12-1溫度理想氣體狀態(tài)方程ppt課件

1、熱熱 學學 熱現(xiàn)象：與溫度有關的物理性質(zhì)的變化，統(tǒng)稱為熱現(xiàn)象。熱現(xiàn)象：與溫度有關的物理性質(zhì)的變化，統(tǒng)稱為熱現(xiàn)象。物體受熱后，溫度升高，體積膨脹；水被加熱后，物體受熱后，溫度升高，體積膨脹；水被加熱后，熱學是研究熱現(xiàn)象的理論。熱學是研究熱現(xiàn)象的理論。在在15921600年間，年間，伽利略制作了人類第伽利略制作了人類第一支空氣溫度計一支空氣溫度計李冰父子利用巖石李冰父子利用巖石加熱再驟冷會裂開加熱再驟冷會裂開的原理開鑿都江堰的原理開鑿都江堰熱學發(fā)展歷史熱學發(fā)展歷史1714 年法倫海脫年法倫海脫建立的華氏溫標，建立的華氏溫標，1742 年攝爾修斯年攝爾修斯建立的攝氏溫標建立的攝氏溫標隨著蒸汽機的廣泛

2、應用，隨著蒸汽機的廣泛應用， 促使促使人們對水蒸氣熱力性質(zhì)的研究人們對水蒸氣熱力性質(zhì)的研究及對改善蒸汽機性能的研究，及對改善蒸汽機性能的研究，從而推動了熱學的發(fā)展。從而推動了熱學的發(fā)展。19世紀熱力學第一定律世紀熱力學第一定律和第二定律誕生和第二定律誕生開爾文開爾文魯?shù)婪螋數(shù)婪蚩藙谛匏箍藙谛匏顾_迪薩迪卡諾卡諾路德維希路德維希玻爾茲曼玻爾茲曼約西亞約西亞威拉德威拉德吉布斯吉布斯科學家進一步追根問底科學家進一步追根問底, , 希望從分子和原子希望從分子和原子的微觀層次上來說明物理規(guī)律的微觀層次上來說明物理規(guī)律, , 氣體分子動氣體分子動理論應運而生理論應運而生 . .玻爾茲曼與吉布斯發(fā)展了經(jīng)玻爾茲

3、曼與吉布斯發(fā)展了經(jīng)典統(tǒng)計力學。典統(tǒng)計力學。量子力學的引進而建立了量子統(tǒng)計力學，量子力學的引進而建立了量子統(tǒng)計力學，同時非平衡態(tài)理論更進一步的發(fā)展，形同時非平衡態(tài)理論更進一步的發(fā)展，形成了近代理論與實驗物理學中最重要的成了近代理論與實驗物理學中最重要的一環(huán)。一環(huán)。 熱學的研究方法熱學的研究方法1.1.宏觀法宏觀法由觀察和實驗總結出來的熱現(xiàn)象規(guī)律，構成熱現(xiàn)象的由觀察和實驗總結出來的熱現(xiàn)象規(guī)律，構成熱現(xiàn)象的宏觀理論，叫做熱力學。宏觀理論，叫做熱力學。2. 2. 微觀法微觀法從物質(zhì)微觀結構出發(fā)，即從分子、原子的運動和它們從物質(zhì)微觀結構出發(fā)，即從分子、原子的運動和它們之間的相互作用出發(fā)，去研究熱現(xiàn)象的規(guī)

4、律。熱現(xiàn)象之間的相互作用出發(fā)，去研究熱現(xiàn)象的規(guī)律。熱現(xiàn)象的微觀理論叫統(tǒng)計物理學。的微觀理論叫統(tǒng)計物理學。熱力學三大定律熱力學三大定律分子運動論，統(tǒng)計力學和漲落現(xiàn)象理論分子運動論，統(tǒng)計力學和漲落現(xiàn)象理論宏觀基本實驗規(guī)律宏觀基本實驗規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律邏輯推理邏輯推理微觀模型、假設微觀模型、假設統(tǒng)計方法統(tǒng)計方法熱現(xiàn)象規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律在熱力學中，所研究的物體或物體組叫做熱力學系統(tǒng)。在熱力學中，所研究的物體或物體組叫做熱力學系統(tǒng)。能量交換和物質(zhì)交換能量交換和物質(zhì)交換系統(tǒng)所處的外部環(huán)境稱為外界。系統(tǒng)所處的外部環(huán)境稱為外界。大量微觀粒子分子、原子構成的體積有限的物體體系大量微觀粒子分子、原子構成的體積有

