-平衡態(tài)理想氣體狀態(tài)方程熱力學(xué)第零定律

1、 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五第十二章第十二章 氣體動理論氣體動理論 Kinetic theory of gases12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 Equilibrium state State equation of ideal gas 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 Zeroth law of thermodynamics12-2 物質(zhì)的微觀模型物質(zhì)的微觀模型 統(tǒng)計規(guī)律性統(tǒng)計規(guī)律性 Microscopic model of the matter

2、Statistical law12-3 理想氣體的壓強(qiáng)公式理想氣體的壓強(qiáng)公式 Pressure equation of ideal gas12-4 理想氣體分子的平均平動動能與理想氣體分子的平均平動動能與 溫度的關(guān)系溫度的關(guān)系 The relationship of temperature and mean translation kinetic energy of ideal gas molecule 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五第十二章第十二章 氣體動理論氣體動理論 K

3、inetic theory of gases12-5 能量均分定理能量均分定理 理想氣體內(nèi)能理想氣體內(nèi)能 Equipartition theorem of energy Internal energy of ideal gas12-6 麥克斯韋氣體分子速率分布定律麥克斯韋氣體分子速率分布定律 The Maxwell distribution law of speed of gas molecule 12-7 玻耳茲曼能量分布定律玻耳茲曼能量分布定律 The Boltzmann distribution law12-8 分子平均碰撞次數(shù)和平均自由程分子平均碰撞次數(shù)和平均自由程 Mean coll

4、ision times and mean free path of molecular 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律一、氣體的狀態(tài)參量一、氣體的狀態(tài)參量1.狀態(tài)參量狀態(tài)參量（State parameter） 描述系統(tǒng)狀態(tài)的變量稱為狀態(tài)參量。描述系統(tǒng)狀態(tài)的變量稱為狀態(tài)參量。狀態(tài)參量分狀態(tài)參量分為宏觀量與微觀量為宏觀量與微觀量。2.宏觀量宏觀量（macroscopic variable） 從整

5、體上描述系統(tǒng)的狀態(tài)量，一般可以直接測量。從整體上描述系統(tǒng)的狀態(tài)量，一般可以直接測量。(1)廣延量廣延量如如: 質(zhì)量質(zhì)量M、體積、體積V 等等, 可以累加。可以累加。(2)強(qiáng)度量強(qiáng)度量如如: 壓強(qiáng)壓強(qiáng)P、溫度、溫度T 等，等， 不可累加。不可累加。 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五3.微觀量微觀量 （microcosmic variable） 描述系統(tǒng)內(nèi)微觀粒子的物理量。描述系統(tǒng)內(nèi)微觀粒子的物理量。 如分子的質(zhì)量如分子的質(zhì)量m、直徑直徑 d 、速度、速度v、能量、能量 等。等。4

6、.宏觀量和微觀量的關(guān)系宏觀量和微觀量的關(guān)系 宏觀量與微觀量有一定的內(nèi)在聯(lián)系。宏觀量與微觀量有一定的內(nèi)在聯(lián)系。氣體是一個氣體是一個宏觀的熱力學(xué)系統(tǒng)。宏觀的熱力學(xué)系統(tǒng)。組成氣體的分子或原子都是微觀組成氣體的分子或原子都是微觀粒子，它們構(gòu)成了很多不同的微觀狀態(tài)。粒子，它們構(gòu)成了很多不同的微觀狀態(tài)。即宏觀的熱即宏觀的熱力學(xué)系統(tǒng)包含了大量不同的微觀狀態(tài)力學(xué)系統(tǒng)包含了大量不同的微觀狀態(tài)。 例如，氣體的壓強(qiáng)是大量分子撞擊器壁的平均例如，氣體的壓強(qiáng)是大量分子撞擊器壁的平均效果，它與大量分子對器壁的沖力的平均值有關(guān)。效果，它與大量分子對器壁的沖力的平均值有關(guān)。 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體

7、狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五5.氣體的狀態(tài)參量氣體的狀態(tài)參量 （State parameter of gas） 對于一定質(zhì)量對于一定質(zhì)量(M )的氣體，它的狀態(tài)一般可以用的氣體，它的狀態(tài)一般可以用下列三個量來表示。下列三個量來表示。(1)氣體所占的體積氣體所占的體積V 是氣體分子所能達(dá)到的空間是氣體分子所能達(dá)到的空間,與氣體分子本身體與氣體分子本身體積的總和是完全不同的；積的總和是完全不同的；(2)壓強(qiáng)壓強(qiáng)P 氣體作用在容器壁單位面積上的指向器壁的垂氣體作用在容器壁單位面積上的指向器壁的垂直作用力，是氣體分子對器壁碰撞的宏

