大学物理第一章-温度

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,*,热学,热学,是研究与热现象有关的规律的科学。,热现象：,与温度有关的现象,是物质中大量分子无规则运动的集体表现。,大量分子的无规则运动称为,热运动。,研究对象：,宏观物体,热力学系统,研究内容：,宏观物体的冷热性质以及冷热变化规律,研究方法：,根据,热力学系统,状态的,描述方法，,热学研究分为两个分支,热力学,统计物理学,热力学,统计物理学,采取宏观描述方法，根据实验确定的基本规律，,运用逻辑推理(运用数学) 来研究热力学系统的规律,-称为,热力学,。,优点：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质,。,采取微观描述方法，从物质的微观结构出发，,运用统计方法来研究热力学系统的规律,-称为,统计力学,优点：揭示了热现象的微观本质。,缺点：可靠性、普遍性差。,（其初级理论称为,气体分子运动论,）,第一章 温度,1.1 宏观与微观 (,热力学系统的状态描述,),一热力学系统 二热力学系统状态的描述,三平衡态 四状态参量,1.2 温度的概念,1.3 理想气体的温标,1.4 理想气体状态方程,一理想气体 二理想气体状态方程,作业：,1.5、1.7、 1.9,1.1 宏观与微观,(,热力学系统的状态描述),一热力学系统,把热学研究的对象宏观物体称作,热力学系统,简称,系统,特征：,由,大量,运动着的分子和原子组成,分类：,物态,热力学系统与外界关系,气体、液体、固体,以,阿佛加德罗常数,N,A,=,6. 2210,23,计,按热力学系统与外界关系分类,孤立系统：,封闭系统：,开放系统：,系统与外界无质量和能量交换,系统与外界无质量交换但有能量交换,系统与外界既有质量又有能量交换,外界：,热力学系统以外的物体称为外界。,例如：,汽缸内气体为系统，其它为外界,二热力学系统状态的描述,为了研究系统的性质和变化，,首先看看如何描述系统的状态,宏观描述方法,用一些可以直接测量的量来描述系统的宏观性质。,如宏观物体的,体积、压强、温度、质量,等,.,这些物理量称作,宏观量,;,热力学采取的就是,宏观描述方法,用,宏观量,描述的热力学系统的状态称为,宏观态,.,微观描述方法,给出系统中每个分子的力学物理量。,如分子的,质量,m,、,直径,d,、,速度,v,、,动量,p,、,能量,等,这些物理量称作,微观量,，一般是无法测量的。,统计物理采取的是,微观描述方法,用大量分子的,微观量,的集合,来描述热力学系统的状态,称为,微观态,微观量与宏观量有一定的内在联系：,宏观量是微观量的统计平均值,例如：,气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果，,它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。,一般的情况下，由于外界对系统的影响总是存在的，,系统的状态随时间变化。,研究一种理想状态,平衡态,三平衡态,在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质,不随时间改变的状态，称为,平衡态,。,平衡态的定义,说明：,“,不受外界影响,”,处于平衡态的系统不与外界发生质量和能量交换，,描述的热力学系统的状态的,宏观量,不随时间而变化，空间上处处相同,平衡态只是一种宏观上的寂静状态，,在微观上系统并不是静止不变的。,在平衡态下，组成系统的大量分子还在不停地运动着，,这些微观运动的效果也随时间不停地急速地变化着，,只不过大量分子总效果不随时间变化罢了。,因此从微观统计的角度讲，平衡态应理解为,动态平衡,这里有一充满气体的箱子，箱子假想分成体积,相同的两部分，考察两部分的,粒子数,宏观量,如图,达到平衡时，尽管两侧有粒子穿越虚线，,但在宏观上可测的时间间隔内，两侧粒子数相同。,事实上不能保证任一时刻两侧粒子穿越虚线的数目,完全相同，因此两侧粒子数不可能严格相同,，,把这一现象称作,涨落现象,，,平衡态时的粒子数只不过是大量分子的时间平均值，,任一时刻粒子数与平均值的差值称作,涨落,。,动态平衡,平衡态是一个理想化模型,由于实际的热力学系统总要受到外界的影响，,所以不随时间变化的平衡态是不存在的，,平衡态是一个理想概念，,是在一定条件下对实际情况的概括和抽象。,在许多实际问题中，往往可以把系统的实际状态,近似地当作平衡态来处理。,四状态参量,处于平衡态的系统，系统的宏观性质可以用宏观量来完全描述，,如,体积、浓度、,压强 、温度,等。,平衡态时，这些,宏观量,并不是独立的，,它们之间满足一定的关系，这一关系称作,状态方程,如气体的状态方程,根据,状态方程,，可以找到,一组独立,的宏观量,来完全描述系统处在平衡态时的宏观性质,这样一组相互独立的,宏观量,称为,状态参量,例如,一定质量的化学纯气体处在平衡态时，,可用气体的,压强 、温度、体积,-中任意两个量,作为一组独立的状态参量来完全描述气体的性质。