广延量和强度量课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第一章,热力学平衡态、温度,1,热力学研究对象及其状态参量描述,1.1,热力学研究对象,包含,大量,（无限多）微观粒子的,宏观物体,的性质。,宏观物体的性质是很,复杂的,，,多方面的,例,：,一块橡皮，一个铜棒,可以研究力学性质，电学性质，磁学性质，化学性质,物理模型的建立,集中研究某种性质，忽略其它性质。,这样的做法，实际上就已经不是客观物体本身了，而是把客观物体作了一个抽象，引进了一个假想的体系，即模型。,在研究某种特定性质时，只考虑我们认为最重要最本质的因素：,建立理想模型，引进理想过程。,力学中：质点、刚体、弹性介质，理想流体，弹性碰撞,电磁学中：点电荷、电偶极子、磁偶极子,固体学中：无穷大的完美晶体,热力学中：,孤立系统，,理想气体，准静态过程,对不同的假想体系具体考虑某一方面的性质，就有了力学体系、电磁学体系、化学体系，形成了物理学的不同分支，它们是对实际的宏观系统进行不同的抽象，引进,不同的状态参量,来描述。,1.2,状态参量,确定体系（或系统）状态的参量。,力学系统,力学参量：坐标，速度，加速度，角速度,电磁学体系,电磁学参量：电极化强度,P,，电场,E,(,D,),，磁化强度,M,，磁场,H,(,B,),化学体系,化学参量：摩尔数,热力学系统,力学参量,+,电磁学参量,+,化学参量,+,几何参量,+,温度,！,热力学平衡态及其描述,2.1,热力学系统及其分类,热力学系统,把研究的对象视为一个系统，,称为热力学系，而系统以外的部分,则称为外界。,热力学系统是由大量的微观粒子,（分子、原子）组成的宏观系统。,热力学系统与外界之间通过能量,和物质交换而相互联系。,孤立系、闭系、开系,孤立系：系统与外界无能量交换和物质交换,闭系：有能量交换但无物质交换,开系：有能量交换和物质交换,孤立系是一个理想的极限概念,热力学系统和外界的选择是相对的,开系：水（或者汽）,闭系：水,+,汽,孤立系：水,+,汽,+,导体,单相系与复相系、单元系与多元系,单相系（均匀系）：系统中各个部分的性质完全一样,复相系：系统可分成若干个均匀的部分,单元系：系统中只包含一种化学组分,多元系：系统中包含多种化学组分,2.2,热力学平衡态,热力学平衡态,在,不受外界影响,的条件下，系统的宏观性质不随时间,改变（各宏观量保持恒定）的状态。,弛豫时间,:,热力学平衡态是一种特殊状态。系统从初态到达平衡态之间的状态，称为非平衡态，所需要的时间为弛豫时间。,热力学平衡态是动态平衡，但我们一般不考虑涨落。,热力学平衡态的概念适用于各种系统。,热力学平衡态的判断,力学平衡：系统各部分受力平衡,化学平衡：各组分物质无宏观定向流动,相 平 衡：各相物质无宏观定向流动,热 平 衡：热量无定向流动,主要讲 热力学平衡态，非平衡态讲一点：,实际中感兴趣的多为非平衡态；,平衡态的物理是非平衡态的物理基础。,2.3,热力学参量,几何参量：长度、面积、体积,(,V,),、应变张量等,力学参量：压强,(,p,),、应力张量等,化学参量：各组分的量：摩尔数,(,n,),、质量、浓度等,电磁参量：电场强度、电极化强度、磁场强度、,磁化强度等,温度（热力学,特有,的）,具体问题中并不要求把所有参量都考虑在内；,简单系统（,P,，,V,，,T,）。,2.4,广延量和强度量,广延量：与系统的量成正比：,V,、,U,、,S,强度量：与系统的量无关：,p,、,T,注意：,1,、广延性的满足要求热力学极限,2,、原子间的有效相互作用是短程的,长程力的能量不是广延量,3,热平衡定律和温度,3.1,热平衡,绝热壁及透热壁,绝热壁：两个物体通过器壁接触（无物质交换，不考虑电磁作用），若两物体的状态可以,完全独立改变,，则器壁称为绝热壁（无热量交换）。,透热壁：非绝热壁。,热平衡,两物体通过热接触，经过足够长的时间，将达到一个共同的平衡态，称两物体达到了热平衡。,注意,热平衡与热力学平衡的区别,3.2,热平衡定律（热力学第,零,定律）,如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此间也一定处于热平衡。,3.3,第,零,定律的物理意义,1,、,平衡态的存在,2,、一切互为热平衡的系统都具一个共同的宏观性质，即存在一个共同的,状态函数,。,上述证明可,推广,到更复杂的系统。,热平衡定律,温度的,定义,热平衡定律,测量,温度的方法,3.4,温度,描述两个或多个相互间处于热平衡的热力学系统所具有的,共同态函数,。,T=g(P,V,),3.5,温标,温度的数值表示法,经验温标及其三要素,经验温标,：通过测温物质的某一随温度单调变化的性质来标度，这种温标称为经验温标。