5、限的物體體系體積無限系統(tǒng)如宇宙）、少量粒子系統(tǒng)體積無限系統(tǒng)如宇宙）、少量粒子系統(tǒng)都不是熱力學系統(tǒng)。都不是熱力學系統(tǒng)。 開放系統(tǒng)：與外界既有能量開放系統(tǒng)：與外界既有能量 又有粒子交換。又有粒子交換。 孤立系統(tǒng)：與外界沒有任何相互作用，孤立系統(tǒng)：與外界沒有任何相互作用，既既 無能量交換、也無粒子交無能量交換、也無粒子交換。換。 封閉系統(tǒng)：與外界有能量交換、封閉系統(tǒng)：與外界有能量交換、 但無粒子交換。但無粒子交換。剛性絕熱壁剛性絕熱壁外界外界孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)外界外界開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)外界外界導熱壁導熱壁外界外界封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)導熱壁導熱壁剛性絕熱壁剛性絕熱壁外界外界系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)

6、系統(tǒng)外界外界外界外界導熱壁導熱壁外界外界系統(tǒng)系統(tǒng)例，保溫瓶。例，保溫瓶。例，鐵桶中放入熱水，例，鐵桶中放入熱水，再封閉起來。再封閉起來。例，鋁壺在火上燒水。例，鋁壺在火上燒水。導熱壁導熱壁孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)一、平衡態(tài)一、平衡態(tài)在不受外界條件影響下，經(jīng)過足夠長的時間后，系統(tǒng)在不受外界條件影響下，經(jīng)過足夠長的時間后，系統(tǒng)必將達到一個宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)，叫做平必將達到一個宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)，叫做平衡態(tài)。衡態(tài)。平衡態(tài)的特征：平衡態(tài)的特征：系統(tǒng)內(nèi)沒有宏觀粒子流動和能量流動。系統(tǒng)內(nèi)沒有宏觀粒子流動和能量流動。處在平衡態(tài)的系統(tǒng)的宏觀量不隨時間改變，但是組成系統(tǒng)的

7、處在平衡態(tài)的系統(tǒng)的宏觀量不隨時間改變，但是組成系統(tǒng)的大量分子仍在作熱運動，而且因為碰撞，每個分子的速度經(jīng)大量分子仍在作熱運動，而且因為碰撞，每個分子的速度經(jīng)常在變，這稱為熱動平衡。常在變，這稱為熱動平衡。A部氣體部氣體B部部平衡態(tài)平衡態(tài)冷冷熱熱穩(wěn)定態(tài)穩(wěn)定態(tài)1）2）穩(wěn)定態(tài)：有能量流或粒子流，各處宏觀性質(zhì)不隨時間穩(wěn)定態(tài)：有能量流或粒子流，各處宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。變化的狀態(tài)。平衡態(tài)是一種理想狀態(tài)，在實際中并不存在完全不受外界影平衡態(tài)是一種理想狀態(tài)，在實際中并不存在完全不受外界影響，而宏觀性質(zhì)絕對保持不變的系統(tǒng)，所以，平衡態(tài)是一個響，而宏觀性質(zhì)絕對保持不變的系統(tǒng)，所以，平衡態(tài)是一個理想的概念。

8、但是在許多實際問題中，可以把實際狀態(tài)近似理想的概念。但是在許多實際問題中，可以把實際狀態(tài)近似地當作平衡態(tài)來處理。地當作平衡態(tài)來處理。熱力學系統(tǒng)的平衡狀態(tài)應理解為熱力學系統(tǒng)的平衡狀態(tài)應理解為 A.系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)；系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)；B.系統(tǒng)各處壓強和溫度相同的狀態(tài)；系統(tǒng)各處壓強和溫度相同的狀態(tài)；C.系統(tǒng)在恒定的外界條件下，與外界無宏觀能量和系統(tǒng)在恒定的外界條件下，與外界無宏觀能量和物質(zhì)交換時，經(jīng)足夠長時間后達到的穩(wěn)定狀態(tài)；物質(zhì)交換時，經(jīng)足夠長時間后達到的穩(wěn)定狀態(tài)；D.系統(tǒng)中每個分子都處于平衡的狀態(tài)。系統(tǒng)中每個分子都處于平衡的狀態(tài)。#1a0801001a二、狀態(tài)參量

