温度理想气体状态方程.ppt

热学 热现象 与温度有关的物理性质的变化 统称为热现象 物体受热后 温度升高 体积膨胀 水被加热后 热学 热学是研究热现象的理论 在1592 1600年间 伽利略制作了人类第一支空气温度计 李冰父子利用岩石加热再骤冷会裂开的原理开凿都江堰 热学发展历史 1714年法伦海脱建立的华氏温标 1742年摄尔修斯建立的摄氏温标 随着蒸汽机的广泛应用 促使人们对水蒸气热力性质的研究及对改善蒸汽机性能的研究 从而推动了热学的发展 19世纪热力学第一定律和第二定律诞生 开尔文 鲁道夫 克劳修斯 萨迪 卡诺 路德维希 玻尔兹曼 约西亚 威拉德 吉布斯 科学家进一步追根问底 希望从分子和原子的微观层次上来说明物理规律 气体分子动理论应运而生 玻尔兹曼与吉布斯发展了经典统计力学 量子力学的引进而建立了量子统计力学 同时非平衡态理论更进一步的发展 形成了近代理论与实验物理学中最重要的一环 热学的研究方法 1 宏观法由观察和实验总结出来的热现象规律 构成热现象的宏观理论 叫做热力学 2 微观法从物质微观结构出发 即从分子 原子的运动和它们之间的相互作用出发 去研究热现象的规律 热现象的微观理论叫统计物理学 热力学三大定律 分子运动论 统计力学和涨落现象理论 宏观基本实验规律 热现象规律 微观模型 假设 热现象规律 12 1温度 12 1 1平衡态状态参量 在热力学中 所研究的物体或物体组叫做热力学系统 能量交换和物质交换 系统所处的外部环境称为外界 孤立系统 封闭系统 开放系统 大量微观粒子 分子 原子 构成的体积有限的物体体系 体积无限系统 如宇宙 少量粒子系统 都不是热力学系统 开放系统 与外界既有能量又有粒子交换 孤立系统 与外界没有任何相互作用 既无能量交换 也无粒子交换 封闭系统 与外界有能量交换 但无粒子交换 孤立系统 封闭系统 开放系统 例 保温瓶 例 铁桶中放入热水 再封闭起来 例 铝壶在火上烧水 孤立系统 封闭系统 开放系统 一 平衡态 在不受外界条件影响下 经过足够长的时间后 系统必将达到一个宏观性质不随时间变化的状态 叫做平衡态 平衡态的特征 系统内没有宏观粒子流动和能量流动 处在平衡态的系统的宏观量不随时间改变 但是组成系统的大量分子仍在作热运动 而且因为碰撞 每个分子的速度经常在变 这称为热动平衡 平衡态 冷 热 稳定态 1 稳定态 有能量流或粒子流 各处宏观性质不随时间变化的状态 平衡态是一种理想状态 在实际中并不存在完全不受外界影响 而宏观性质绝对保持不变的系统 所以 平衡态是一个理想的概念 但是在许多实际问题中 可以把实际状态近似地当作平衡态来处理 热力学系统的平衡状态应理解为 A 系统的宏观性质不随时间变化的状态 B 系统各处压强和温度相同的状态 C 系统在恒定的外界条件下 与外界无宏观能量和物质交换时 经足够长时间后达到的稳定状态 D 系统中每个分子都处于平衡的状态 1a0801001a 二 状态参量 我们把可以独立变化又足以确定热力学系统平衡态的一组宏观物理量称为状态参量 描述热力学系统的状态参量 1 几何参量 如体积 2 力学参量 如压强 3 化学参量 如系统中各种成分的摩尔数 4 电磁参量 如电场强度和磁场强度 在一般情况下 需使用以上四类状态参量来描述热力学系统的平衡态 态函数 由平衡态确定的其他宏观物理量 如温度 内能等 都可以表示为这四类状态参量的函数 称为态函数 广延量 具有可加性 如体积 内能等等强度量 不具有可加性 如温度 压强等等 宏观物理量 日常生活中 常用温度来表示冷热的程度 极寒 40 或低于此值温暖18 19 9 严寒 20 29 9 暖20 21 9 大寒 10 14 9 热22 24 9 小寒 5 9 9 炎热25 27 9 微寒0 4 9 酷热30 34 9 凉5 9 9 奇热35 39 温凉10 11 9 极热高于40 12 1 2热力学第零定律温标 一 热力学第零定律 在不受外界影响的情况下 只要A和B同时与C处于热平衡 即使A和B没有接触 它们也必定处于热平衡 此规律被称为热力学第零定律 热接触 各处于一定平衡态的两个热力学系统相互接触 使它们之间发生传热 热接触 热平衡 热接触后的两个系统 经一段时间后 达到共同的平衡态 称为热平衡 一 热力学第零定律 在不受外界影响的情况下 只要A和B同时与C处于热平衡 