)大的時(shí)期。二.17世紀(jì)末19世紀(jì)初 積累了大量的實(shí)驗(yàn)和觀察事實(shí)，為熱力學(xué)理論的建立作了準(zhǔn)備。特別是十九世紀(jì)初出現(xiàn)的熱機(jī)理論和熱功當(dāng)量原理已經(jīng)包含了熱力學(xué)的基本思想。一.遠(yuǎn)古17世紀(jì)末 主要是關(guān)于對(duì)“熱本質(zhì)”的定性猜想。第5頁，共37頁。三.19世紀(jì)20世紀(jì)初 熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)都獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，由彼此的相互隔絕到后來的互相結(jié)合，最終導(dǎo)致了統(tǒng)計(jì)熱力

3、學(xué)的產(chǎn)生。 非平衡態(tài)理論還很不完善，有待繼續(xù)研究和發(fā)展。希望大家學(xué)好本專業(yè)理論，打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，為熱學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展作出貢獻(xiàn)！四.20世紀(jì)初以后這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)了大量統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和非平衡態(tài)理論。形成了現(xiàn)代理論物理學(xué)最重要的一部分。第6頁，共37頁。1 平衡態(tài) 狀態(tài)參量一、平衡態(tài)： 在不受外界影響的條件下，宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。1、熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)： 孤立系統(tǒng)最終達(dá)到的所有宏觀性質(zhì)都不隨時(shí)間變化的狀態(tài)第7頁，共37頁。真空孤立系統(tǒng)*第8頁，共37頁。2、說明：(1)“孤立系統(tǒng)”-統(tǒng)與外界無物質(zhì)、能量交換;(2) 是一種理想狀態(tài);(3) 動(dòng)態(tài)平衡(熱動(dòng)平衡)； (4)處于平衡態(tài)的系統(tǒng)須同時(shí)滿足三種

4、平衡條件： 力學(xué)平衡、熱平衡、化學(xué)平衡。(5)平衡態(tài)不同于穩(wěn)恒態(tài)；第9頁，共37頁。1. 定義: 描述系統(tǒng)宏觀性質(zhì)或狀態(tài)的(可由實(shí)驗(yàn) 測(cè)定的)量.是描述平衡態(tài)性質(zhì)的物理量。狀態(tài)參量的選擇由系統(tǒng)本身的性質(zhì)決定.完整描述熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)，須引入 一個(gè)熱學(xué)參量-溫度一定體積內(nèi)單一成分的氣體，在平衡態(tài)下，忽略重力，用溫度，體積，壓強(qiáng)來描述。3 . 說明:二、狀態(tài)參量2. 常見的狀態(tài)參量:力學(xué)參量：幾何參量：化學(xué)參量：電磁參量：E, B第10頁，共37頁。1.熱平衡 A (p1,v1) B (p2,v2)絕熱壁 A(p1,v1) B(p2,v2)導(dǎo)熱壁兩個(gè)系統(tǒng)用剛性壁隔開2 溫度一、熱力學(xué)第零定律第1

5、1頁，共37頁。熱平衡 兩個(gè)系統(tǒng)在熱接觸時(shí),通過熱交換實(shí)現(xiàn)新的平衡,這種平衡稱為熱平衡. 熱接觸 通過導(dǎo)熱壁相互接觸的兩個(gè)系統(tǒng)，它們之間會(huì)發(fā)生熱傳遞，這種接觸稱為熱接觸。 有時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)接觸后，它們的狀態(tài)都不發(fā)生變化，說明它們?cè)诮佑|前就已達(dá)到了熱平衡。即：熱平衡的概念還可用于兩個(gè)不發(fā)生熱接觸的系統(tǒng)。第12頁，共37頁。CABA、B分別與C達(dá)到熱平衡CABA、B也達(dá)到熱平衡2.熱力學(xué)第零定律: 如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡,則這兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)彼此也必定處于熱平衡.（也稱熱平衡定律）第13頁，共37頁。3. 溫度的概念 處于同一熱平衡態(tài)的所有熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的