9、二、狀態(tài)參量我們把可以獨立變化又足以確定熱力學系統(tǒng)平衡態(tài)的一組宏我們把可以獨立變化又足以確定熱力學系統(tǒng)平衡態(tài)的一組宏觀物理量稱為狀態(tài)參量。觀物理量稱為狀態(tài)參量。描述熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)參量：描述熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)參量：1幾何參量如體積）幾何參量如體積）2力學參量如壓強）力學參量如壓強）3化學參量如系統(tǒng)中各種成分的摩爾數(shù)）化學參量如系統(tǒng)中各種成分的摩爾數(shù)）4電磁參量如電場強度和磁場強度）電磁參量如電場強度和磁場強度）在一般情況下，需在一般情況下，需使用以上四類狀態(tài)使用以上四類狀態(tài)參量來描述熱力學參量來描述熱力學系統(tǒng)的平衡態(tài)。系統(tǒng)的平衡態(tài)。態(tài)函數(shù)：由平衡態(tài)確定的其他宏觀物理量如溫度，內(nèi)能等態(tài)函數(shù)：由平衡

10、態(tài)確定的其他宏觀物理量如溫度，內(nèi)能等都可以表示為這四類狀態(tài)參量的函數(shù)，稱為態(tài)函數(shù)。都可以表示為這四類狀態(tài)參量的函數(shù)，稱為態(tài)函數(shù)。廣延量：具有可加性，廣延量：具有可加性， 如體積，內(nèi)能等等如體積，內(nèi)能等等強度量：不具有可加性，強度量：不具有可加性， 如溫度，壓強等等如溫度，壓強等等宏觀物理量宏觀物理量日常生活中，常用溫度來表示冷熱的程度。日常生活中，常用溫度來表示冷熱的程度。極寒極寒 40或低于此值或低于此值 暖和暖和 1819.9 嚴寒嚴寒 2029.9 暖暖2021.9 大寒大寒 1014.9 熱熱 2224.9 小寒小寒 59.9 炎熱炎熱 2527.9 微寒微寒 04.9 炎熱炎熱 30

11、34.9涼涼 59.9 奇熱奇熱 3539 溫涼溫涼 1011.9 極熱極熱 高于高于40 ABC一、熱力學第零定律一、熱力學第零定律在不受外界影響的情況下，只要在不受外界影響的情況下，只要A和和B同時與同時與C處于熱平衡，處于熱平衡，即使即使A和和B沒有接觸，它們也必定處于熱平衡，此規(guī)律被稱為沒有接觸，它們也必定處于熱平衡，此規(guī)律被稱為熱力學第零定律。熱力學第零定律。AB熱接觸：各處于一定平衡態(tài)的兩個熱力學系統(tǒng)相互接熱接觸：各處于一定平衡態(tài)的兩個熱力學系統(tǒng)相互接觸，使它們之間發(fā)生傳熱觸，使它們之間發(fā)生傳熱熱接觸。熱接觸。熱平衡：熱接觸后的兩個系統(tǒng)，經(jīng)一段時間后，達到熱平衡：熱接觸后的兩個系統(tǒng)

12、，經(jīng)一段時間后，達到共同的平衡態(tài)，稱為熱平衡。共同的平衡態(tài)，稱為熱平衡。一、熱力學第零定律一、熱力學第零定律在不受外界影響的情況下，只要在不受外界影響的情況下，只要A和和B同時與同時與C處于處于熱平衡，即使熱平衡，即使A和和B沒有接觸，它們也必定處于熱平?jīng)]有接觸，它們也必定處于熱平衡，此規(guī)律被稱為熱力學第零定律。衡，此規(guī)律被稱為熱力學第零定律。熱力學第零定律為建立溫度概念提供了實驗基礎。熱力學第零定律為建立溫度概念提供了實驗基礎?；闊崞胶獾南到y(tǒng)具有相同的溫度?；闊崞胶獾南到y(tǒng)具有相同的溫度。推證：互為熱平衡的熱力學系統(tǒng)具有一個數(shù)值相等的狀態(tài)推證：互為熱平衡的熱力學系統(tǒng)具有一個數(shù)值相等的狀態(tài)函