,比如：定容气体温度计，定压气体温度计,经验温标的,三要素,：,选择测温物质及其特性,选择固定点,规定测温物质的性质与温度的关系（如线性关系）,例一,定容气体温标：,a,水的三相点：,问题,:,三相点温度与水的冰点温度的,差别,?,b,温度,T,与压强的关系,:,例二,定压气体温标：,同种气体的定容与定压温度计的,测量会不同,不同气体的温度计测量会不同,当压强趋于零时，测量则趋于一致！,3.5.2,理想气体温标,当气体,压强趋于零,时,，用不同气体温度计标度同一系统的温度，其结果趋于一致，这一标度结果称为理想气体温标。,理想气体,定义,：满足波义耳,-,马略特定律、阿伏伽德罗定律、焦耳定律的气体。,波义耳,-,马略特定律：,pV=C,阿伏伽德罗定律,:,给定,P,T,，摩尔数,焦耳定律,:,内能,U,只与温度,T,有关,（详情见后）,气体,P,0,时，可看成理想气体,从微观来讲,:,理想气体是忽略气体中分子之间相互作用的一个理想模型。,3.5.3,热力学温标,热力学第二定律,热力学温标（详情见后）,不依赖于测量物质,温度值：,理想气体温标,=,热力学温标,热力学温标、摄氏温标、和华氏温标的关系,热力学温标,(K),摄氏温标,(,o,C):,摄氏温标,(,o,C),华氏温标,(F):,一些辅助信息,压强,P,的单位,Pa=N/m,2,(,帕斯拉,),常用单位：,1 bar=10,5,Pa1 MPa=10,6,Pa,m=760 mmHg=1.01310,5,Pa,（标准大气压）,1 at=735.6 mmHg=9.8066510,4,Pa(,工程大气压，,1,公斤的力垂直作用在,1,平方厘米的单位面积上所产生的压力,),1 mmHg=133.3 Pa,常见温度计：,常见的一些实际温度值,温度,到底,是什么意思？！,用温度计测出来的东西？冷热？,把两个接触了足够长时间的物体（热平衡）所共有的东西叫做温度,热平衡,温度,力学平衡定义了什么？力学平衡中什么是共有的？,压强,扩散平衡定义了什么？扩散平衡中什么是共有的？,化学势,温度,到底,是什么意思？！,温度表示传热的趋势,那压强又表示什么？化学势又表示什么？,压强,膨胀趋势,化学势,扩散趋势,温度,到底,是什么意思？！,微观解释,考虑理想气体,温度是微观粒子平均平动能的度量,为了说明这一点，我们先由分子动理论计算压强，而计算压强就要先回顾一下速度分布的概念：,下面再考虑容器中理想气体对容器壁的压强,（热学学过，这里简单推导）,体积,dV,将上面的结果与理想气体状态方程对比,pV=NkT,（,k,是波尔兹曼常数）,我们立即得到：,即,kT,恰巧是理想气体中一个粒子平均动能的度量，以后能均分定理的一节中我们将看到这结果并不限于理想气体，可被推广。,麦克斯韦速度分布,4,物态方程,4.1,定义,给出,温度,和其它,状态参量,之间的函数关系的方程,简单系统,:,一般系统：,重要性：应用热力学理论研究实际问题，往往要用到物态方程！,不同物质的物态方程一般是不同的。,物态方程无法由热力学理论推导出来。,一般由实验测定,原则上，统计物理可以推导出物态方程,4.2,几个与物态方程有关的物理量,定压膨胀系数：,可正可负,定容压力系数,:,定温压缩系数,:,三 者 关 系,:,4.3,全微分，偏微分的性质,全微分性质：,若,则,(1),Cauchy-Riemann,条件,:,(2),Newton-Lebnitz,积分,:,偏微分性质：,若,则,(,传递公式,),若,，则：,(1),循环公式：,(2),互逆公式,:,循环和互逆两公式的证明,因为,x,z,是独立的两个变量，,所以,证毕！,4.4,气体的状态方程,理想气体,推导使用右图所示过程，用到玻意,尔定律、阿伏伽德罗定律、理想气,体温标的定义。,阿 氏 定 律,：在相同温度和压强下，,l mol,的任何气体所占的体积都相同,玻意尔定律（温度不变）：,据理想气体温标定义有：,非理想气体,范德瓦尔斯方程,其中,a,、,b,由实验确定。,昂尼斯方程,其中,B(T),、,C(T),称作第二、三,位力系数。,p-V,图上的等温线,理想气体的等温线是双曲线，,p,随,V,的增加单调减小,非理想气体（满足范德瓦尔斯方程）的等温线在某些温度并不单调,右图采用水的最,优常数,a,b,非单调,不稳定,负压强？,4.5,简单固体和简单液体,4.6,顺磁性固体,一般磁性物质,顺 磁 性 物 质,本章框架,热力学系统的状态参量描述。,致力于用少数几个的宏观参量来描述，,而不考虑大量微观粒子的运动方程。,热力学第零定律及温度的定义。,物态方程（宏观状态参量的关系）。,