從宏觀上看,熱學(xué)研究物體的宏觀熱現(xiàn)象與溫度有關(guān)的物態(tài)的物理

1、青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義從宏觀上看從宏觀上看，熱學(xué)研究物體的，熱學(xué)研究物體的宏觀熱現(xiàn)象宏觀熱現(xiàn)象：與溫度有：與溫度有關(guān)的物態(tài)的物理性質(zhì)的變化。由觀察和實(shí)驗(yàn)來總結(jié)熱關(guān)的物態(tài)的物理性質(zhì)的變化。由觀察和實(shí)驗(yàn)來總結(jié)熱現(xiàn)象的規(guī)律，得出熱現(xiàn)象的宏觀理論，這部分稱為熱現(xiàn)象的規(guī)律，得出熱現(xiàn)象的宏觀理論，這部分稱為熱力學(xué)。力學(xué)。一熱力學(xué)一熱力學(xué)(thermodynamics)的研究對(duì)象與研究方法的研究對(duì)象與研究方法物態(tài)物態(tài)(state of matter)：物質(zhì)存在的物理狀態(tài)：物質(zhì)存在的物理狀態(tài)物質(zhì)主要存在三種基本物理狀態(tài)：物質(zhì)主要存在三種

2、基本物理狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)和氣態(tài)熱學(xué)是研究一切物態(tài)的熱現(xiàn)象的學(xué)科，我們這里熱學(xué)是研究一切物態(tài)的熱現(xiàn)象的學(xué)科，我們這里主主要研究氣態(tài)要研究氣態(tài)，但有時(shí)也會(huì)牽涉到固態(tài)和液態(tài)。，但有時(shí)也會(huì)牽涉到固態(tài)和液態(tài)。熱力學(xué)利用宏觀上可觀測的物理量，如：熱力學(xué)利用宏觀上可觀測的物理量，如：來研究熱現(xiàn)象的規(guī)律。來研究熱現(xiàn)象的規(guī)律。TVp,青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義單個(gè)分子單個(gè)分子 的運(yùn)動(dòng)是無序的，具有偶然性，遵循力學(xué)規(guī)的運(yùn)動(dòng)是無序的，具有偶然性，遵循力學(xué)規(guī)律。但律。但整體整體（大量分子）服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律（大量分子）服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律 。氣體動(dòng)理論利用不可直接測量的、描述個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)氣體動(dòng)

3、理論利用不可直接測量的、描述個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微觀量，如等，來研究熱現(xiàn)象的規(guī)律。狀態(tài)的微觀量，如等，來研究熱現(xiàn)象的規(guī)律。v從微觀上看從微觀上看，熱學(xué)主要研究，熱學(xué)主要研究宏觀熱現(xiàn)象的本質(zhì)宏觀熱現(xiàn)象的本質(zhì)，即宏，即宏觀熱現(xiàn)象的微觀解釋：觀熱現(xiàn)象的微觀解釋：構(gòu)成宏觀物體的大量微觀粒子構(gòu)成宏觀物體的大量微觀粒子的永不休止的無規(guī)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這部分稱為氣體的永不休止的無規(guī)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這部分稱為氣體動(dòng)理論，也稱為統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。動(dòng)理論，也稱為統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。宏宏觀量觀量微微觀量觀量統(tǒng)計(jì)平均統(tǒng)計(jì)平均青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義熱力學(xué)熱力學(xué) （宏觀研究方法）與氣體動(dòng)理論（微觀研究方（宏觀研

4、究方法）與氣體動(dòng)理論（微觀研究方法）比較：法）比較：宏觀研究方法宏觀研究方法1）具有可靠性；具有可靠性； 2）知其然而不知其所以然；知其然而不知其所以然； 3）應(yīng)用宏觀參量應(yīng)用宏觀參量 。微觀研究方法微觀研究方法 1）揭示宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)；揭示宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)；2）有局限性，與實(shí)際有局限性，與實(shí)際有偏差，不可任意推廣有偏差，不可任意推廣 .兩種方法的關(guān)系兩種方法的關(guān)系氣體動(dòng)理論氣體動(dòng)理論熱力學(xué)熱力學(xué)相輔相成相輔相成青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義二氣體的宏觀物態(tài)參量二氣體的宏觀物態(tài)參量用什么物理量來描述一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)？用什么物理量來描述一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)？一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，如果沒有外界因

