第一章溫度2課件

§1.1熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參量、平衡態(tài)一、熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)（簡稱系統(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。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)外界：系統(tǒng)邊界外部封閉系統(tǒng)：與外界不交換物質(zhì)但可交換能量的系統(tǒng)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）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時間變化的狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做平衡態(tài)。平衡態(tài)的特點1）單一性（p，T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。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?；瘜W(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。平衡態(tài)可以用P、V、T圖來表示。只要上述三個條件一個得不到滿足，就是非平衡態(tài)，不能用P、V、T圖來表示。*§1.2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§1.2溫度與溫度計二、熱力學(xué)第零定律1、絕熱壁與導(dǎo)熱壁2、熱力學(xué)第零定律ACBACBACB絕熱壁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。3、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。溫度計三、溫標(biāo)（一）溫標(biāo)的定義及建立1、溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示法（溫度的量化）2、溫標(biāo)的建立水銀攝氏溫度計液態(tài)水銀的體積變化來反映溫度變化標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下：冰水混合物溫度為0度沸水溫度為100度體積的變化與溫度成線性關(guān)系推廣選定測溫屬性選定固定點(參考點)規(guī)定變化關(guān)系（線性關(guān)系）建立溫標(biāo)的三要素三、溫標(biāo)溫度計測溫屬性定容氣體溫度計氣體壓強定壓氣體溫度氣體體積鉑電阻溫度計電阻熱電偶溫度計熱電動勢液體溫度液柱長度薄膜溫度計變色等討論：？攝氏溫標(biāo)的同一性常用攝氏溫度計020406080100120△t/℃t/℃氫定容溫度計水銀溫度計鉑電阻溫度計二氧化碳定壓總結(jié)：1、各種攝氏溫標(biāo)除了所選固定點，都不存在同一性；2、規(guī)定了一種測溫屬性與溫度是線性關(guān)系，則其他屬性就不一定是嚴格線性關(guān)系；3、各種攝氏溫標(biāo)需要標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)校準(zhǔn)——理想氣體溫標(biāo)；三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)1、氣體溫度計：定容氣體溫度計：V一定；T(p)定壓氣體溫度計：p一定；T(V)三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)2、定容氣體溫標(biāo)建立：

測溫屬性

一定質(zhì)量氣體在定容下的壓強

固定點水的三相點——273.16K

線性關(guān)系確定系數(shù)a:2溫標(biāo)(三)理想氣體溫標(biāo)2、定容氣體溫標(biāo)討論:?同一性以測溫泡內(nèi)的氣體作為研究對象氣體質(zhì)量與同一性?氣體種類與同一性?結(jié)論:

同一氣體,ptr↓,△T↓;ptr→0,△T→0不同氣體,ptr→0,△T→0當(dāng)ptr→0時,定容氣體溫標(biāo)與氣體種類及質(zhì)量無關(guān)空氣N2O2H220040060080010000ptr/mmHg0.2△T/K0.4-0.20三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)3、定壓氣體溫標(biāo)建立討論:?同一性NeN2H2結(jié)論:同一氣體,p↓,△T↓;p→0,△T→0不同氣體,p→0,△T→0當(dāng)p→0時,定壓氣體溫標(biāo)與氣體種類及質(zhì)量無關(guān)2004006008001000p/mmHg△T/K0-0.10三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)4、定壓與定容氣體溫標(biāo)討論:?同一性Ne(p)N2(p)H2(p)結(jié)論:

當(dāng)p→0時,定容和定壓氣體溫標(biāo)與氣體種類及質(zhì)量無關(guān),趨于同一個極限值.2004006008001000p,ptr/mmHg△T/K0-0.10Ne(V)H2(V)N2(V)三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)結(jié)論:

1、理想氣體溫標(biāo)與氣體種類(即氣體個性)無關(guān),但依賴于氣體的共性.2、對于極低溫度（氣體液化）和極高溫度（≥1000℃）不適用OrOrOr三、溫標(biāo)(三)熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)（開爾文溫標(biāo)）——是一種不依賴于測溫物質(zhì)和測溫屬性的溫標(biāo)熱力學(xué)溫度，符號：T；單位：開（爾文），K；定義：1開等于水的三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16。結(jié)論:

1、熱力學(xué)溫標(biāo)是最基本的溫標(biāo)；是一種理想溫標(biāo)；2、理想氣體溫標(biāo)在其適應(yīng)的范圍，與熱力學(xué)溫標(biāo)一致，為可實現(xiàn)的溫標(biāo)。三、溫標(biāo)(四)攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)：符號，t；單位：攝氏度（℃）；定義：華氏溫標(biāo):符號，tF；單位：華氏度（℉）；定義: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、噪聲溫度計課堂練習(xí)題:道爾頓提出一種溫標(biāo)：規(guī)定在給定的壓強下理想氣體體積的相對增量正比于溫度的增量，采用在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時水的冰點溫度為0攝氏度，沸點溫度為100攝氏度。試用攝氏溫度t來表示道爾頓溫標(biāo)的溫度。

解:

設(shè)理想氣體的壓強一定時,溫度的增量為da,相應(yīng)的體積的相對增量為△V/V,比例系數(shù)為α,則按規(guī)定有:完成上式得積分,參考點,則任意溫度下:

理想氣體攝氏溫標(biāo):

綜上,&參考點選擇:20

§1.3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)方程或稱狀態(tài)方程。二、玻意耳定律二、理想氣體物態(tài)方程

在氣體壓強趨近于零的極限情況下，可以引入理想氣體溫標(biāo)的定義，并且這時玻意耳定律和阿伏伽德羅定律都嚴格成立，據(jù)此，就能導(dǎo)出理想氣體物態(tài)方程。對于定壓氣體溫度計有

V(T)=VtrT(V)/273.16K.用此溫度計內(nèi)氣體的壓強(即ptr)乘上式兩端可得ptrV(T)=ptrVtrT(V)/273.16K

=ptr(

vtr)T(V)/273.16K

=

(ptrvtr

/273.16K)T(V).