6、宏觀性質(zhì)，這個(gè)決定系統(tǒng)熱平衡宏觀性質(zhì)的物理量就是-溫度。說明:1、一切互為熱平衡的物體都具有相同的溫度；2、熱接觸只為熱平衡的建立創(chuàng)造了條件；3、宏觀上，溫度是物體冷熱程度的量度；4、從微觀角度，溫度是組成系統(tǒng)的大量微觀粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈程度的反映。第14頁，共37頁。溫度的數(shù)值表示法叫做 溫標(biāo)1、 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)建立經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的三要素:1.) 選擇物質(zhì)的某一隨溫度變化的屬性來標(biāo)志溫度. 測(cè)溫物質(zhì) 測(cè)溫參量測(cè) 溫 質(zhì)：用來確立溫標(biāo)的一種特定物質(zhì)測(cè)溫屬性：測(cè)溫質(zhì)的某一隨溫度變化的屬性測(cè)溫參量：表示測(cè)溫屬性的物理量二、溫標(biāo)第15頁，共37頁。規(guī)定測(cè)溫參量隨溫度的變化關(guān)系:表示測(cè)溫參量溫度計(jì)與被測(cè)系統(tǒng)達(dá)到熱

7、平衡時(shí)的溫度值如果規(guī)定 與 成正比，令： 測(cè)溫參量為X的同一溫度計(jì)所測(cè)定的兩個(gè)物體的溫度之比跟這兩個(gè)溫度所對(duì)應(yīng)的X值之比相等。第16頁，共37頁。選定固定點(diǎn):-保溫瓶:=:=. -冰水混合物-溫度計(jì)-純水-純 冰-水蒸汽水的三相點(diǎn)裝置1954年以后，國(guó)際上規(guī)定水的三相點(diǎn)為固定點(diǎn)-標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)對(duì)于任何溫度計(jì)都有：第17頁，共37頁。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo): 利用特定測(cè)溫物質(zhì)的特定測(cè)溫屬性建立的溫標(biāo)統(tǒng)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。溫 度 計(jì) : 按照經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)測(cè)量溫度的儀器. 討 論： 測(cè)溫屬性必須隨溫度的改變發(fā)生單調(diào)的、顯著的變化; 不同的溫度計(jì)測(cè)量同一對(duì)象時(shí)結(jié)果不同,是由于不同物質(zhì)的不同（或同一）測(cè)溫屬性隨溫度的變化關(guān)系不同.

8、第18頁，共37頁。2. 理想氣體溫標(biāo) 在各種溫度計(jì)中，除了固定點(diǎn)的溫度讀數(shù)相同外，其他各點(diǎn)溫度的讀數(shù)均有差異； 氣體溫度計(jì)之間的這種差異較??； 當(dāng)溫度計(jì)中的氣體減少因而它的壓強(qiáng)減小時(shí)，不同氣體溫度計(jì)讀數(shù)之間的差異也隨之減小。由此看來，低壓氣體溫度計(jì)比較符合標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的要求。第19頁，共37頁。氣體溫度計(jì): 有兩種測(cè)溫參量: 壓強(qiáng)P 關(guān)系: 固定點(diǎn): 水的三相點(diǎn)273.16K,測(cè)溫參量: 體積V 關(guān)系:固定點(diǎn): 水的三相點(diǎn)273.16K,定容氣體溫度計(jì)（標(biāo)度法）定壓氣體溫度計(jì)（標(biāo)度法）第20頁，共37頁。理想氣體溫標(biāo):hMercuryfixedPa實(shí)驗(yàn)：用各種定體氣體溫度計(jì)測(cè)量水的汽點(diǎn)（冰點(diǎn)）

9、溫度，其讀數(shù)的差異隨著 的減小而減小。第21頁，共37頁。Ptr/(133.3224Pa)373.00373.15374.002004006008001000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空氣TP373.15K大量實(shí)驗(yàn)表明：無論用什么氣體測(cè)溫，也不論是定體或定壓氣體溫度計(jì)，在氣體壓強(qiáng)趨近于零時(shí)，它們對(duì)同一測(cè)溫對(duì)象所測(cè)定的溫度都趨近于一個(gè)共同的極限值。在壓強(qiáng)極低的極限情況下，氣體溫標(biāo)只取決于氣體的共性，與特定氣體的個(gè)性無關(guān)。第22頁，共37頁。理想氣體溫標(biāo)根據(jù)氣體壓強(qiáng)趨近于零的極限情況下所遵循的普遍規(guī)律建立的溫標(biāo)叫做理想氣體溫標(biāo)。單 位標(biāo)度法（定體）（定壓）說明理想氣體溫標(biāo)不依賴于