5、素的影響，一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，如果沒有外界因素的影響，當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過足夠長的時(shí)間以后，將會(huì)達(dá)到一個(gè)當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過足夠長的時(shí)間以后，將會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的、宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，這一狀態(tài)穩(wěn)定的、宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，這一狀態(tài)稱為平衡態(tài)稱為平衡態(tài) .（理想狀態(tài)）（理想狀態(tài)）從微觀上看，組成氣體的分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)刻從微觀上看，組成氣體的分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)刻都在變化，所以，熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)是一種動(dòng)態(tài)都在變化，所以，熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡。平衡。一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)一般需要幾何參量、力一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)一般需要幾何參量、力學(xué)參量、化學(xué)參量、電磁參量和熱學(xué)參量來描述。對(duì)學(xué)參量、化學(xué)參量

6、、電磁參量和熱學(xué)參量來描述。對(duì)理想氣體，需要：理想氣體，需要：青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義1 氣體壓強(qiáng)氣體壓強(qiáng)(Pressure) p：作用于容器壁上單位面積：作用于容器壁上單位面積的正壓力（的正壓力（力學(xué)描述力學(xué)描述）。）。國際單位：國際單位：2mN1Pa12 體積體積(Volume)V：氣體所能達(dá)到的最大空間（：氣體所能達(dá)到的最大空間（幾幾何描述何描述）。）。 3333dm10L10m1單位：單位：51atm1.013 10 Pa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓： 緯度海平面處緯度海平面處, 時(shí)的大氣壓時(shí)的大氣壓.45C03 溫度溫度(Temperature)T：氣體冷熱程度的量

7、度（：氣體冷熱程度的量度（熱熱學(xué)描述學(xué)描述）。）。 tT15.273熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)(temperature scale)單位單位:開爾文開爾文(Kelvin)K青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義三理想氣體三理想氣體(ideal gas)物態(tài)方程物態(tài)方程(equation of state)理想氣體宏觀定義理想氣體宏觀定義：遵守三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律的氣體：遵守三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律的氣體 .玻意耳玻意耳(Boyle)定律定律查理查理(Charles)定律定律蓋蓋呂薩克呂薩克(Gay-Lussac)定律定律pVcT不變時(shí)不變時(shí)/p TcV不變時(shí)不變時(shí)/V Tcp不變時(shí)不變時(shí)記憶方法記憶方法BCG

8、TVp物態(tài)方程物態(tài)方程：描述物質(zhì)存在的物理狀態(tài)所需的參量之間：描述物質(zhì)存在的物理狀態(tài)所需的參量之間的函數(shù)關(guān)系。如理想氣體平衡態(tài)宏觀參量間的函數(shù)關(guān)的函數(shù)關(guān)系。如理想氣體平衡態(tài)宏觀參量間的函數(shù)關(guān)系系,Tfp V青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義11KmolJ31. 8R摩爾摩爾(mole)氣體常量氣體常量一定質(zhì)量的一定質(zhì)量的同種氣體同種氣體理想氣體物理想氣體物態(tài)方程態(tài)方程1 12212pVp VTTmpVRTRTM1 mol氣體的分子數(shù)為氣體的分子數(shù)為 Avogadro 常數(shù)常數(shù)236.022 10AN ( 個(gè)分子個(gè)分子/mol )對(duì)于理想氣體對(duì)于理想氣體青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島

9、科技大學(xué)大學(xué)物理講義pVRT如何計(jì)算？如何計(jì)算？RmolpVpVTTss molspVTRss molspVRT531.013 1022.4 10273.158.30711(J mo8.lK )31標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：51atm1.013 10 Pa273.15KT 1 mol氣體的體積氣體的體積2322.4L2.24 10mVo(0)C青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義五準(zhǔn)靜態(tài)過程五準(zhǔn)靜態(tài)過程(quasi-static process)（理想化的過程）（理想化的過程） 準(zhǔn)靜態(tài)過程：從一個(gè)平衡態(tài)到另一平衡態(tài)所經(jīng)過準(zhǔn)靜態(tài)過程：從一個(gè)平衡態(tài)到另一平衡態(tài)所經(jīng)過的每一中間狀態(tài)均可近似當(dāng)作

10、平衡態(tài)的過程的每一中間狀態(tài)均可近似當(dāng)作平衡態(tài)的過程 .氣體氣體活塞活塞砂子砂子),(111TVp),(222TVp1V2V1p2ppVo12青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義六功六功(work)（過程量）（過程量）準(zhǔn)靜態(tài)過程功的計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)過程功的計(jì)算lpSlFWdddVpWdd21dVVVpW注意：注意：作功與過程有關(guān)作功與過程有關(guān) .宏觀運(yùn)動(dòng)能量宏觀運(yùn)動(dòng)能量熱運(yùn)動(dòng)能量熱運(yùn)動(dòng)能量 功是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的量度，它引起系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)狀功是能量傳遞和轉(zhuǎn)換的量度，它引起系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化態(tài)的變化 .青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義21VV21VV21VV21dVVVpW0W

