熱學(xué)-第一章-熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)與溫度

第四篇熱學(xué)基礎(chǔ)第一章熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)與溫度第三章熱力學(xué)第二定律第四章氣體分子動(dòng)理論第二章熱力學(xué)第一定律主要內(nèi)容：

熱運(yùn)動(dòng):

構(gòu)成宏觀物體的大量微觀粒子的永不休止的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。單個(gè)分子:無(wú)序、具有偶然性、遵循力學(xué)規(guī)律。整體(大量分子):服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。研究對(duì)象外界：熱力學(xué)系統(tǒng)以外的物體。---------熱力學(xué)系統(tǒng)

由大量微觀粒子（分子、原子等）組成的宏觀物體。系統(tǒng)

熱現(xiàn)象:自然界中與物體冷熱程度有關(guān)的現(xiàn)象。

熱現(xiàn)象的本質(zhì)是熱運(yùn)動(dòng)，即微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)決定了宏觀物體的熱現(xiàn)象。

例如：物體受熱，體積膨脹，電阻變大，固體受熱會(huì)融化成液體等等。熱運(yùn)動(dòng)可與其它運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化熱運(yùn)動(dòng)電磁運(yùn)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)蒸汽機(jī)電磁爐

研究方法由觀察和實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的熱力學(xué)規(guī)律，不考慮宏觀物體內(nèi)大量微觀粒子的微觀結(jié)構(gòu)，從能量觀點(diǎn)直接研究宏觀物體的性質(zhì)與規(guī)律?！獰崃W(xué)方法

從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)每個(gè)分子所遵循的力學(xué)規(guī)律，用統(tǒng)計(jì)的方法研究宏觀物體的性質(zhì)?！y(tǒng)計(jì)物理學(xué)方法宏觀描述微觀描述

統(tǒng)計(jì)物理學(xué)基本原理是：宏觀量是相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值。

宏觀量:表示大量分子集體特征的物理量(可直接測(cè)量)，如壓強(qiáng)p、體積V、溫度T

等等。

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)，如分子的質(zhì)量、速度、動(dòng)量、能量等。宏觀量微觀量統(tǒng)計(jì)平均

熱力學(xué)對(duì)熱現(xiàn)象給出普遍而可靠的結(jié)果，并可用來(lái)驗(yàn)證微觀理論的正確性。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)給出熱現(xiàn)象的本質(zhì)，得到?jīng)Q定宏觀觀測(cè)量的微觀因素，為控制物質(zhì)性質(zhì)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)作用。第一章熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)與溫度§1.1宏觀物體的微觀模型§1.2熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)§1.3溫度

一、宏觀物體由大量微觀粒子組成§1.1宏觀物體的微觀模型1mol任何物質(zhì)包含的分子數(shù)為：

NA=6.022045×1023

標(biāo)準(zhǔn)條件下：

1cm3氣體中包含1019個(gè)分子；1cm3固體和液體中包含1022---1023個(gè)分子；

空氣中強(qiáng)光束背景下可觀察的塵埃微粒線度約為10-4---10-5

，

1cm3氣體中包含1011個(gè)微粒；二、宏觀物體內(nèi)的分子在不停地運(yùn)動(dòng)并與溫度有關(guān)

在顯微鏡下觀察懸浮在液體中的小顆粒永不停息地運(yùn)動(dòng)著，其中任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)都是無(wú)規(guī)則的或無(wú)序的。--------布朗運(yùn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng)

1827年，布朗（英國(guó)植物學(xué)家）

布朗運(yùn)動(dòng)的無(wú)規(guī)則性，反映了液體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的無(wú)規(guī)則性。布朗粒子布朗運(yùn)動(dòng)

布朗粒子運(yùn)動(dòng)加劇與溫度有關(guān)，這反映出分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度與溫度有關(guān)。

溫度越高，分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)就越強(qiáng)烈。這是分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的一種規(guī)律性。

由于分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)與物體的溫度有關(guān)，所以通常就把這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為分子的熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)時(shí)，合力為零，稱(chēng)為平衡位置。三、分子之間有相互作用力兩個(gè)分子之間的相互作用力------分子力。半經(jīng)驗(yàn)公式：為正，代表排斥力為負(fù)，代表吸引力模型：假設(shè)分子之間的相互作用具有球?qū)ΨQ(chēng)性。

兩個(gè)分子之間距離較近，分子力表現(xiàn)為吸引；兩個(gè)分子之間距離很近，分子力表現(xiàn)為斥力。分子力為保守力

在平衡位置r=r0處，勢(shì)能有極小值，這個(gè)能量稱(chēng)為結(jié)合能。

當(dāng)r<r0時(shí)，勢(shì)能曲線斜率為負(fù)，分子力表現(xiàn)為斥力；

當(dāng)r>r0時(shí)，勢(shì)能曲線斜率為正，分子力表現(xiàn)為引力；

表明：將處于平衡距離的兩個(gè)分子拆散所需的最少能量?！?.2熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)一、熱力學(xué)系統(tǒng)的分類(lèi)系統(tǒng)分類(lèi)（按系統(tǒng)與外界交換特點(diǎn)）：系統(tǒng)分類(lèi)（按系統(tǒng)所處狀態(tài)）：孤立系統(tǒng)：與外界既無(wú)能量又無(wú)物質(zhì)交換封閉系統(tǒng)：與外界只有能量交換而無(wú)物質(zhì)交換開(kāi)放系統(tǒng)：與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換平衡態(tài)系統(tǒng)非平衡態(tài)系統(tǒng)

