大学物理第一章-温度.ppt

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NA 6 22 1023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 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 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和B热平衡 TA TB TB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 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 实验室获得的最低温度为 2 4x10 11K 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 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P1 V1 T1经任意过程变化到另一平衡态P2 V2 T2 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0 827 10 3m3 设压缩前其中空气的温度是47 压强为8 5 104pa 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 7 106pa 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 10kg 压强为1 0 105pa 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 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 常见状态曲线 等温线 1 2 等压线 1 3 等容线 2 3