熱學(xué)弟章導(dǎo)論

熱學(xué)弟章導(dǎo)論第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3、熱力學(xué)第零定律實驗表明：則A與B熱平衡。ACBACBACB絕熱壁分別與第三個熱力學(xué)系統(tǒng)處于同一熱平衡態(tài)的兩個系統(tǒng)必然也處于熱平衡?！獰崃W(xué)第零定律（熱平衡定律）物理意義：1.溫度的定義：處于同一熱平衡的熱力學(xué)系統(tǒng)具有共同的宏觀性質(zhì)，表征這一性質(zhì)的物理量稱為溫度。第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六2.為溫度的的測量提供了依據(jù)：一切處于同一熱平衡態(tài)的系統(tǒng)有相同的溫度。溫度的概念：

宏觀：熱平衡系統(tǒng)所具有的共同宏觀性質(zhì)熱平衡溫度相同微觀：溫度是分子熱運動劇烈程度的量度。溫度計：作為標(biāo)準(zhǔn)的合適的熱平衡系統(tǒng)。第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六二、溫標(biāo)（temperaturescale）——溫度的數(shù)值表示方法

1、經(jīng)驗溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)的三要素測溫物質(zhì)和測溫屬性固定標(biāo)準(zhǔn)點進(jìn)行分度，即規(guī)定測溫參量隨溫度的變化關(guān)系溫標(biāo)的建立(以液體－攝氏溫標(biāo)為例)（1）水銀－測溫物質(zhì);體積隨溫度變化－測溫屬性（2）1atm水冰點－0攝氏度;水沸點－100攝氏度（3）確定測溫屬性隨溫度的變化關(guān)系，對固定的溫度間隔做出標(biāo)度。經(jīng)驗溫標(biāo)的缺陷：測溫依賴于測溫物質(zhì)和測溫屬性。第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六2、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（或壓強(qiáng)）不變時壓強(qiáng)（或體積）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)。

氣體溫度計分為定容及定壓氣體溫度計。

圖1.2定體氣體溫度計

定體氣體溫度計：

由理想氣體定律知

T(p)=pV0/R=ap（1.1）

標(biāo)準(zhǔn)溫度固定點（1954年國際規(guī)定）水的三相點：水，冰和水蒸汽共存時的平衡態(tài)溫度。Ttr

＝273.16K分度：第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六Ptr為該氣體溫度計在水的三相點時的壓強(qiáng)理想氣體溫標(biāo)分度公式Ptr/(133.3224Pa)373.0373.2374.02004006008001000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空氣實驗表明：時，四條線會聚于一點，對應(yīng)相同的數(shù)值373.15k。優(yōu)點：測溫不依賴于測溫物質(zhì)與測溫屬性的個性。缺點：有一定的適用范圍。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)與蘭氏溫標(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)溫標(biāo)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第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六4、熱力學(xué)溫標(biāo)是一種完全不依賴于測溫物質(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：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、噪聲溫度計開爾文可以證明：在理想氣體溫標(biāo)有效范圍內(nèi)，兩種溫標(biāo)一致。是建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的理想溫標(biāo)。第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六Mm[例1]圖示為在低溫測量中常用的壓力表式氣體溫度計，A是測溫泡，B是壓力計，兩者通過導(dǎo)熱性能差的毛細(xì)管C相連通，細(xì)管容積比A、B的容積VAVB

小得多可忽略，測量時先把溫度計在室溫T0下充氣到壓強(qiáng)

P0加以密封，再將A與待測溫系統(tǒng)熱接觸，而B保持室溫不變，若測得此時B的壓強(qiáng)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：ABCVAVBT0T0T第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六§1.5物質(zhì)的微觀模型

宏觀物體都是不連續(xù)的,并由大量不停息地運動著的、彼此有相互作用的分子或原子組成.

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.

現(xiàn)代的儀器已可以觀察和測量分子或原子的大小以及它們在物體中的排列情況,例如X光分析儀,電子顯微鏡,掃描隧道顯微鏡等.一、物質(zhì)由大數(shù)分子組成，且分子間有間隙。第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六

Si單晶的原子像（透射電子顯微鏡照片）

對于由大量分子組成的熱力學(xué)系統(tǒng)從微觀上加以研究時,必須用統(tǒng)計的方法.2nm宏觀物體都是不連續(xù)的，分子或原子間存在空隙。有很多現(xiàn)象能說明這一特征。例如氣體易被壓縮；水在40000atm的壓強(qiáng)下，體積減為原來的1/3；

等等第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六二、分子運動的觀點：組成物質(zhì)的分子在永不停息地作無規(guī)則的熱運動。（1）擴(kuò)散（diffusion）1摩爾氧1摩爾氮氧.氮混合氣體

氣體和液體中的擴(kuò)散現(xiàn)象是分子熱運動所致。

固體中的擴(kuò)散現(xiàn)象通常不大顯著，只有高溫下才有明顯效果。因溫度越高，分子熱運動越劇烈，因而越易擠入分子之間。標(biāo)準(zhǔn)狀況下：第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六（2）布朗(Brown)運動1827年布朗從顯微鏡中看到懸浮在液體中的花粉作無規(guī)則的雜亂運動。圖為直徑為10－4cm懸浮水中的藤黃顆粒作布朗運動的情況1877年德耳索指出這是由于微粒受到周圍液體分子碰撞不平衡而引起的。溫度越高，布朗運動越劇烈；微粒越小，布朗運動越明顯。

第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六（3）漲落現(xiàn)象（fluctuationphenomena）隨機(jī)地偏離統(tǒng)計平均值的現(xiàn)象稱為漲落現(xiàn)象，是統(tǒng)計規(guī)律的一種基本特征。

漲落：宏觀量的實際測量值與統(tǒng)計平均值的偏差。可以證明，在粒子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.

