熱學(xué)課件完整版本

第一章溫度§1-1平衡態(tài)狀態(tài)參量§1-2熱力學(xué)第零定律和溫度§1-3溫標(biāo)的建立§1-4理想氣體狀態(tài)方程一、平衡態(tài)

1、經(jīng)驗(yàn)表明，一個(gè)孤立系統(tǒng)經(jīng)過足夠長的時(shí)間，將會(huì)達(dá)到這樣一種狀態(tài)，系統(tǒng)將趨于均勻，各種宏觀性質(zhì)在長時(shí)間內(nèi)不再發(fā)生變化，這種狀態(tài)稱為熱力學(xué)平衡態(tài)，不符合以上條件的狀態(tài)稱為非平衡態(tài)．

2、說明：

1）

熱力學(xué)平衡態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡，常稱為熱動(dòng)平衡．2）在平衡態(tài)下，系統(tǒng)宏觀量的數(shù)值仍會(huì)發(fā)生漲落，但對(duì)于宏觀物質(zhì)系統(tǒng)，一般情況下，漲落極其微小，因而可以忽略的．3）

對(duì)于封閉系和開放系，在不變的外界條件下，經(jīng)過一定的時(shí)間后，系統(tǒng)也必將達(dá)到一個(gè)宏觀上不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，這樣的狀態(tài)稱為穩(wěn)定態(tài)．4）系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，各種宏觀性質(zhì)不再隨時(shí)間改變，所以可用一組具有確定值的宏觀物理量來表征系統(tǒng)平衡態(tài)的特征．§1-1平衡態(tài)狀態(tài)參量5）過程和準(zhǔn)靜態(tài)過程。

狀態(tài)１到狀態(tài)２是一個(gè)狀態(tài)變化的過程。若此過程足夠緩慢，這個(gè)過程中每一狀態(tài)都可近似看作平衡態(tài)，則叫準(zhǔn)靜態(tài)過程。平衡態(tài)1非平衡態(tài)平衡態(tài)26）熱力學(xué)平衡態(tài)系統(tǒng)必須同時(shí)滿足三種平衡條件：力學(xué)平衡，熱平衡，化學(xué)平衡。7）熱力學(xué)平衡態(tài)是理想概念：無嚴(yán)格意義孤立系，且有漲落現(xiàn)象客觀存在。二、狀態(tài)參量1、

被選作能夠確定系統(tǒng)平衡態(tài)的獨(dú)立的宏觀物理量，稱為狀態(tài)參量。通常可測量的物理量都可選作狀態(tài)參量，如壓強(qiáng)、體積、溫度、電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度等。氣體：壓強(qiáng)和體積可獨(dú)立改變，為狀態(tài)參量。2、狀態(tài)函數(shù)：表示為狀態(tài)參量函數(shù)的其他宏觀量。3、說明1）

系統(tǒng)需要的獨(dú)立狀態(tài)參量個(gè)數(shù)是由系統(tǒng)的性質(zhì)和外界條件決定。2）狀態(tài)參量可分為內(nèi)參量和外參量兩種。內(nèi)參量表示系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)，外參量表示系統(tǒng)周圍環(huán)境的狀況。3）熱力學(xué)量可分為強(qiáng)度量和廣延量。強(qiáng)度量與系統(tǒng)的質(zhì)量無關(guān)，廣延量則與系統(tǒng)的質(zhì)量成正比。4）平衡態(tài)對(duì)應(yīng)P-V、p-T圖上的一點(diǎn)。5）四類參量力學(xué)參量：力、表面張力、應(yīng)力幾何參量：體積、面積、長度化學(xué)參量：質(zhì)量、物質(zhì)的量、分子數(shù)電磁參量：電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度（以上4類參量不能直接表示物體的冷熱程度，但可以間接表示。）熱學(xué)參量：溫度在初級(jí)物理中，溫度常被定義為表示物理冷熱程度的物理量。如何科學(xué)定義和量度？圖