,宏观上，描述热力学系统性质的状态参量有：,温度：,体积：,压强：,浓度：,是系统的热学参量，,T,是系统的力学参量，,P,是系统的几何参量，,V,是系统的化学参量，,n,还有其它的,其中,体积、质量,等-可以累加， 称为,广延量,。,压强 、温度,等-不可累加， 称为,强度量,。,一组确定状态参量值,对应,系统一个确定的平衡态。,当选定一组独立的状态参量后，,描述系统状态的其它宏观量就可以,表示为独立状态参量的函数，,这些函数同系统的状态是一一对应的。,通常称它们为,态函数,，如气体的,内能,、,熵,等,A,B,绝热板,A,B,导热板,A、B 两体系互不影响,各自达到平衡态,A、B 两体系的平衡态有联系,达到共同的热平衡状态（,热平衡,）,A,B,C,绝热板,导热板,实验规律：,如果 A 和 C、B 和 C 分别处于,热平衡，则 A 和 B 一定热平衡。,_热力学第零定律,A、B 、C三个系统必有共同的宏观性质，,称为系统的,温度,处于热平衡的多个系统具有相同的温度,1 .2,温度的概念,温度测量,A,B,A 和 B 热平衡，,T,A,=T,B,；,T,B,基本是原来体系 A 的温度,酒精或水银,热力学第零定律：,如果 A 和 C、B 和 C 分别处于热平衡，则 A 和 B 一定热平衡。,一、,温标：,温度的数值表示法。,二、,常见的温标：,摄氏温标、理想气体温标、热力学温标,三、,理想气体温标,PV=,const.（温度不变），,理想气体,:,严格遵守玻意耳定律的气体.,理想气体温标:,定义温度值与在该温度下一定质量的,理想气体的PV成正比，,T,，使即,pV, T,。,玻意耳定律：,一定质量的气体,在一定温度下,其压强和,体积的乘积是个常量.,1 .3 理想气体的温标,T,P,273.16 K,气相,液相,固相,临界点,609Pa,水的三相点温度,：,K：温度的单位_开尔文,1954年国际上规定了标准温度定点,-,水的三相点,.,体积保持不变,压强保持不变,适用范围：,理想气体,四、,热力学温标(绝对温标),：,不依赖任何物质的特性,的温标“T”,单位：开尔文(K),在理想气体温标适用范围内，理想气体温标与热力学温标是完全一致的。,热力学温度,T,与摄氏温度,t,的关系：,五、,热力学第三定律：,热力学零度是不能达到的。,t=T-273.15,实验室获得的最低温度为：2.4x10,-11,K,一理想气体,在任何情况下都无条件服从上述三条实验定律的气体,根据上述三条实验定律，可以导出三个状态参量,P、V、T,之间的关系,理想气体的状态方程,处于平衡态的化学纯理想气体，,其宏观性质可以用气体的状态参量,P（,压强,）、,V（,体积,）、,T（,温度,）来描述，,1.4,理想气体状态方程,玻意尔定律（RBoyle）,盖吕萨克定律（JLGayLussac）,查理定律（JAVCharles）,二理想气体状态方程,当质量为 ，摩尔质量为 的理想气体,处于平衡态时，它的状态方程为,摩尔气体常数,表示体积 中的分子总数,或,气体分子数密度,玻尔兹曼常数,应用：,由上式，对于一定质量的气体，,状态方程的一边为一与状态参量无关的常数，,系统由一平衡态,P,1,、V,1,、T,1,经任意过程,变化到另一平衡态,P,2,、V,2,、T,2,。,分别有：,联立两式,此方程给出了，一定质量的气体，,在任意两个平衡态时状态参量之间的关系.,根据这一关系可以通过已知平衡态的状态参量,求未知平衡态的状态参量,例1,某种柴油机的汽缸容积为,0. 82710,3,m,3,设压缩前其中空气的温度是 47，,压强为,8. 510,4,p,a,。,当活塞急剧上升时，可把空气压缩到原体积的,1/17,，使压强增加到,4. 710,6,p,a,，,求此时空气的温度（假设空气可看作理想气体）,解：,空气可视为理想气体，在压缩前的初状态和,压缩后的末状态均为平衡态，,则有,这里,代入上式,此温度大于柴油燃点。,例2,容器内装有氧气，质量为,0.10,kg，,压强为,1. 010,5,p,a,，,温度为 47。,因为容器漏气，经过若干时间后，,压强降到原来的,5/8 ，,温度降到 27，,解：,氧气视为理想气体，根据理想气体的状态方程,问：容器的容积有多大？漏去了多少氧气？,剩余氧气的质量：,漏去氧气质量：,三理想气体状态曲线,或,理想气体状态方程告诉理想气体处于某一平衡态时,参量,P,、,V,、,T,之间的关系。,也告诉描述理想气体宏观性质的参量,P,、,V,、,T,只有两个是独立的,P,、,V,（或,P,、,T,或,V,、,T,）。,一组确定的,P,、,V,（或,P,、,T,或,V,、,T,）数值可以,完全表示理想气体一确定的宏观状态。,以参量,V,为横轴，,以,P,为纵轴，建立坐标系，,在此坐标系上任一点,对应一组,P 、V,值，,也对应理想气体一平衡状态。,设想理想气体经过一系列平衡态,由状态,1,变化到状态,2,，,1,2,由于系统在任一时刻都处于平衡态，在任一时刻系统的状态都对应于图一点; 而且理想气体的状态变化是连续，所以理想气体经过一系列平衡态由状态,1,变化到状态,2,这一过程对应于,图一条曲线,状态曲线，也,称作,P V,图,1,2,常见,状态曲线,等温线,1,3,2,1,2,等压线,1,3,等容线,2,3,