粒子數(shù)越少，漲落現(xiàn)象越明顯其相對均方根偏差稱為相對漲落。在數(shù)值上，第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六1、引力（1）能說明分子間存在吸引力的現(xiàn)象①

汽化熱；②鋸斷的鉛柱加壓可黏合；③玻璃熔化可接合；④膠水、漿糊的黏合作用；（2）分子吸引力作用半徑三、分子力觀點：分子間有相互作用力，此力為短程力，引力、斥力視距離而定。2、

排斥力（1）能說明排斥力的現(xiàn)象：①固體、液體能保持一定體積而很難壓縮；②氣體分子經(jīng)過碰撞而相互遠(yuǎn)離。（2）排斥力作用半徑兩分子剛好“接觸”時兩質(zhì)心間的距離。對于同種分子，它就是分子的直徑。平衡位置第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3、分子力與分子熱運動

分子力使分子空間排列呈有序性。分子熱運動卻使分子盡量相互散開呈無序性。

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。平衡位置第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六討論：1.5.2試估計水的分子互作用勢能的數(shù)量級，可近似認(rèn)為此數(shù)量級與每個分子所平均分配到的汽化熱數(shù)量級相同。再估計兩個鄰近水分子間的萬有引力勢能的數(shù)量級，判斷分子力是否可能來自萬有引力。已知：水的汽化熱為，它的兩最鄰近分子質(zhì)量中心之間的距離為：

它的摩爾汽化熱為每個分子平均分?jǐn)偟降钠療幔?/p>

即水分子互作用勢能的數(shù)量級。每個分子所平均分?jǐn)偟降娜f有引力勢能的數(shù)量級為第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六§1.6理想氣體微觀描述的初級理論

1、分子線度比分子間距小得多，可忽略不計。一、理想氣體微觀模型實驗證實對理想氣體可作如下基本假定：1)洛施密特常量——標(biāo)準(zhǔn)狀況下1m3理想氣體中的分子數(shù)，以n0表示。2）標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體分子間平均距離

每個分子平均分配到自由活動體積為1/n0m第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六3)氮分子半徑

已知液氮（溫度為77K，壓強(qiáng)為0.10Mpa）密度為＝0.8×103kg/m3

，氮的摩爾質(zhì)量Mm=28×10-3kg。

設(shè)n為液氮分子數(shù)密度，氮分子質(zhì)量為m，若認(rèn)為液氮是由球形氮分子緊密堆積而成，且不考慮分子間空隙，則1/n=(4/3)r3

其中r是氮分子半徑。于是得

=nm,Mm=NAm，4）比較分子之間平均距離和分子直徑第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六2、除碰撞瞬間外，分子間互作用力可忽略不計。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。

4、分子的運動遵從牛頓力學(xué)的規(guī)律（分子在兩次碰撞之間作自由的勻速直線運動）常溫常壓下，理想氣體分子兩次碰撞間平均走過的路程是分子大小200倍左右.（碰撞只改變分子運動的方向，不改變速率和動能）理想氣體模型——無分子力的彈性質(zhì)點模型第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六處于平衡的氣體均具有各向同性，即氣體在各方向上的物理性質(zhì)都相同，反之稱為各向異性。二、平衡態(tài)理想氣體分子的統(tǒng)計假設(shè)2)分子沿各方向運動的概率相同.(運動無擇優(yōu)取向)1)無外場時，平衡態(tài)下氣體分子均勻分布。（分子在各處出現(xiàn)的概率相同）第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六三、單位時間內(nèi)碰在單位面積器壁上平均分子數(shù)雖然單個分子在何時相碰，碰在何處是隨機(jī)的，但處于平衡態(tài)下大數(shù)分子所組成的系統(tǒng)應(yīng)遵循一定統(tǒng)計規(guī)律。

氣體分子碰撞碰壁數(shù)

：處于平衡態(tài)下的理想氣體在單位時間內(nèi)碰撞在單位面積上的平均分子數(shù)。ΔAabcxyz0設(shè)氣體分子數(shù)密度為n，每一分子均以平均速率運動。作業(yè)：1.4.2，1.5.1，1.6.2第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六四、理想氣體的壓強(qiáng)公式:2、公式推導(dǎo)：1、微觀實質(zhì)：大量分子不斷對器壁碰撞，而使器壁單位面積上所受到的平均沖力。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(qiáng).第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六

單個分子遵循的力學(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第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六

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

單個分子單位時間施于器壁的沖量第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期六氣體壓強(qiáng)統(tǒng)計規(guī)律分子平均平動動能器壁