8、觀表現(xiàn)；直作用力，是氣體分子對器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)； 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五(3)溫度溫度T 與物質(zhì)分子運動密切相關(guān)，溫度的不同反映物質(zhì)與物質(zhì)分子運動密切相關(guān)，溫度的不同反映物質(zhì)內(nèi)部分子運動劇烈程度的不同。內(nèi)部分子運動劇烈程度的不同。6.狀態(tài)參量描述的狀態(tài)狀態(tài)參量描述的狀態(tài) 只有平衡態(tài)才可用狀態(tài)參量來描述只有平衡態(tài)才可用狀態(tài)參量來描述，否則，非平，否則，非平衡態(tài)中的各個狀態(tài)參量都在不斷變化，無法用統(tǒng)一的衡態(tài)中的各個狀態(tài)參量都在不斷變化，無法用統(tǒng)一的參量來描述系統(tǒng)的狀態(tài)。

9、參量來描述系統(tǒng)的狀態(tài)。 我們我們主要研究平衡態(tài)的熱學(xué)規(guī)律主要研究平衡態(tài)的熱學(xué)規(guī)律。 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五二、理想氣體狀態(tài)方程二、理想氣體狀態(tài)方程 State equation of ideal gas1.理想氣體理想氣體 在任何條件下都嚴(yán)格遵守三條實驗定律在任何條件下都嚴(yán)格遵守三條實驗定律(波義耳定波義耳定律、蓋律、蓋呂薩克定律和查理定律呂薩克定律和查理定律)的氣體，稱為理想氣的氣體，稱為理想氣體。是一種理想化的物理模型。體。是一種理想化的物理模型。2.實際氣體實際

10、氣體 壓強(qiáng)不太大壓強(qiáng)不太大(與大氣壓相比與大氣壓相比)，溫度不太低，溫度不太低(與室溫與室溫相比相比)的條件下的條件下, 可近似地看成理想氣體可近似地看成理想氣體。3.氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程 反映氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度之間的關(guān)系式稱為反映氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度之間的關(guān)系式稱為氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程。 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五 v氣體的摩爾數(shù)；氣體的摩爾數(shù)； 摩爾質(zhì)量，摩爾質(zhì)量， R摩爾氣體常量，摩爾氣體常量，R=8.31J/molK。RTMpVvRTpV 或

11、4.理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程5.理想氣體的等溫線理想氣體的等溫線 當(dāng)氣體的溫度一定，當(dāng)氣體的溫度一定，P、V 之間的關(guān)系曲線稱為之間的關(guān)系曲線稱為理想氣體的等溫線。是一理想氣體的等溫線。是一條等軸的雙曲線。條等軸的雙曲線。1T2T3TVPO321TTT 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五三三、熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律1.熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng) (Thermodynamics system) 在熱力學(xué)中，一般把所研究的物體或物體組稱為在熱力學(xué)中，一般把所研究的物體或物

12、體組稱為熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱為，簡稱為系統(tǒng)系統(tǒng)。2.外界外界 熱力學(xué)系統(tǒng)以外的物體稱為熱力學(xué)系統(tǒng)以外的物體稱為外界外界。3.熱力學(xué)系統(tǒng)的分類熱力學(xué)系統(tǒng)的分類(1)孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng) 與外界沒有任何聯(lián)系與外界沒有任何聯(lián)系(即沒有任何即沒有任何能量能量或或物質(zhì)物質(zhì)的交的交換，或者聯(lián)系微弱，影響可以忽略不計換，或者聯(lián)系微弱，影響可以忽略不計) 的熱力學(xué)系統(tǒng)的熱力學(xué)系統(tǒng)稱為稱為: 孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)。 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五(2)封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng) 與外界只有能量的交換而沒有

13、物質(zhì)的交換的熱力學(xué)系統(tǒng)與外界只有能量的交換而沒有物質(zhì)的交換的熱力學(xué)系統(tǒng)稱為稱為: 封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)。(3)開放系統(tǒng)開放系統(tǒng) 與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的熱力學(xué)系統(tǒng)稱為與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的熱力學(xué)系統(tǒng)稱為:開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)。4.熱力學(xué)的平衡態(tài)熱力學(xué)的平衡態(tài)(1)熱力學(xué)的平衡狀態(tài)熱力學(xué)的平衡狀態(tài) 一個孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)，無論其初始的情況多么復(fù)雜，一個孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)，無論其初始的情況多么復(fù)雜，只要經(jīng)過足夠長的時間，系統(tǒng)都會達(dá)到某種特定的狀態(tài)，在只要經(jīng)過足夠長的時間，系統(tǒng)都會達(dá)到某種特定的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下孤立系統(tǒng)的這種狀態(tài)下孤立系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)宏觀性質(zhì)(溫度、壓強(qiáng)、體積溫度、壓強(qiáng)、體積)

