《熱學(xué)》電子教案

《熱學(xué)》電子教案面向物理學(xué)本科學(xué)生主講：馮尚申

1熱學(xué)內(nèi)容圖析總論量熱與量溫?zé)醾鬟f的一般規(guī)律熱力學(xué)平衡態(tài)的特征及充要條件熱力學(xué)第零定律、溫度和溫標(biāo)理想氣體定律和狀態(tài)方程熱學(xué)發(fā)展規(guī)律簡史研究對象及方法熱力學(xué)基礎(chǔ)（宏觀理論）分子運(yùn)動論（微觀理論）熱學(xué)理論的應(yīng)用（物性學(xué)）1、熱力學(xué)第一定律；2、熱力學(xué)第二定律；3、熱機(jī)。1、分子運(yùn)動論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)及基本論點(diǎn)；2、理想氣體分子運(yùn)動的規(guī)律（平衡態(tài)）；3、理想氣體內(nèi)遷移規(guī)律（非平衡態(tài)）。1、實(shí)際氣體、液體、固體的基本性質(zhì)；2、一級相變特征及基本規(guī)律。2古希臘（公元前611—430年）四元素說：萬物是由土、水、火、氣四種元素在數(shù)量上不同比例的配合組成的。我國殷商時期五行學(xué)說：金、木、水、火、土是構(gòu)成世界萬物的五種基本元素，稱為五行。中國古代提出的元?dú)庹f，就認(rèn)為熱（火）是物質(zhì)元?dú)饩凵⒆兓谋憩F(xiàn)。3伽利略溫度計16世紀(jì)(明)

