熱學(xué)電子教案課件

1、熱學(xué)面向物理學(xué)本科學(xué)生主講：姚愷 1熱學(xué)內(nèi)容圖析總論量熱與量溫?zé)醾鬟f的一般規(guī)律熱力學(xué)平衡態(tài)的特征及充要條件熱力學(xué)第零定律、溫度和溫標(biāo)理想氣體定律和狀態(tài)方程熱學(xué)發(fā)展規(guī)律簡史研究對象及方法熱力學(xué)基礎(chǔ)（宏觀理論）分子運動論（微觀理論）熱學(xué)理論的應(yīng)用（物性學(xué)）1、熱力學(xué)第一定律；2、熱力學(xué)第二定律；3、熱機。1、分子運動論的實驗基礎(chǔ)及基本論點；2、理想氣體分子運動的規(guī)律（平衡態(tài)）；3、理想氣體內(nèi)遷移規(guī)律（非平衡態(tài)）。1、實際氣體、液體、固體的基本性質(zhì)；2、一級相變特征及基本規(guī)律。2古希臘（公元前611430年） 四元素說：萬物是由土、水、火、氣四種元素在數(shù)量上不同比例的配合組成的。我國殷商時期 五行學(xué)

2、說：金、木、水、火、土是構(gòu)成世界萬物的五種基本元素，稱為五行。中國古代提出的元氣說，就認(rèn)為熱（火） 是物質(zhì)元氣聚散變化的表現(xiàn)。3伽利略溫度計 16世紀(jì) (明) 從鉆木取火到商周的青銅器 4瓦特早期蒸汽機清初561807年 嘉慶12年71823年 道光3年 81892年 同治18年(仿哥窯五彩)91.官窯:南宋2.定窯:宋,河北曲陽3,汝窯:宋,河南寶豐4,哥窯:南宋,浙江龍泉5,均窯:宋,河南禹縣五大名窯:10主要參考書目：成績考核：平時作業(yè)10%、出勤及課堂討論10%、期末占80%秦允豪，熱學(xué)（第二版），高等教育出版社，2006趙凱華等，熱學(xué)，高等教育出版社，2005黃淑清等， 熱學(xué)教程，高

3、等教育出版社，2003李椿等，熱學(xué)，高等教育出版社，2004王竹溪，熱力學(xué)，北京大學(xué)出版社，2005張玉民等，熱學(xué)，科學(xué)出版社，2006李洪芳，熱學(xué)，復(fù)旦大學(xué)出版社，2001包科達，熱物理學(xué)基礎(chǔ)，高等教育出版社，2001Serway & Faughn , College Physics (Sixth Edition),清華大學(xué)出版社，2005 10、Sears and Zemanskys, University Physics (第10版)（上冊）， 機械工業(yè)出版社，200311、王楚等，熱學(xué)（基礎(chǔ)物理教程 面向21世紀(jì)課程教材），200312、 梁紹榮等，普通物理學(xué)，第二卷，高等教育出版社，

4、200611第一章 導(dǎo)論1.1 宏觀描述方法與微觀描述方法一、熱學(xué)的研究對象及其特點 1、熱物理學(xué)：是研究有關(guān)物質(zhì)的熱運動以及與熱相聯(lián)系的各種規(guī)律的科學(xué)。 2、熱現(xiàn)象：這些與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)的變化稱熱現(xiàn)象。 3、熱學(xué)研究對象：所有與熱相聯(lián)系的現(xiàn)象。 4、特點：熱物理學(xué)研究的是由數(shù)量很大的微觀粒子所組成的系統(tǒng)。 5、大數(shù)粒子：我們把數(shù)量級達到宏觀系統(tǒng)量級的粒子。12二、宏觀描述方法與微觀描述方法1、宏觀描述方法：熱力學(xué)方法熱力學(xué)：由觀察和實驗總結(jié)出來的熱現(xiàn)象規(guī)律，構(gòu)成熱現(xiàn)象的宏觀理論，叫做熱力學(xué)。熱力學(xué)方法的優(yōu)點： 熱力學(xué)基本定律是自然界中的普適規(guī)律，只要在數(shù)學(xué)推理過程中不加上其它假設(shè)，這些結(jié)