14、在長時在長時間內(nèi)不會發(fā)生任何變化。這種狀態(tài)稱為間內(nèi)不會發(fā)生任何變化。這種狀態(tài)稱為熱力學(xué)的平衡狀態(tài)熱力學(xué)的平衡狀態(tài)。 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五(2)熱動平衡熱動平衡 熱力學(xué)的平衡狀態(tài)又稱為熱動平衡熱力學(xué)的平衡狀態(tài)又稱為熱動平衡。因為組成系。因為組成系統(tǒng)的分子或原子仍在作永不停息的熱運動，而且因為統(tǒng)的分子或原子仍在作永不停息的熱運動，而且因為碰撞，每個分子的速度經(jīng)常在變，碰撞，每個分子的速度經(jīng)常在變，但是系統(tǒng)的宏觀量但是系統(tǒng)的宏觀量不隨時間改變。宏觀上表現(xiàn)為平衡態(tài)。不隨時間

15、改變。宏觀上表現(xiàn)為平衡態(tài)。5.熱力學(xué)的平衡態(tài)的特點熱力學(xué)的平衡態(tài)的特點(1)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì) (溫度、壓強(qiáng)等溫度、壓強(qiáng)等)不隨時間變化。不隨時間變化。(2)組成系統(tǒng)的分子或原子在平衡態(tài)時仍然處在不停的組成系統(tǒng)的分子或原子在平衡態(tài)時仍然處在不停的 運動中。運動中。(3)不同的熱力學(xué)平衡系統(tǒng)，具有不同的宏觀物理性質(zhì)不同的熱力學(xué)平衡系統(tǒng)，具有不同的宏觀物理性質(zhì) (溫度、壓強(qiáng)等溫度、壓強(qiáng)等) 。 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五6.熱平衡與平衡過程熱平衡與平衡過程(1)絕熱

16、和透熱絕熱和透熱 如果被某器壁隔開的兩個熱力學(xué)系統(tǒng)之間，在不如果被某器壁隔開的兩個熱力學(xué)系統(tǒng)之間，在不發(fā)生物質(zhì)交換和力的相互作用的前提下，發(fā)生物質(zhì)交換和力的相互作用的前提下，兩個系統(tǒng)的兩個系統(tǒng)的狀態(tài)可以獨立的變化狀態(tài)可以獨立的變化，稱這兩個系統(tǒng)之間是，稱這兩個系統(tǒng)之間是絕熱的絕熱的，否則就是否則就是透熱透熱的。的。(2)熱接觸熱接觸 兩個通過兩個通過透熱物體透熱物體(透熱壁透熱壁)而相互接觸的系統(tǒng)稱為而相互接觸的系統(tǒng)稱為熱接觸熱接觸。(3)熱平衡熱平衡(系統(tǒng)之間的熱平衡系統(tǒng)之間的熱平衡) 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律

17、理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五(4)平衡過程平衡過程 從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化過程如果進(jìn)展的從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化過程如果進(jìn)展的十分緩慢十分緩慢，所經(jīng)歷的一系列中間狀態(tài)都，所經(jīng)歷的一系列中間狀態(tài)都無限接近平衡無限接近平衡態(tài)態(tài)，這個過程就稱為，這個過程就稱為平衡過程，又稱準(zhǔn)靜態(tài)過程平衡過程，又稱準(zhǔn)靜態(tài)過程。(5)實際過程實際過程 在實際問題中，除了一些進(jìn)行極快的過程在實際問題中，除了一些進(jìn)行極快的過程(如爆炸如爆炸過程過程)外，大多數(shù)情況下都可把實際過程近似看成是準(zhǔn)外，大多數(shù)情況下都可把實際過程近似看成是準(zhǔn)靜態(tài)過程。靜態(tài)過程。 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理

18、想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日星期五7.熱平衡定律熱平衡定律(熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律) 同時與同時與第三個第三個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的兩個系統(tǒng)兩個系統(tǒng)也必處于也必處于熱平衡狀態(tài)之中。這一經(jīng)驗規(guī)律稱為熱平衡狀態(tài)之中。這一經(jīng)驗規(guī)律稱為熱平衡定律熱平衡定律，也稱，也稱為為熱力學(xué)第零定律。熱力學(xué)第零定律。 熱平衡定律是熱力學(xué)中的一條重要的基本規(guī)律熱平衡定律是熱力學(xué)中的一條重要的基本規(guī)律。ACCBAB如果如果A 和和C 處處于熱平衡狀態(tài)于熱平衡狀態(tài)B 和和C 也處于也處于熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)則則A 和和B 也處也處于熱平衡狀態(tài)于熱平衡狀態(tài) 大學(xué)物理大學(xué)物理 12-1 平衡態(tài)平衡態(tài) 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 理學(xué)院 物理系 2021年11月12日