朱衛(wèi)華《大學(xué)物理》熱學(xué)課件

大學(xué)物理熱學(xué)熱學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，研究熱現(xiàn)象及其規(guī)律。熱學(xué)主要研究溫度、熱量、比熱容、熱傳遞、熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理等概念和原理。熱學(xué)的研究對(duì)象熱現(xiàn)象溫度、熱量、比熱容等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)原子、分子、運(yùn)動(dòng)、相互作用能量的轉(zhuǎn)換與守恒熱能、機(jī)械能、電能、光能等熱力學(xué)定律熱力學(xué)第一定律、第二定律、第三定律熱學(xué)的基本概念1溫度溫度反映物體的冷熱程度，是物質(zhì)分子平均動(dòng)能的反映。2熱量熱量是能量的一種形式，表示物體間溫度差導(dǎo)致的能量傳遞。3內(nèi)能內(nèi)能是物體內(nèi)部所有微觀粒子動(dòng)能和勢(shì)能的總和。4熱力學(xué)熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科，包括熱力學(xué)定律、熱力學(xué)函數(shù)等。溫度的定義與測(cè)量1溫度的定義溫度是物體冷熱程度的標(biāo)志。溫度是宏觀物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，反映了物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，溫度越高，反之，則溫度越低。2溫度的測(cè)量溫度測(cè)量是通過溫度計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，利用物質(zhì)的熱脹冷縮性質(zhì)，通過測(cè)定物質(zhì)的體積變化來確定溫度。3溫度計(jì)的種類常用的溫度計(jì)有液體溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)、熱電偶等。液體溫度計(jì)以液體體積變化來測(cè)量溫度，氣體溫度計(jì)以氣體壓強(qiáng)變化來測(cè)量溫度，熱電偶是利用兩種金屬材料的熱電效應(yīng)來測(cè)量溫度。溫標(biāo)的建立攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)，以冰點(diǎn)為0度，沸點(diǎn)為100度，在100度之間等分為100個(gè)刻度。這是最常用的溫標(biāo)之一，在日常生活中使用廣泛。華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)，以冰點(diǎn)為32度，沸點(diǎn)為212度，在180度之間等分為180個(gè)刻度。在美國(guó)等少數(shù)國(guó)家使用。絕對(duì)溫標(biāo)絕對(duì)溫標(biāo)，以熱力學(xué)零度為起點(diǎn)，在100度之間等分為100個(gè)刻度。它是熱力學(xué)中的重要溫標(biāo)，方便計(jì)算和分析熱力學(xué)現(xiàn)象。熱平衡與溫度測(cè)量熱平衡狀態(tài)當(dāng)兩個(gè)物體相互接觸達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，它們的溫度相同。溫度計(jì)溫度計(jì)是利用物質(zhì)熱膨脹的特性來測(cè)量溫度的儀器。測(cè)量方法將溫度計(jì)與待測(cè)物體充分接觸，待溫度計(jì)的讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取溫度計(jì)上的數(shù)值。熱平衡應(yīng)用熱平衡原理在許多領(lǐng)域有應(yīng)用，例如溫度測(cè)量、熱力學(xué)研究等。熱量的概念與單位熱量定義熱量是物體間由于溫度差而傳遞的能量。它可以從高溫物體傳遞到低溫物體，也可以從低溫物體傳遞到高溫物體。熱量傳遞的方向取決于物體間的溫差。熱量單位熱量的單位是焦耳（J），它是國(guó)際單位制中能量的單位。此外，卡路里（cal）也是常用的熱量單位，1卡路里等于4.184焦耳。內(nèi)能的概念能量總和內(nèi)能指物體內(nèi)部所有微觀粒子（原子或分子）的動(dòng)能和勢(shì)能的總和。微觀粒子運(yùn)動(dòng)內(nèi)能與物體溫度、體積和狀態(tài)有關(guān)。能量形式內(nèi)能無法直接測(cè)量，只能通過變化量來體現(xiàn)。熱量與內(nèi)能的關(guān)系熱量是能量的一種形式，可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，也可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，例如機(jī)械能。