一個(gè)不受外界影響的系統(tǒng)，不管它開(kāi)始的狀態(tài)如何，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)不再隨時(shí)間變化的狀態(tài)----平衡態(tài)。氣體狀態(tài)（p,V,T）就是指平衡態(tài)。二、平衡態(tài)

平衡條件:(1)系統(tǒng)與外界在宏觀上無(wú)能量和物質(zhì)的交換，

(2)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變。非平衡態(tài):

不具備兩個(gè)平衡條件之一的系統(tǒng)。

狀態(tài)１到狀態(tài)２是一個(gè)狀態(tài)變化的過(guò)程過(guò)程進(jìn)行的足夠緩慢，那么這個(gè)過(guò)程中每一狀態(tài)都可近似看作平衡態(tài)。

箱子假想分成兩相同體積的部分，達(dá)到平衡時(shí)，兩側(cè)粒子有的穿越界線，但兩側(cè)粒子數(shù)相同。例如：粒子數(shù)

處在平衡態(tài)的大量分子仍在作熱運(yùn)動(dòng)，而且因?yàn)榕鲎玻總€(gè)分子的速度經(jīng)常在變，但是系統(tǒng)的宏觀量不隨時(shí)間改變。（2）平衡態(tài)是一種熱動(dòng)平衡。說(shuō)明：（1）

平衡態(tài)是一種理想狀態(tài)。三、狀態(tài)參量狀態(tài)參量：描述系統(tǒng)平衡態(tài)宏觀性質(zhì)的物理量。常用的狀態(tài)參量包括以下四類(lèi):

幾何參量，如體積和應(yīng)變等；力學(xué)參量，如壓強(qiáng)和應(yīng)力等；電磁參量，如電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度、電極化與磁化等；化學(xué)參量，如組成系統(tǒng)各化學(xué)組份的質(zhì)量、物質(zhì)的量。物態(tài)方程:

理想氣體平衡態(tài)宏觀參量間的函數(shù)關(guān)系。為系統(tǒng)狀態(tài)參量若則

只需要體積和壓強(qiáng)兩個(gè)狀態(tài)參量就能夠確定熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)之為簡(jiǎn)單系統(tǒng)。

當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)在外界影響下，從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的變化過(guò)程，稱(chēng)為熱力學(xué)過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程。熱力學(xué)過(guò)程非靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

四、熱力學(xué)過(guò)程

在過(guò)程進(jìn)行當(dāng)中，系統(tǒng)的狀態(tài)不斷發(fā)生變化。狀態(tài)的變化必然要破壞原來(lái)的平衡，原來(lái)的平衡態(tài)被破壞后需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到新的平衡態(tài)。這段時(shí)間稱(chēng)為弛豫時(shí)間。

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)，如果過(guò)程中所有中間態(tài)都可以近似地看作平衡態(tài)的過(guò)程。

非靜態(tài)過(guò)程：系統(tǒng)從一平衡態(tài)到另一平衡態(tài)，過(guò)程中所有中間態(tài)為非平衡態(tài)的過(guò)程。氣體等溫膨脹氣體自由膨脹例：例：氣體活塞砂子12

在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)連續(xù)經(jīng)過(guò)的每個(gè)中間狀態(tài)都近似看成平衡態(tài)，所以系統(tǒng)每時(shí)每刻都有確定的狀態(tài)參量值。一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可用P-V圖上一條曲線表示?！?.3溫度一、熱力學(xué)第零定律A、B兩體系達(dá)到冷熱程度相同的狀態(tài)，即達(dá)到共同的熱平衡狀態(tài)AB導(dǎo)熱板末態(tài)

ABC若A

和

B、B和C分別熱平衡，則A和C必定處于熱平衡（熱力學(xué)第零定律）二、溫度

處在相互熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)擁有某一共同的宏觀物理性質(zhì)，這個(gè)性質(zhì)稱(chēng)為溫度。三、溫標(biāo)溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示法。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)

一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。溫度是熱學(xué)中特有的物理量，它決定一系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡。常用溫標(biāo)理想氣體溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)1、經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)

經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的建立，需要三個(gè)要素：測(cè)溫物質(zhì)、測(cè)溫屬性、規(guī)定固定點(diǎn)。其中與無(wú)關(guān)攝氏溫標(biāo)常用經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)華氏溫標(biāo)

經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)規(guī)定：標(biāo)示溫度變化的狀態(tài)參量x，與溫度滿足線性關(guān)系2、理想氣體溫標(biāo)（1）玻意耳定律：（2）查理定律：（3）蓋-呂薩克定律在溫度不太低，壓強(qiáng)不太大時(shí)，

t為攝氏溫標(biāo)，p0、V0是t=0℃時(shí)的值。是氣體的壓強(qiáng)系數(shù)和體積膨脹系數(shù)。當(dāng)氣體壓強(qiáng)趨于零時(shí)引入新的溫標(biāo)T則查理定律和蓋-呂薩克定律變?yōu)椋ㄓ美硐霘怏w作測(cè)溫物質(zhì)）理想氣體

規(guī)定：純水、純冰和水蒸氣三相共存的平衡態(tài)的溫度值為T(mén)tr=273.16，單位為開(kāi)爾文,用符號(hào)K表示。設(shè)用ptr和Vtr表示在水的三相點(diǎn)時(shí)的值，則

不管是哪種氣體，當(dāng)壓強(qiáng)趨于零時(shí)，所建立的溫標(biāo)都趨于相同的極限值——理想氣體溫標(biāo)3、熱力學(xué)溫標(biāo)