11、氣體對(duì)外界作功氣體對(duì)外界作功0W 氣體對(duì)外界不作功氣體對(duì)外界不作功0W 外界對(duì)氣體作正功，外界對(duì)氣體作正功，氣體對(duì)外界作負(fù)功氣體對(duì)外界作負(fù)功注意注意氣體對(duì)外界作功氣體對(duì)外界作功0W 外界對(duì)氣體作功外界對(duì)氣體作功0W 青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義1T2T21TT 七熱量七熱量(heat)（過程量）（過程量） 通過傳熱方式傳遞能量的量度，系統(tǒng)和外界之間通過傳熱方式傳遞能量的量度，系統(tǒng)和外界之間存在溫差而發(fā)生的能量傳遞存在溫差而發(fā)生的能量傳遞 .1）過程量：與過程有關(guān)；）過程量：與過程有關(guān)；2）等效性：改變系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作用相同；）等效性：改變系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作用相同； 宏觀運(yùn)動(dòng)宏

12、觀運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)功功分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)熱量熱量Q3）功與熱量的物理本質(zhì)不同）功與熱量的物理本質(zhì)不同 .1卡卡(calorie) = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡卡功與熱量的異同功與熱量的異同吸熱吸熱0Q 放熱放熱0Q 規(guī)定規(guī)定青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義作機(jī)械功改變系統(tǒng)作機(jī)械功改變系統(tǒng) 狀態(tài)的焦耳實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的焦耳實(shí)驗(yàn)AV作電功改變系統(tǒng)作電功改變系統(tǒng) 狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義八熱力學(xué)第一定律八熱力學(xué)第一定律我們可以通過作功、傳熱等方式，把外界的能我們可以通過作功、傳熱等方式，把外界的能量傳

13、給氣體。如果外界對(duì)氣體作正功，同時(shí)氣體又量傳給氣體。如果外界對(duì)氣體作正功，同時(shí)氣體又吸收熱量，根據(jù)能量守恒定律，氣體的能量必然增吸收熱量，根據(jù)能量守恒定律，氣體的能量必然增加。加。從宏觀上看，氣體增加的能量表現(xiàn)在哪里呢？從宏觀上看，氣體增加的能量表現(xiàn)在哪里呢？氣體變熱了，溫度升高了！氣體變熱了，溫度升高了！從微觀上看，氣體增加的能量又表現(xiàn)在哪里呢？從微觀上看，氣體增加的能量又表現(xiàn)在哪里呢？氣體分子運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能！氣體分子運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能！氣體分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子之間的勢能、分子內(nèi)氣體分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與分子之間的勢能、分子內(nèi)部原子振動(dòng)的動(dòng)能與原子間的勢能，總稱為氣體的部原子振動(dòng)的動(dòng)能與原子間的勢能，總稱

14、為氣體的內(nèi)內(nèi)能能(internal energy) 。青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義以后我們可以證明：以后我們可以證明：理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)。理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)。系統(tǒng)內(nèi)能為表征系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，它的增系統(tǒng)內(nèi)能為表征系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)，它的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關(guān)。過程無關(guān)。( )EE T由能量守恒定律：系統(tǒng)吸收的熱量由能量守恒定律：系統(tǒng)吸收的熱量Q青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義 實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)從 A 狀態(tài)變化到狀態(tài)變化到 B 狀態(tài)，可以采用狀態(tài)，可以采用

15、做功和傳熱的方法，不管經(jīng)過什么過程，只要始末狀態(tài)做功和傳熱的方法，不管經(jīng)過什么過程，只要始末狀態(tài)確定，外界做功和傳給系統(tǒng)的熱量之和保持不變確定，外界做功和傳給系統(tǒng)的熱量之和保持不變 .2AB1*pVo2AB1*pVo1122A BA BA BA BWQWQ1 21 20A B AA B AWQd()0WQ青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義 系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關(guān)關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關(guān) . 理想氣體內(nèi)能理想氣體內(nèi)能 : 表征系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)表征系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù) ,理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù) .2AB1*pVo2AB1*pVoABEC1 20A B AE( )EE T青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義九熱力學(xué)第一定律九熱力學(xué)第一定律WEEQ12 系統(tǒng)系統(tǒng)從外界吸收的熱量從外界吸收的熱量,一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加, 另另一部分使系統(tǒng)一部分使系統(tǒng)對(duì)外界對(duì)外界做功做功 .21dVVVpEQ準(zhǔn)靜態(tài)過程準(zhǔn)靜態(tài)過程VpEWEQddddd微小過程微小過程12*pVo1V2VWEWEEQ12青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義青島科技大學(xué)大學(xué)物理講義 1