5、論也具有同樣的可靠性與普遍性。熱力學(xué)的局限性：1、它只適用于粒子數(shù)很多的宏觀系統(tǒng)；2、它主要研究物質(zhì)在平衡態(tài)下的性質(zhì)，它不能解答系統(tǒng)如何從非平衡態(tài)進入平衡態(tài)的過程；3、它把物質(zhì)看成為連續(xù)體，不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)132、微觀描述方法：統(tǒng)計物理學(xué) 統(tǒng)計物理學(xué)則是熱物理學(xué)的微觀描述方法，它從物質(zhì)由大數(shù)分子、原子組成的前提出發(fā)，運用統(tǒng)計的方法，把宏觀性質(zhì)看作由微觀粒子熱運動的統(tǒng)計平均值所決定，由此找出微觀量與宏觀量之間的關(guān)系。微觀描述方法的局限性：在于它在數(shù)學(xué)上遇到很大的困難，由此而作出簡化假設(shè)（微觀模型）后所得的理論結(jié)果與實驗不能完全符合。3、熱物理學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)統(tǒng)計物理學(xué)的初步知識液體、固體、相變等

6、物性學(xué)統(tǒng)計物理學(xué)方法的優(yōu)點：彌補熱力學(xué)的不足，使熱力學(xué)的理論獲得更深刻的意義141.2 熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)一、熱力學(xué)系統(tǒng)1、熱力學(xué)系統(tǒng)（系統(tǒng)）：被確定為研究對象的物體或物體系， 或熱學(xué)所研究的對象。3、孤立系統(tǒng)：與外界既不交換物質(zhì)又不交換能量的系統(tǒng)2、外界：系統(tǒng)邊界外部4、封閉系統(tǒng):與外界不交換物質(zhì)但可交換能量的系統(tǒng)5、開放系統(tǒng)：與外界既交換物質(zhì)又交換能量的系統(tǒng)熱力學(xué)與力學(xué)的區(qū)別熱力學(xué)參量：壓強、體積、溫度等熱力學(xué)的目的：基于熱力學(xué)的基本定律力學(xué)的目的：基于牛頓定律（力學(xué)參量）15二、平衡態(tài)與非平衡態(tài)1、平衡態(tài)真空孤立系統(tǒng)* 在不受外界條件影響下，經(jīng)過足夠長時間后系統(tǒng)必將達到一個宏觀上看來不隨

7、時間變化的狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做平衡態(tài)。定義：161）單一性（ 處處相等）;2）物態(tài)的穩(wěn)定性 與時間無關(guān)；3）自發(fā)過程的終點；4）熱動平衡（有別于力平衡）.2、非平衡態(tài) 在自然界中，平衡態(tài)是相對的、特殊的、局部的與暫時的，不平衡才是絕對的、普遍的、全局的和經(jīng)常的。平衡態(tài)的特點17三、熱力學(xué)平衡熱力學(xué)呈現(xiàn)平衡態(tài)的條件無熱流：熱學(xué)平衡條件，系統(tǒng)內(nèi)部溫度處處相等。無粒子流：力學(xué)平衡條件，系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間、系 統(tǒng)與外界之間應(yīng)達到力學(xué)平衡，通常情況下反 映為壓強處處相等。化學(xué)平衡：化學(xué)平衡條件，即在無外場下系統(tǒng)各部分的化 學(xué)組成應(yīng)是處處相等?？梢杂肞、V、 T圖來表示。只要上述三個條件一個得不到滿足，就是

8、非平衡態(tài)，不能用P、V、T圖來表示。181.3 物態(tài)方程一、物態(tài)方程平衡態(tài) 把處于平衡態(tài)的某種物質(zhì)的熱力學(xué)參量（如壓強、體積、溫度）之間所滿足的函數(shù)關(guān)系稱為該物質(zhì)的物態(tài)方程或稱為狀態(tài)方程。二、熱膨脹現(xiàn)象等溫壓縮系數(shù)體膨脹系數(shù)壓強系數(shù)線膨脹系數(shù)19四、混合理想氣體物態(tài)方程三、理想氣體物態(tài)方程對各向同性物質(zhì) 能嚴(yán)格滿足理想氣體物態(tài)方程的氣體被稱為理想氣體。201.4 溫度與溫度計一、溫度 日常生活中，常用溫度來表示冷熱的程度 在微觀上，則必須說明，溫度是處于熱平衡系統(tǒng)的微觀粒子熱運動強弱程度的度量。二、熱力學(xué)第零定律1、絕熱壁與導(dǎo)熱壁 設(shè)想有一個兩端開口的絕熱氣缸，其中部有一個不透氣的固定隔板把它