理想氣體自由膨脹

二、狀態(tài)參量:描述系統(tǒng)狀態(tài)的變數(shù)1、P—V圖P—T圖2、平衡態(tài)與狀態(tài)參量3、參量分類：力學(xué)參量：化學(xué)參量：幾何參量：電磁參量:§1-2熱力學(xué)第零定律和溫度

一、熱力學(xué)第零定律

1.絕熱壁、導(dǎo)熱壁、熱接觸、熱平衡。如圖1.22.熱力學(xué)第零定律如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的同一個(gè)狀態(tài)處于熱平衡，則這兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)彼此也必定處于熱平衡。這表明：通過熱接觸，不同的系統(tǒng)必將達(dá)到共同的熱平衡狀態(tài)。二、溫度的概念為了表征“同一熱平衡狀態(tài)的所有系統(tǒng)具有的相同的宏觀性質(zhì)”，引入了溫度這個(gè)物理量。

1、溫度的概念：描述處于同一熱平衡狀態(tài)的所有系統(tǒng)具有相同宏觀性質(zhì)的物理量。溫度決定一系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量。它的基本特征在于一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度值。

2、說明

1）溫度概念的建立基于熱力學(xué)第零定律。

2）為制造溫度計(jì)和判斷溫度的高低提供理論根據(jù)。

3）溫度決定于系統(tǒng)內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是宏觀狀態(tài)函數(shù)。

4）物體的冷熱程度，微觀上反映熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。

5）溫度是不可加量——強(qiáng)度量。溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示方法一、經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)

1、建立溫標(biāo)必須的三個(gè)要素：

1）選擇測溫質(zhì)和測溫參量X;2）規(guī)定測溫參量X隨溫度T的變化關(guān)系:T(X)=ax,3）選定標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)并規(guī)定其數(shù)值。

2、經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)：利用特定測溫物質(zhì)的特定測溫屬性建立的溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)§1-3溫標(biāo)的建立二、理想氣體溫標(biāo)1、氣體溫度計(jì)

1）定體氣體溫度計(jì)：

2）定壓氣體溫度計(jì)：2、理想氣體溫標(biāo)

1）在壓強(qiáng)極低的極限情況下，氣體溫標(biāo)只取決于氣體的共同性質(zhì)，而與特定氣體的特定性質(zhì)無關(guān)。

2）對(duì)極低溫及高溫不適用圖1-8定容氣體溫標(biāo)的t—P曲線

(1)不同氣體溫度計(jì)(定容、定壓)，相同的Ptr，測量同一系統(tǒng)其結(jié)果將出現(xiàn)差異。(2)同一氣體溫度計(jì)，不同的Ptr測量同一系統(tǒng)結(jié)果亦有差異。1.9比如：H2

N2、O2、空氣為測溫物質(zhì)亦同（3）當(dāng)Ptr→0差異消失1.9問題與討論1、用定容氣體溫度計(jì)測量某種物質(zhì)的沸點(diǎn)。原來測溫泡在水的三相點(diǎn)時(shí)，其中氣體的壓強(qiáng)Ptr=500mmHg；當(dāng)測溫泡浸入待測物質(zhì)中時(shí)，測得的壓強(qiáng)值為Ptr=734mmHg。當(dāng)從測溫泡中抽出一些氣體，使Ptr減為200mmHg時(shí)，重新測得P=293.4mmHg，當(dāng)再抽一些氣體使Ptr