13、數(shù)，這個函數(shù)定義為溫度。函數(shù)，這個函數(shù)定義為溫度。溫度的數(shù)值表示法叫溫標。溫度的數(shù)值表示法叫溫標。1、經(jīng)驗溫標、經(jīng)驗溫標二、溫標二、溫標經(jīng)驗溫標的三要素：經(jīng)驗溫標的三要素：1選擇測溫物質(zhì)，確定測溫屬性；選擇測溫物質(zhì)，確定測溫屬性；2選定固定點；選定固定點；3規(guī)定測溫屬性隨溫度的變化關系規(guī)定測溫屬性隨溫度的變化關系凡是以某種物質(zhì)的某一特性隨冷熱程度的變化凡是以某種物質(zhì)的某一特性隨冷熱程度的變化為依據(jù)而確定的溫標為經(jīng)驗溫標。為依據(jù)而確定的溫標為經(jīng)驗溫標。ABA 和和 B 熱平衡，熱平衡， TA=TB ；B A， A 改變很小，改變很小，TB 基本基本是原來體系是原來體系 A 的溫度的溫度冰點：冰點

14、：0C(1atm，純冰和純水混合物，純冰和純水混合物)汽點：汽點：100C1atm，純水和水蒸氣混合物），純水和水蒸氣混合物）測溫屬性隨溫度作線性變化測溫屬性隨溫度作線性變化歷史上的攝氏溫標歷史上的攝氏溫標問題：用各種不同的攝氏溫度計測量同一對象的溫度時，所問題：用各種不同的攝氏溫度計測量同一對象的溫度時，所得結果是否相同呢？得結果是否相同呢？溫溫 度度 計計測溫屬性測溫屬性定體氣體溫度計定體氣體溫度計定壓氣體溫度計定壓氣體溫度計鉑電阻溫度計鉑電阻溫度計鉑鉑-鉑銠熱電偶溫度計鉑銠熱電偶溫度計液體溫度計液體溫度計壓強壓強體積體積電阻電阻熱電動勢熱電動勢液柱長度液柱長度幾種常用的溫度計幾種常用的溫

15、度計tC20406080100溫度計低于橫坐溫度計低于橫坐標的值：標的值： t t-0.1-0.2-0.3-0.4水銀水銀二氧化碳定壓二氧化碳定壓鉑鉑- -鉑銠熱電偶鉑銠熱電偶鉑電阻鉑電阻橫坐標表示氫定容溫度計橫坐標表示氫定容溫度計縱坐標表示其他溫度計讀數(shù)低于橫坐標的值縱坐標表示其他溫度計讀數(shù)低于橫坐標的值用不同的測溫物質(zhì)所建立的攝氏溫標，除冰點和汽點用不同的測溫物質(zhì)所建立的攝氏溫標，除冰點和汽點按規(guī)定相同外，其他溫度并不嚴格一致。按規(guī)定相同外，其他溫度并不嚴格一致。不同的攝氏溫度計測溫值的差異不同的攝氏溫度計測溫值的差異 T pptr273.16KpTp定容氣體溫度計定容氣體溫度計比例系數(shù)比

16、例系數(shù)a由固定點來確定由固定點來確定固定點選水的三相點，并規(guī)定固定點選水的三相點，并規(guī)定它的溫度為它的溫度為273.16開開K）tr273.16Kpptr為氣體溫度計中的氣體為氣體溫度計中的氣體在水的三相點時的壓強在水的三相點時的壓強定壓氣體溫度計定壓氣體溫度計tr273.16KVTV2.理想氣體溫標理想氣體溫標OBMMhO位置不變，氣體體積相同，位置不變，氣體體積相同，壓強不同，則溫度不同。溫壓強不同，則溫度不同。溫度是壓強的函數(shù)。度是壓強的函數(shù)。tr273.16KpTptr273.16KVTV定容氣體溫度計定容氣體溫度計定壓氣體溫度計定壓氣體溫度計實驗結果表明：不論采用何種氣體，無論是定壓

17、還定容，所實驗結果表明：不論采用何種氣體，無論是定壓還定容，所建立的溫標在氣體壓強趨于零時，都趨于一共同的極限值。建立的溫標在氣體壓強趨于零時，都趨于一共同的極限值。tr00trtr273.16Klim273.16limppVpTKVp這個極限溫度叫做理想氣體溫標。這個極限溫度叫做理想氣體溫標。利用不同氣體作為測溫物利用不同氣體作為測溫物質(zhì)，所得溫度值相差很小。質(zhì)，所得溫度值相差很小。對于極低的溫度氣體的液化點以下和高溫對于極低的溫度氣體的液化點以下和高溫1200K左左右），理想氣體溫標就不適用了。右），理想氣體溫標就不適用了。理想氣體溫標不依賴于任何一種氣體的個性，用不同的氣體理想氣體溫標不