9、分割為兩部分。兩活塞分別把一定量氣體密封在左、右兩部分的汽缸中。若不管你怎樣移動左邊汽缸中的活塞，總是不會改變右邊氣缸中氣體的狀態(tài)，我們就稱固定于氣缸中央的隔板是絕熱壁，若右邊氣體的狀態(tài)可能隨左邊活塞的移動而改變，則這種隔熱板稱為透熱壁。21ACB絕熱壁ACBACB2、熱力學(xué)第零定律 在不受外界影響的情況下，只要A和B同時與C處于熱平衡，即使A和B沒有接觸，它們?nèi)匀惶幱跓崞胶鉅顟B(tài)，這種規(guī)律被稱為熱力學(xué)第零定律。223、熱力學(xué)第零定律的物理意義互為熱平衡的物體之間必存在一個相同的特征，即它們的溫度是相同的。第零定律不僅給出了溫度的概念，而且指出了判別溫度是否相同的方法。溫度計23三、溫標(biāo)1、溫標(biāo)

10、的建立溫度的數(shù)值表示法叫做溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)的三要素選擇測溫物質(zhì)，確定測溫參量（屬性）選定固定點進行分度，即規(guī)定測溫參量隨溫度的變化關(guān)系2、理想氣體溫標(biāo) 以氣體為測溫物質(zhì)，利用理想氣體狀態(tài)方程中體積（壓強）不變時壓強（體積）與溫度成正比關(guān)系所確定的溫標(biāo)稱為理想氣體溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)依賴于測溫物質(zhì)和測溫屬性的選取24V0不變Ptr為該氣體溫度計在水的三相點（氣、液、固三相共存）時的壓強（體積不變）Ptr/(133.3224Pa)373.0373.2374.02004006008001000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空氣由氣體溫度計所定出的溫標(biāo)稱為理想氣體溫標(biāo)25例1.1ABCVAMVBmT

11、0T0T如圖所示，若測得此時B的壓強讀數(shù)為p，求待測溫度T。解：測溫后測溫前壓力表B溫泡A解得：263、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)與蘭氏溫標(biāo)t是攝氏溫標(biāo)TR是蘭（金）氏溫標(biāo)汽點三相點冰點絕對零度英美等國使用671.67491.69491.670TRR蘭氏溫標(biāo)英美等國使用212.0032.0232.00-459.67tFF華氏溫標(biāo)國際通用100.000.010.00-273.15tC攝氏溫標(biāo)國際通用T=T373.15273.16273.150TK熱力學(xué)溫度通用情況與熱力學(xué)溫度的關(guān)系固定點的溫度值符號單位溫度274、熱力學(xué)溫標(biāo)是一種不依賴于測溫物質(zhì)和測溫屬性的溫標(biāo)5、國際實用溫標(biāo)實用溫度計簡介膨脹測溫法：

12、玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計壓力測溫法：壓力表式溫度計、蒸汽壓溫度計電磁學(xué)測溫法：電阻溫度計、溫差熱電偶溫度計、半導(dǎo)體溫度 計、頻率溫度計輻射測溫法：光學(xué)高溫計、比色高溫計、輻射高溫計聲學(xué)測溫法：聲學(xué)溫度計、噪聲溫度計開爾文281.5 物質(zhì)的微觀模型一、物質(zhì)是由大數(shù)分子組成 利用掃描隧道顯微鏡技術(shù)把一個個原子排列成 IBM 字母的照片. 物質(zhì)是由大數(shù)分子組成的論點是指宏觀物體是不連續(xù)的，它由大量分子或原子（離子）組成。29二、分子熱運動1、分子或原子處于不停的熱運動擴散布朗運動：懸浮在液體中的固體微粒的無規(guī)則運動關(guān)于布朗運動，要注意以下幾點：形成條件是：只要微粒足夠小。溫度越高，布朗運動越激烈