10、氣體的個(gè)性,但 有賴 于氣體的共性; 對(duì)于極低溫 (氣體液化點(diǎn)以下) 和高溫 (1000C以上)不適用。第23頁，共37頁。3. 熱力學(xué)溫標(biāo)攝氏溫標(biāo): ( C )固定點(diǎn)：汽點(diǎn)（100 C）、冰點(diǎn)（0 C ）測(cè)溫關(guān)系：華氏溫標(biāo)( F )固定點(diǎn)：冰水混合物溫度（32度）、 大氣壓下水的沸點(diǎn)（212度 ）第24頁，共37頁。熱力學(xué)溫標(biāo): T ( K )開爾文是一種不依賴于測(cè)溫物質(zhì)和測(cè)溫屬性的溫標(biāo),建立在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，是一種理論溫標(biāo)1）1K等于水的三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度 的1/273.16;2）可證明在理想氣體溫標(biāo)有效范圍內(nèi)，熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)完全一致。3） t = T 273.15第25

11、頁，共37頁。汽點(diǎn)三相點(diǎn)冰點(diǎn)絕對(duì)零度英美等國(guó)使用671.67491.69491.67 0TRR蘭氏溫標(biāo)英美等國(guó)使用212.0032.0232.00-459.67tFF華氏溫標(biāo)國(guó)際通用100.000.010.00-273.15tC攝氏溫標(biāo)國(guó)際通用 T=T373.15273.16273.15 0TK熱力學(xué)溫度通用情況與熱力學(xué)溫度的關(guān)系固定點(diǎn)的溫度值符號(hào)單位溫度第26頁，共37頁。實(shí)用溫度計(jì)簡(jiǎn)介膨脹測(cè)溫法：玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)壓力測(cè)溫法：壓力表式溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)電磁學(xué)測(cè)溫法：電阻溫度計(jì)、溫差熱電偶溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫 度計(jì)、頻率溫度計(jì)輻射測(cè)溫法聲學(xué)測(cè)溫法：聲學(xué)溫度計(jì)4. 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) 為克服

12、氣體溫度計(jì)使用的繁復(fù)及統(tǒng)一各國(guó)溫標(biāo)自1927年起，經(jīng)多次修改，國(guó)際上規(guī)定 的一種實(shí)用溫標(biāo)，現(xiàn)為1990國(guó)際溫標(biāo): ITS (International Temperature Scale)第27頁，共37頁。3 氣體的物態(tài)方程一、理想氣體的物態(tài)方程 1、玻意耳定律 當(dāng)一定質(zhì)量氣體的溫度保持不變，它的壓強(qiáng)和體積的乘積是一個(gè)常量。 P V = C T 不變第28頁，共37頁。2. 理想氣體的狀態(tài)方程 1）1mol 理想氣體：2）任意質(zhì)量理想氣體：3）變形運(yùn)用：第29頁，共37頁。3、普適氣體常量R不論何種氣體，也不論溫度如何，當(dāng)壓強(qiáng)趨近于零時(shí)，量 都趨向于一個(gè)共同的值，這個(gè)極限值被定義為普適氣體常

13、量 R第30頁，共37頁。4.混合理想氣體的狀態(tài)方程道爾頓分壓定律:混合氣體的總壓強(qiáng)，等于各組分的分壓強(qiáng)之和.說明: 1 ) 分壓強(qiáng): 某組分摩爾數(shù)不變,以化 學(xué)純狀態(tài)處在與混合氣體的溫度, 體積相同條件下的壓強(qiáng); 2 ) 只適用于理想氣體.第31頁，共37頁?；旌侠硐霘怏w狀態(tài)方程:討論: 1. 平均摩爾質(zhì)量2. 質(zhì)量百分比,體積百分比,摩爾百分比:（體積百分比是指每種組分單獨(dú)處在與混合氣體有相同壓強(qiáng)和溫度下的體積占混合氣體總體積的百分比。）第32頁，共37頁。 已知空氣中幾種主要成分的體積百分比是: 氮?dú)?8% , 氧氣21% , 氬氣1% . (1) 求空氣的平均摩爾質(zhì)量; (2) 試求空氣中這些成分的質(zhì)量百分比； （3） 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各組分的分壓強(qiáng)； （4） 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各組