從鉆木取火到商周的青銅器

4瓦特早期蒸汽機(jī)清初561807年嘉慶12年71823年道光3年

81892年同治18年(仿哥窯五彩)91.官窯:南宋2.定窯:宋,河北曲陽3,汝窯:宋,河南寶豐4,哥窯:南宋,浙江龍泉5,均窯:宋,河南禹縣五大名窯:10主要參考書目目：成績考核：平時作業(yè)10%、課堂討討論10%、、期中占20%、期期末占60%秦允豪，《熱熱學(xué)》（第二二版），高等等教育出版社社，2006趙凱華等，《《熱學(xué)》，高高等教育出版版社，2005黃淑清等，《《熱學(xué)教程程》，高等教教育出版社，，2003李椿等，《熱熱學(xué)》，高等等教育出版社社，2004王竹溪，熱力力學(xué)，北京大大學(xué)出版社，，2005張玉民等，《《熱學(xué)》，科科學(xué)出版社，，2006李洪芳，《熱熱學(xué)》，復(fù)旦旦大學(xué)出版社社，2001包科達(dá)，《熱熱物理學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)》，高等教教育出版社，，2001Serway&Faughn,CollegePhysics(SixthEdition),清清華大學(xué)出版版社，200510、SearsandZemanskys,UniversityPhysics(第10版)（上上冊），機(jī)械工業(yè)出版版社，200311、王楚等等，熱學(xué)（基基礎(chǔ)物理教程程面向21世紀(jì)課程教教材），200312、梁紹紹榮等，普通通物理學(xué)，第第二卷，高等等教育出版社社，200611第一章導(dǎo)導(dǎo)論§1.1宏觀描述方法法與微觀描述述方法一、熱學(xué)的研研究對象及其其特點(diǎn)熱物理學(xué)是研究有關(guān)物物質(zhì)的熱運(yùn)動動以及與熱相相聯(lián)系的各種種規(guī)律的科學(xué)學(xué)。熱現(xiàn)象：這些與溫度有有關(guān)的物理性性質(zhì)的變化。。熱學(xué)研究對象象：所有與熱相聯(lián)聯(lián)系的現(xiàn)象。特點(diǎn)：熱物理學(xué)研究究的是由數(shù)量量很大的微觀觀粒子所組成成的系統(tǒng)。大數(shù)粒子：我們把數(shù)量級級達(dá)到宏觀系系統(tǒng)量級的粒粒子。12二、宏觀描述述方法與微觀觀描述方法1、宏觀描述方法法：熱力學(xué)方方法熱力學(xué)：由觀察和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)總結(jié)出來的的熱現(xiàn)象規(guī)律律，構(gòu)成熱現(xiàn)現(xiàn)象的宏觀理理論，叫做熱力學(xué)。熱力學(xué)方法的的優(yōu)點(diǎn)：熱力學(xué)基本定定律是自然界界中的普適規(guī)規(guī)律，只要在在數(shù)學(xué)推理過過程中不加上上其它假設(shè)，，這些結(jié)論也也具有同樣的的可靠性與普普遍性。熱力學(xué)的局限限性：1、它只適用于粒粒子數(shù)很多的的宏觀系統(tǒng)；；2、它主要研研究物質(zhì)在平平衡態(tài)下的性性質(zhì)，它不能能解答系統(tǒng)如如何從非平衡衡態(tài)進(jìn)入平衡衡態(tài)的過程；；3、它把物質(zhì)質(zhì)看成為連續(xù)續(xù)體，不考慮慮物質(zhì)的微觀觀結(jié)構(gòu)132、微觀描述述過程：統(tǒng)計計物理學(xué)統(tǒng)計物理學(xué)則是熱物理學(xué)學(xué)的微觀描述述方法，它從從物質(zhì)由大數(shù)數(shù)分子、原子子組成的前提提出發(fā)，運(yùn)用用統(tǒng)計的方法法，把宏觀性性質(zhì)看作由微微觀粒子熱運(yùn)運(yùn)動的統(tǒng)計平平均值所決定定，由此找出出微觀量與宏宏觀量之間的的關(guān)系。微觀描述方法法的局限性：：在于它在數(shù)學(xué)學(xué)上遇到很大大的困難，由由此而作出簡簡化假設(shè)（微微觀模型）后后所得的理論論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)不能完全符符合。3、熱物理學(xué)學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)統(tǒng)計物理學(xué)的的初步知識液體、固體、、相變等物性性學(xué)14§1.2熱熱力學(xué)學(xué)系統(tǒng)的平衡衡態(tài)一、熱力學(xué)系系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)（（簡稱系統(tǒng)））：被確定為研究究對象的物體體或物體系，，或熱學(xué)所研研究的對象。。