13、。觀察到的是固體微粒（不是液體，不是固體分子）的無規(guī)則運動，反映的是液體分子運動的無規(guī)則性。實驗中描繪出的是某固體微粒每隔30秒的位置的連線，不是該微粒的運動軌跡。微粒越小，小顆粒與液體分子接觸越少，不平衡的機會越大，布朗運動越明顯 物體里的分子永不停息地做無規(guī)則運動，這種運動跟溫度有關(guān)，所以通常把分子的這種運動叫做熱運動。302、漲落現(xiàn)象這種偏離統(tǒng)計平均值的現(xiàn)象稱為漲落現(xiàn)象 可以證明，在粒子數(shù)可自由出入的某空間范圍內(nèi)的粒子數(shù)的相對漲落反比于系統(tǒng)中粒子數(shù)N的平方根。應(yīng)用：小鏡子的小角度振蕩漲落電流的熱噪聲31三、分子間的吸引力與排斥力1、吸引力和排斥力 很多物質(zhì)的分子引力作用半徑約為分子直徑的

14、兩倍左右，超過這一距離，分子間相互作用力已很少。 排斥力作用半徑就是兩分子剛好“接觸”時兩質(zhì)心間的距離。2、分子力有如下幾個特點：分子間同時存在引力和斥力； 引力和斥力都隨著距離的增大而減??； 斥力比引力變化得快。32 分子力是一種電磁相互作用力，故它是一種保守力，它應(yīng)該有勢能，稱為分子作用力勢能。3、 F r 圖象o4、分子間作用力（指引力和斥力的合力）隨分子間距離而變的規(guī)律： rr0時表現(xiàn)為引力； r10r0以后，分子力變得十分微弱，可以忽略不計。 5、從本質(zhì)上來說，分子力是電場力的表現(xiàn)。 331.6 理想氣體微觀描述的初級理論一、理想氣體微觀模型1、分子本身線度比起分子間距離小得多而可忽

15、略不計Loschmidt常數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下分子間平均距離: 34氮分子半徑：2、除碰撞一瞬間外，分子間互作用力可忽略不計。 分子在兩次碰撞之間作自由的勻速直線運動3、處于平衡態(tài)的理想氣體，分子之間及分子與器壁間的碰撞是完全彈性碰撞 在常溫下，壓強在數(shù)個大氣壓以下的氣體，一般都能很好地滿足理想氣體方程。處于平衡態(tài)的氣體均具有分子混沌性4、分子的運動遵從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律 35二、單位時間內(nèi)碰在單位面積器壁上的平均分子數(shù)Aabcxyz036三、理想氣體壓強公式、 壓強的單位換算 設(shè) 邊長分別為 x、y 及 z 的長方體中有 N 個全同的質(zhì)量為 m 的氣體分子，計算 壁面所受壓強 .1、理想氣體壓強公式3

16、7單個分子對器壁碰撞特性 : 偶然性 、不連續(xù)性. 大量分子對器壁碰撞的總效果 ： 恒定的、持續(xù)的力的作用 .熱動平衡的統(tǒng)計規(guī)律 （ 平衡態(tài) ）1）分子按位置的分布是均勻的 2）分子沿各方向運動概率均等分子運動速度38各方向運動概率均等 方向速度平方的平均值各方向運動概率均等39 單個分子遵循力學(xué)規(guī)律 x方向動量變化分子施于器壁的沖量兩次碰撞間隔時間單位時間碰撞次數(shù)單個分子單位時間施于器壁的沖量40 大量分子總效應(yīng) 單位時間 N 個粒子對器壁總沖量 器壁 所受平均沖力 41氣體壓強統(tǒng)計規(guī)律分子平均平動動能42壓強的物理意義 統(tǒng)計關(guān)系式宏觀可測量量微觀量的統(tǒng)計平均值分子平均平動動能 壓強是大量分子對時間、對面積的統(tǒng)計平均結(jié)果 .43壓強的單位P.33 表1.42、3、44四、溫度的微觀意義氣體分子的均方根速率：溫度的微觀意義：絕對溫度是分子熱運動劇烈