18、依賴于任何一種氣體的個性，用不同的氣體時所指示的溫度是相同的。時所指示的溫度是相同的。3.熱力學溫標熱力學溫標 一種不依賴于測溫物質(zhì)和測溫屬性的溫標，單位為開一種不依賴于測溫物質(zhì)和測溫屬性的溫標，單位為開爾文爾文K）。國際規(guī)定，熱力學溫標是最基本的溫標。）。國際規(guī)定，熱力學溫標是最基本的溫標。熱力學溫度是基本物理量，熱力學溫度是基本物理量， 1K等于水三相點熱力學溫等于水三相點熱力學溫度的度的1/273.16。熱力學溫標是一種理想化的溫標。理想氣體溫標在它所熱力學溫標是一種理想化的溫標。理想氣體溫標在它所能確定的溫度范圍內(nèi)，理想氣體溫標和熱力學溫標是完能確定的溫度范圍內(nèi)，理想氣體溫標和熱力學溫

19、標是完全一致的。全一致的。國際實用溫標三要素：國際實用溫標三要素：4、國際實用溫標、國際實用溫標ITS-90目前采用目前采用1990年國年國際溫標）際溫標）1定義固定點：純物質(zhì)的三相點，凝固點和沸點。定義固定點：純物質(zhì)的三相點，凝固點和沸點。2規(guī)定在不同的待測溫度區(qū)內(nèi)使用的標準測溫規(guī)定在不同的待測溫度區(qū)內(nèi)使用的標準測溫 儀器如熱電阻溫度計、輻射高溫計等）。儀器如熱電阻溫度計、輻射高溫計等）。3給定在不同的固定點之間標準測溫儀器讀數(shù)與國際給定在不同的固定點之間標準測溫儀器讀數(shù)與國際溫標值之間關系的內(nèi)插值公式。溫標值之間關系的內(nèi)插值公式。盡可能與作為基本溫標的熱力學溫標一致，還要使各國盡可能與作為

20、基本溫標的熱力學溫標一致，還要使各國都能以很高的準確度復現(xiàn)出同樣的溫標，而且所規(guī)定的都能以很高的準確度復現(xiàn)出同樣的溫標，而且所規(guī)定的測溫儀器應盡可能使用起來方便。測溫儀器應盡可能使用起來方便。規(guī)定攝氏溫標由熱力學溫標導出規(guī)定攝氏溫標由熱力學溫標導出一些實際的溫度值一些實際的溫度值熱力學零度是不能達到的。熱力學零度是不能達到的。-熱力學第三定律熱力學第三定律在一定的平衡態(tài)，熱力學系統(tǒng)具有確定的幾何參量、力學在一定的平衡態(tài)，熱力學系統(tǒng)具有確定的幾何參量、力學參量、電磁參量，同時也具有確定的溫度。參量、電磁參量，同時也具有確定的溫度。, ,0TF p Vfp V T或者對于一定質(zhì)量的氣體，可以用壓強

21、和體積來描述其平衡態(tài)，對于一定質(zhì)量的氣體，可以用壓強和體積來描述其平衡態(tài)，因此，溫度可寫為因此，溫度可寫為氣體狀態(tài)方程氣體狀態(tài)方程玻意耳定律玻意耳定律查理定律查理定律蓋蓋-呂薩克定律呂薩克定律實驗定律實驗定律物質(zhì)的量：基本量，單位摩爾物質(zhì)的量：基本量，單位摩爾mol）摩爾是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，所包含的基本單元的數(shù)目等于摩爾是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，所包含的基本單元的數(shù)目等于0.012kg 碳碳-12的原子數(shù)目。的原子數(shù)目。阿伏伽德羅常量阿伏伽德羅常量(Avogadro constant) NA=6.0221412927x 1023mol-1AMNvNM：質(zhì)量；：質(zhì)量；為摩爾質(zhì)量；分子數(shù)為摩爾質(zhì)量；分子數(shù)N ；為摩爾數(shù)為摩爾數(shù)玻意耳定律玻意耳定律理想氣體溫標的定義理想氣體溫標的定義理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程0.012kg碳碳-12中包