孤立系統(tǒng)：與外界既不交交換物質(zhì)又不不交換能量的的系統(tǒng)外界：系統(tǒng)邊邊界外外部封閉系系統(tǒng)：：與外界界不交交換物物質(zhì)但但可交交換能能量的的系統(tǒng)統(tǒng)開放系系統(tǒng)：：與外界界既交交換物物質(zhì)又又交換換能量量的系系統(tǒng)熱力學(xué)學(xué)與力力學(xué)的的區(qū)別別熱力學(xué)學(xué)參量量：壓壓強(qiáng)、、體積積、溫溫度等等熱力學(xué)學(xué)的目目的：：基于于熱力力學(xué)的的基本本定律律力學(xué)的的目的的：基基于牛牛頓定定律（（力學(xué)學(xué)參量量）15二、平平衡態(tài)態(tài)與非非平衡衡態(tài)1、平平衡態(tài)態(tài)真空孤立系系統(tǒng)在不受外外界條條件影影響下，經(jīng)經(jīng)過足足夠長長時間間后系系統(tǒng)必必將達(dá)達(dá)到一一個宏宏觀上上看來來不隨隨時間間變化化的狀態(tài)，這種狀狀態(tài)叫叫做平衡態(tài)態(tài)。平衡態(tài)的特點(diǎn)*1）單一性（處處相等）;2）物態(tài)的穩(wěn)定性——與時間無關(guān)；3）自發(fā)過程的終點(diǎn)；4）熱動平衡（有別于力平衡）.16三、熱熱力學(xué)學(xué)平衡衡熱力學(xué)學(xué)呈現(xiàn)現(xiàn)平衡態(tài)態(tài)的條件件無熱流流：熱學(xué)平平衡條條件，，系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部部溫度處處相相等。。無粒子子流：：力學(xué)平平衡條條件，，系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部部各部部分之之間、、系統(tǒng)與外外界之之間應(yīng)應(yīng)達(dá)到到力學(xué)學(xué)平衡衡，通通常情情況下下反映為壓強(qiáng)處處相相等。?；瘜W(xué)平平衡：：化學(xué)平平衡條條件，，即在在無外外場下下系統(tǒng)統(tǒng)各部部分的的化學(xué)組成成應(yīng)是處處處相相等。?？梢杂糜肞、V、T圖圖來表示示。只只要上上述三三個條條件一一個得得不到到滿足足，就就是非非平衡衡態(tài)，，不能能用P、V、T圖來來表示示。2、非非平衡衡態(tài)在自然然界中中，平平衡態(tài)態(tài)是相相對的的、特特殊的的、局局部的的與暫暫時的的，不不平衡衡才是是絕對對的、、普遍遍的、、全局局的和和經(jīng)常常的。。17§1.3物物態(tài)態(tài)方程程一、物物態(tài)方方程平衡態(tài)態(tài)把處于于平衡衡態(tài)的的某種種物質(zhì)質(zhì)的熱熱力學(xué)學(xué)參量量（如如壓強(qiáng)強(qiáng)、體體積、、溫度度）之之間所所滿足足的函函數(shù)關(guān)關(guān)系稱稱為該該物質(zhì)質(zhì)的物態(tài)方方程或或稱狀狀態(tài)方方程。。二、熱熱膨脹脹現(xiàn)象象等溫壓壓縮系系數(shù)體膨脹脹系數(shù)數(shù)壓強(qiáng)系系數(shù)線膨脹脹系數(shù)數(shù)18四、混混合理理想氣氣體物物態(tài)方方程三、理想氣氣體物態(tài)方方程對各向向同性性物質(zhì)質(zhì)能嚴(yán)格格滿足足理想想氣體體物態(tài)態(tài)方程程的氣氣體被被稱為為理想氣氣體。19§1.3溫溫度與與溫度度計一、溫溫度日常生生活中中，常常用溫度來表示示冷熱的程度度在微觀觀上，，則必必須說說明，，溫度度是處處于熱熱平衡衡系統(tǒng)統(tǒng)的微微觀粒粒子熱運(yùn)動動強(qiáng)弱弱程度度的度量量二、熱熱力學(xué)學(xué)第零零定律律1、絕熱壁壁與導(dǎo)導(dǎo)熱壁壁2、熱力學(xué)學(xué)第零零定律律ACBACBACB絕熱壁20在不受受外界界影響響的情情況下下，只只要A和B同時時與C處于于熱平平衡，，即使使A和和B沒沒有接接觸，，它們們?nèi)匀蝗惶幱谟跓崞狡胶鉅顮顟B(tài)，，這種種規(guī)律律被稱稱為熱力學(xué)學(xué)第零零定律律。3、熱力學(xué)學(xué)第零零定律律的物理意意義互為熱熱平衡衡的物物體之之間必必存在在一個個相同同的特特征，，即它它們的的溫度是是相同同的。第零定定律不不僅給給出了了溫度度的概概念，，而且且指出出了判別溫溫度是是否相相同的的方法法。溫度計計21三、溫溫標(biāo)1、溫溫標(biāo)的的建立立溫度的的數(shù)值值表示示法叫叫做溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫溫標(biāo)的的三要要素選擇測測溫物物質(zhì)，，確定定測溫溫參量量（屬屬性））選定固固定點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行分分度，，即規(guī)規(guī)定測測溫參參量隨隨溫度度的變變化關(guān)關(guān)系2、理理想氣氣體溫溫標(biāo)以氣體體為測測溫物物質(zhì)，，利用用理想想氣體體狀態(tài)態(tài)方程程中體體積（（壓強(qiáng)強(qiáng)）不不變時時壓強(qiáng)強(qiáng)（體體積））與溫溫度成成正比比關(guān)系系所確確定的的溫標(biāo)標(biāo)稱為理理想氣氣體溫溫標(biāo)22V0不變Ptr為該氣氣體溫溫度計計在水水的三三相點(diǎn)點(diǎn)（氣氣、液液、固固三相相共存存）時時的壓壓強(qiáng)（體積積不變變）Ptr/(133.3224Pa)373.0373.2374.02004006008001000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空氣由氣體體溫度度計所所定出出的溫溫標(biāo)稱為理理想氣氣體溫溫標(biāo)23例1.1ABCVAMVBmT0T0T如圖所所示，，若測測得此此時B的壓壓強(qiáng)讀讀數(shù)為為p，，求待待測溫溫度T。