三、理想氣體物態(tài)方程在等溫條件下隨意將此溫度計內(nèi)氣體的壓強和體積分別改變?yōu)槿我庵祊和V，則由玻意耳定律可知

pV=ptrV(T)

=

(ptrvtr

/273.16K)T(V).

在氣體壓強趨近于零的極限情況下，按照理想氣體溫標(biāo)的定義，T(V)將趨近于理想氣體溫度(即熱力學(xué)溫度)T，同時根據(jù)阿伏伽德羅定律可知(ptrvtr

/273.16K)也將是與氣體性質(zhì)無關(guān)的常量。

二、理想氣體物態(tài)方程若令(ptrvtr

/273.16K)=R，在氣體壓強趨近于零的極限情況下就得到:pV=RT這樣，根據(jù)玻意耳定律和阿伏伽德羅定律，再利用理想氣體溫標(biāo)的定義，就導(dǎo)出了理想氣體物態(tài)方程。

理想氣體的宏觀定義

通常把嚴格遵守理想氣體物態(tài)方程的氣體稱為理想氣體。因而也可以說，凡嚴格服從玻意耳定律和阿伏伽德羅定律的氣體是理想氣體。實際上，理想氣體也嚴格服從焦耳定律——氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)。因此有人認為：只有嚴格服從玻意耳定律、阿伏伽德羅定律和焦耳定律的氣體才是理想氣體。

理想氣體的宏觀定義但是以后在理論上又可以證明：凡嚴格遵守理想氣體物態(tài)方程的氣體必定也嚴格服從焦耳定律。

因而，最終又可以說：凡嚴格遵守理想氣體物態(tài)方程的氣體就是理想氣體。

當(dāng)然也可以說：凡嚴格服從玻意耳定律和阿伏伽德羅定律的氣體就是理想氣體。

一口氣里的分子數(shù)

理想氣體物態(tài)方程為

pV=RT由此可得

p=RT/V

=(N/NA)RT/V

=(N/V)(R/NA)T

=nkT.因此，理想氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的分子數(shù)密度（即洛施密特常量）為

n0=p0

/(kT0)

=1.013105/(1.3810-23273)

2.691025(m-3).成年人呼吸時每呼出一口氣的體積約為V1=0.40L，由此可見，一口氣里包含的分子數(shù)約為N1=n0V1

=2.710220.40

1.11022(個).地球表面71%是海洋，陸地平均高度為875m，并不高。因而可以近似認為整個大氣層都是從海平面向上延伸的。而大氣的重量可用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓與地球表面積S的積來估算。于是，地球大氣里的分子總數(shù)約為N=Sp0/[g(/NA)]

=Sp0NA/(g)=4(6.4106)21.01056.01023/(2910-39.8)

1.11044(個).

地球大氣里的分子總數(shù)地球大氣分子的總數(shù)與一口氣里的分子數(shù)之比為

N/N11.11044

/(1.11022)

=1.01022.這就表明地球大氣大約包含了1.01022口氣，而一口氣里又有1.11022個分子，兩者數(shù)量級相同，數(shù)值上差不多。

人們常說：我們都是炎黃子孫。如果炎帝(或者黃帝)在臨終時呼出了一口氣，經(jīng)過幾千年后這口氣里的分子現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)均勻地分布在整個大氣中。

由此可見：我們現(xiàn)在呼吸的每一口氣里，都應(yīng)當(dāng)包含有炎帝（或者黃帝）臨終時呼出的那一口氣中的一個分子.基于同樣的理由，在我們每個人的血管里也總有炎帝（或者黃帝）的血液中的水分子在流動，并且這樣的分子的數(shù)目多達成千上萬個。32

四、混合理想氣體物態(tài)方程道爾頓分壓定律:阿馬格分體積定律

根據(jù)理想氣體物態(tài)方程和道爾頓分壓定律可以導(dǎo)出阿馬格分體積定律，具體的推導(dǎo)過程如下。

將理想氣體物態(tài)方程應(yīng)用于混合理想氣體中的第

i種組分可得:pVi=iRT=Vpi.對各種組分求和得:pVi

=iRT=Vpi.用

p除上式左右兩端則得:Vi=Vpi/p.由道爾頓分壓定律知p=pi，由此可見

Vi

=V.以上結(jié)果表明：混合理想氣體的體積等于各組分的分體積之和，這個結(jié)論稱為阿馬格分體積定律。

平均摩爾質(zhì)量

M=Mi=ii

體積分數(shù)(壓強分數(shù))

Vi/V=pi/p=

i/

=Ni/N=ni/n

摩爾質(zhì)量分數(shù):i/質(zhì)量分數(shù):Mi/M=(i/)(i/)

=(Vi/V