即使A和B没有接触 它们也必定处于热平衡 此规律被称为热力学第零定律 热力学第零定律为建立温度概念提供了实验基础 互为热平衡的系统具有相同的温度 推证 互为热平衡的热力学系统具有一个数值相等的状态函数 这个函数定义为温度 温度的数值表示法叫温标 1 经验温标 二 温标 经验温标的三要素 1 选择测温物质 确定测温属性 2 选定固定点 3 规定测温属性随温度的变化关系 凡是以某种物质的某一特性随冷热程度的变化为依据而确定的温标为经验温标 A和B热平衡 TA TB B A A改变很小 TB基本是原来体系A的温度 冰点 0 C 1atm 纯冰和纯水混合物 汽点 100 C 1atm 纯水和水蒸气混合物 测温属性随温度作线性变化 历史上的摄氏温标 问题 用各种不同的摄氏温度计测量同一对象的温度时 所得结果是否相同呢 几种常用的温度计 横坐标表示氢定容温度计纵坐标表示其他温度计读数低于横坐标的值 用不同的测温物质所建立的摄氏温标 除冰点和汽点按规定相同外 其他温度并不严格一致 不同的摄氏温度计测温值的差异 定容气体温度计 比例系数a由固定点来确定 固定点选水的三相点 并规定它的温度为273 16开 K ptr为气体温度计中的气体在水的三相点时的压强 定压气体温度计 2 理想气体温标 O位置不变 气体体积相同 压强不同 则温度不同 温度是压强的函数 定容气体温度计 定压气体温度计 实验结果表明 不论采用何种气体 无论是定压还定容 所建立的温标在气体压强趋于零时 都趋于一共同的极限值 这个极限温度叫做理想气体温标 利用不同气体作为测温物质 所得温度值相差很小 对于极低的温度 气体的液化点以下 和高温 1200K左右 理想气体温标就不适用了 理想气体温标不依赖于任何一种气体的个性 用不同的气体时所指示的温度是相同的 3 热力学温标 一种不依赖于测温物质和测温属性的温标 单位为开尔文 K 国际规定 热力学温标是最基本的温标 热力学温度是基本物理量 1K等于水三相点热力学温度的1 273 16 热力学温标是一种理想化的温标 理想气体温标在它所能确定的温度范围内 理想气体温标和热力学温标是完全一致的 国际实用温标三要素 4 国际实用温标ITS 90 目前采用1990年国际温标 1 定义固定点 纯物质的三相点 凝固点和沸点 2 规定在不同的待测温度区内使用的标准测温仪器 如热电阻温度计 辐射高温计等 3 给定在不同的固定点之间标准测温仪器读数与国际温标值之间关系的内插值公式 尽可能与作为基本温标的热力学温标一致 还要使各国都能以很高的准确度复现出同样的温标 而且所规定的测温仪器应尽可能使用起来方便 规定摄氏温标由热力学温标导出 t T 273 15 一些实际的温度值 热力学零度是不能达到的 热力学第三定律 12 1 3理想气体状态方程 在一定的平衡态 热力学系统具有确定的几何参量 力学参量 电磁参量 同时也具有确定的温度 对于一定质量的气体 可以用压强和体积来描述其平衡态 因而 温度可写为 气体状态方程 玻意耳定律查理定律盖 吕萨克定律 实验定律 物质的量 基本量 单位摩尔 mol 摩尔是一系统的物质的量 所包含的基本单元的数目等于0 012kg碳 12的原子数目 阿伏伽德罗常量 Avogadroconstant NA 6 02214129 27 x1023mol 1 M 质量 为摩尔质量 分子数N 为摩尔数 玻意耳定律 理想气体温标的定义 理想气体状态方程 0 012kg碳 12中包含的碳12的原子的数量 阿伏伽德罗定律 玻意耳定律 气体的温度保持不变时 其压强和体积成反比 气体的压强越低 它遵守玻意耳定律的准确度越高 设有 mol的理想气体 由理想气体温标的定义 2 等温过程 玻意耳定律 1 等容过程 阿伏伽德罗定律 在温度和压强相同的条件下 1mol任何气体的体积都相同 Vm 实验测得在标准条件下 1atm 冰点 1mol气体的体积为22 4升 理想气体状态方程 R为普适气体常量 k为玻尔兹曼常量 k 1 3806488 13 x10 23JK 1 能严格满足理想气体状态方程的气体被称为理想气体 例 一容器内贮有气体 温度是27 C 1 压强为1 013 105Pa时 在1m3中有多少个分子 2 压强为1 33 10 5Pa 在1m3中有多少个分子 解 1 2 洛喜密脱常量 标准状态下 1m3气体所含的气体分子数