解：測溫后測溫前壓力表B溫泡A解得：：243、攝攝氏溫溫標(biāo)、、華氏氏溫標(biāo)標(biāo)與蘭蘭氏溫溫標(biāo)t是攝攝氏溫溫標(biāo)TR是蘭（（金））氏溫溫標(biāo)汽點(diǎn)三相點(diǎn)冰點(diǎn)絕對零度英美等國使用671.67491.69491.670TRR蘭氏溫標(biāo)英美等國使用212.0032.0232.00-459.67tFF華氏溫標(biāo)國際通用100.000.010.00-273.15tC攝氏溫標(biāo)國際通用T=T373.15273.16273.150TK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)的溫度值符號單位溫度254、熱力學(xué)學(xué)溫標(biāo)標(biāo)是一種種不依賴賴于測溫物質(zhì)和測溫溫屬性的溫標(biāo)標(biāo)5、國際實(shí)實(shí)用溫溫標(biāo)實(shí)用溫溫度計計簡介介膨脹測測溫法法：玻玻璃液液體溫溫度計計、雙雙金屬屬溫度度計壓力測測溫法法：壓壓力表表式溫溫度計計、蒸蒸汽壓壓溫度度計電磁學(xué)學(xué)測溫溫法：：電阻阻溫度度計、、溫差差熱電電偶溫溫度計計、半半導(dǎo)體體溫度度計、頻頻率溫溫度計計輻射測測溫法法：光光學(xué)高高溫計計、比比色高高溫計計、輻輻射高高溫計計聲學(xué)測測溫法法：聲聲學(xué)溫溫度計計、噪噪聲溫溫度計計開爾文文26§1.5物物質(zhì)的的微觀觀模型型一、物物質(zhì)是是由大大量的的原子子或分分子組組成二、分分子熱熱運(yùn)動動1、分分子或或原子子處于于不停停的熱熱運(yùn)動動擴(kuò)散布朗運(yùn)運(yùn)動利用掃描隧道顯微鏡技術(shù)把一個個原子排列成IBM字母的照片.272、漲漲落現(xiàn)現(xiàn)象這種偏偏離統(tǒng)統(tǒng)計平平均值值的現(xiàn)現(xiàn)象稱稱為漲落現(xiàn)現(xiàn)象可以證證明，，在粒粒子數(shù)數(shù)可自自由出出入的的某空空間范范圍內(nèi)內(nèi)的粒粒子數(shù)數(shù)的相相對漲漲落反反比于于系統(tǒng)統(tǒng)中粒粒子數(shù)數(shù)N的的平方方根。。粒子數(shù)數(shù)越少少，漲漲落現(xiàn)現(xiàn)象越越明顯顯。應(yīng)用：：小鏡子子的小小角度度振蕩漲落電電流的的熱噪聲聲28三、分分子間間的吸吸引力力與排排斥力力rfo力分子斥力引力1、吸吸引力力和排排斥力力很多物物質(zhì)的的分子子引力作用半半徑約約為分分子直直徑的的兩倍倍左右右，超超過這這一距距離，，分子子間相相互作作用力力已很很少。。排斥力力作用半半徑就就是兩兩分子子剛好好“接接觸””時兩兩質(zhì)心心間的的距離離。2、分分子力力與分分子熱熱運(yùn)動動分子力力是一一種電電磁相相互作作用力力，故故它是是一種種保守守力，，它應(yīng)應(yīng)該有有勢能能，稱稱為分分子作作用力力勢能能。29§1.6理理想氣氣體微微觀描描述的的初級級理論論一、理理想氣氣體微微觀模模型1、分分子本本身線線度比比起分分子間間距離離小得得多而而可忽忽略不不計Loschmidt常數(shù)數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)狀狀態(tài)下下分子子間平平均距距離:30氮分子子半徑徑2、除除碰撞撞一瞬瞬間外外，分分子間間互作作用力力可忽忽略不不計。。分分子子在兩兩次碰碰撞之之間作作自由由的勻勻速直直線運(yùn)運(yùn)動3、處處于平平衡態(tài)態(tài)的理理想氣氣體，，分子子之間間及分分子與與器壁壁間的的碰撞撞是完完全彈彈性碰碰撞在常溫溫下，，壓強(qiáng)強(qiáng)在數(shù)數(shù)個大大氣壓壓以下下的氣氣體，，一般般都能能很好好地滿滿足理理想氣氣體方方程。。處于平平衡態(tài)態(tài)的氣氣體均均具有有分子子混沌性性4、分子子的運(yùn)運(yùn)動遵遵從經(jīng)經(jīng)典力力學(xué)的的規(guī)律律31二、單單位時時間內(nèi)內(nèi)碰在在單位位面積積器壁壁上的的平均均分子子數(shù)ΔAabcxyz032三、理理想氣氣體壓壓強(qiáng)公公式設(shè)邊長分別為x、y

及z的長方體中有

N

個全同的質(zhì)量為m

的氣體分子，計算壁面所受壓強(qiáng).33單個分分子對對器壁壁碰撞撞特性性:偶偶然然性、、不不連續(xù)續(xù)性.大量分分子對對器壁壁碰撞撞的總總效果果：：恒恒定的的、持持續(xù)的的力的的作用用.熱動平衡衡的統(tǒng)計計規(guī)律（（平平衡態(tài)））1）分子按位置的分布是均勻的2）分子沿各各方向運(yùn)運(yùn)動概率率均等分子運(yùn)動速度34各方向運(yùn)動概率均等

方向速度平方的平均值各方向運(yùn)動概率均等35單個分子遵循循力學(xué)規(guī)規(guī)律x方向動量變化分子施于器壁的沖量兩次碰撞間隔時間單位時間碰撞次數(shù)單個分子單位時間施于器壁的沖量36大量分子總效效應(yīng)單位時間間N個粒子