減為100mmHg時(shí)，測得P=146.68mmHg。試確定待測沸點(diǎn)的理想氣體溫度。方法一：按(定容)氣體溫標(biāo)意義由題給數(shù)值得下表作T(P)-Ptr曲線，外推到Ptr=0得：作T(P)-Ptr曲線，外推到Ptr=0得：三、熱力學(xué)溫標(biāo)與國際溫標(biāo)1、熱力學(xué)溫標(biāo)理想氣體溫標(biāo)與固、液溫標(biāo)相比有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，即它不依賴于氣體的個(gè)性，從而在其實(shí)用范圍內(nèi)可建立一個(gè)統(tǒng)一通用的溫標(biāo)，但這種溫標(biāo)畢竟還是要受限制，不是在任何范圍內(nèi)都成立的，因而人們進(jìn)一步希望有一種在任何情況下都是統(tǒng)一通用的溫標(biāo)，經(jīng)過長期研究，開爾文在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上引入一種能滿足此項(xiàng)要求的溫標(biāo)，叫做熱力學(xué)溫標(biāo)。用這種方式確定的溫度叫熱力學(xué)溫度。1）熱力學(xué)溫標(biāo)是一種理想溫標(biāo)。規(guī)定：1K等于水的三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.162）在理想氣體溫標(biāo)的適用范圍內(nèi)，理想氣體溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)一致，都用T、K來表示。3）理想氣體溫標(biāo)的重要意義在于使熱力學(xué)溫標(biāo)取得了實(shí)際意義。在很大范圍內(nèi)都是用理想溫度計(jì)來測量物體的熱力學(xué)溫度的。2、國際溫標(biāo)1）規(guī)定熱力學(xué)溫標(biāo)為國際溫標(biāo)，單位是開爾文(簡稱：開，符號(hào)K)，用理想氣體溫標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。2）規(guī)定攝氏溫度與熱力學(xué)溫度導(dǎo)出：

就是說，規(guī)定273.15K為攝氏零度（水的冰點(diǎn)），這時(shí)，攝氏溫標(biāo)的零點(diǎn)與水的三相點(diǎn)273.16K并不嚴(yán)格相等，但僅有萬分之一的差別，同理沸點(diǎn)也不嚴(yán)格等于100℃。

注意：這里是由熱力學(xué)溫標(biāo)導(dǎo)出攝氏溫標(biāo)，先用絕對(duì)溫標(biāo)規(guī)定出冰點(diǎn)，再換成攝氏溫標(biāo)，由此產(chǎn)生差異。3）規(guī)定了若干個(gè)可以復(fù)現(xiàn)的固定溫度點(diǎn)。（見P20表1-2）一、物態(tài)方程經(jīng)驗(yàn)表明：任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)都可用幾何參量、力學(xué)參量、電磁參量及化學(xué)參量來描寫，這4類參量可完全確定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。但在一定的平衡態(tài)中熱力學(xué)系統(tǒng)還具有確定的溫度。1、物態(tài)方程

把表示上述四類參量與溫度之間聯(lián)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式稱為系統(tǒng)物態(tài)方程，也稱狀態(tài)方程或態(tài)函數(shù)。2、說明1）在無外力場的情況下，壓強(qiáng)(P)、體積(V)和溫度(T)之間可寫成隱函數(shù)形式，具體由實(shí)驗(yàn)來確定：§1-4理想氣體狀態(tài)方程2）物態(tài)方程的確定方法①

在熱力學(xué)中，狀態(tài)方程的具體形式不能由熱力學(xué)理論得到，而是完全依靠實(shí)驗(yàn)來確定。②用可測量(如體膨脹系數(shù)、壓強(qiáng)系數(shù)、等溫壓縮系數(shù)等)通過三個(gè)系數(shù)中的兩個(gè)，根據(jù)二元函數(shù)微分學(xué)知識(shí)，利用由兩個(gè)偏導(dǎo)導(dǎo)數(shù)求原函數(shù)的方法即可以找到狀態(tài)方程。

③用統(tǒng)計(jì)物理理論導(dǎo)出.二、理想氣體及其狀態(tài)方程1、理想氣體狀態(tài)方程通過實(shí)驗(yàn)，作出pv/T－p的關(guān)系曲線，如圖1.10（a）、(b)。v為摩爾體積。結(jié)論：理想氣體滿足或

密度：R為普適氣體常量R＝8.31J.mol-1.K-1=2cal.mol-1.K-1設(shè)總分子數(shù)N,阿伏伽德羅常數(shù)N0,由摩爾數(shù)，令——（稱為玻爾茲曼常數(shù)）。代入，得2、理想氣體實(shí)驗(yàn)定律玻—馬定律PV=constant1蓋?呂薩克定律V/T=constant2查理定律P/T=constant3T不變P不變V不變理想氣體物態(tài)方程PV=nRTPv/T=R