內(nèi)能是物體內(nèi)部所有粒子運(yùn)動(dòng)的總能量，包括動(dòng)能和勢(shì)能。內(nèi)能的變化可以由熱量傳遞或做功引起。熱量?jī)?nèi)能能量的一種形式，可以轉(zhuǎn)移物體內(nèi)部粒子總能量通過熱傳遞改變通過熱傳遞或做功改變第一定律：熱量、功和內(nèi)能的關(guān)系熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的具體體現(xiàn)，它描述了熱量、功和內(nèi)能之間的關(guān)系。1熱量物體間溫度差引起的能量傳遞2功外力對(duì)物體做的功3內(nèi)能物體內(nèi)部所有分子運(yùn)動(dòng)的總能量熱量、功和內(nèi)能之間存在著相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，熱量可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，也可以轉(zhuǎn)化為功。反之亦然。定壓、定積過程中內(nèi)能的變化1定壓過程壓力不變，體積變化2定積過程體積不變，壓力變化3內(nèi)能變化與熱量和做功有關(guān)定壓過程，氣體體積膨脹，對(duì)外做功，內(nèi)能減少。定積過程，氣體吸收熱量，內(nèi)能增加。比熱容的概念及測(cè)量比熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1攝氏度所需的熱量。比熱容是物質(zhì)的一種特性，與物質(zhì)的種類、狀態(tài)和溫度有關(guān)。比熱容可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，常用的方法是量熱法。熱量傳導(dǎo)的基本規(guī)律1傅里葉定律熱量傳導(dǎo)速率與溫度梯度成正比，與傳熱面積成正比，與材料的熱導(dǎo)率成正比。2穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)當(dāng)熱量傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，物體各部分的溫度保持不變。3非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)當(dāng)熱量傳導(dǎo)過程處于非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，物體各部分的溫度隨時(shí)間變化。熱量傳導(dǎo)的應(yīng)用熱量傳導(dǎo)是日常生活中常見的現(xiàn)象，例如用火爐加熱水壺，熱量從火爐傳導(dǎo)到水壺，再傳導(dǎo)到水。熱量傳導(dǎo)也是工業(yè)生產(chǎn)的重要應(yīng)用，例如鍋爐、熱交換器等設(shè)備，都是利用熱量傳導(dǎo)原理來進(jìn)行熱量傳遞。對(duì)流換熱的基本規(guī)律熱氣球升空熱氣球的升空依靠熱空氣膨脹上升，利用熱空氣密度比冷空氣低的原理。暖氣片散熱暖氣片散熱利用暖氣片周圍的空氣受熱上升，冷空氣補(bǔ)充進(jìn)來，形成對(duì)流循環(huán)，傳遞熱量。海風(fēng)吹拂海風(fēng)是陸地和海洋之間溫度差異產(chǎn)生的對(duì)流，白天陸地溫度高，空氣上升，海洋上空空氣補(bǔ)充進(jìn)來，形成海風(fēng)。對(duì)流換熱的應(yīng)用對(duì)流換熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中常見的傳熱方式。例如，風(fēng)力發(fā)電利用空氣流動(dòng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，散熱器利用空氣流動(dòng)帶走熱量，暖氣片利用對(duì)流原理使房間更暖和。生活中，常見的對(duì)流換熱應(yīng)用還有空調(diào)制冷、水壺?zé)?、鍋爐供暖等。對(duì)流換熱在能源利用、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活方面發(fā)揮著重要作用。輻射熱的基本規(guī)律斯特藩-玻爾茲曼定律任何物體都會(huì)輻射電磁波，輻射能量與溫度的四次方成正比。黑體是理想化的完全吸收和完全輻射的物體，其輻射能量最大。維恩位移定律黑體輻射的能量譜分布隨溫度變化，溫度越高，輻射能量峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越短。太陽輻射峰值在可見光區(qū)域，而地球輻射峰值在紅外區(qū)域。溫室效應(yīng)與輻射熱大氣層吸收輻射大氣層中的二氧化碳等溫室氣體吸收了來自地球的紅外輻射，并將其重新輻射回地球表面，導(dǎo)致地表溫度升高。氣候變化的影響溫室效應(yīng)加劇導(dǎo)致全球平均氣溫升高，引發(fā)海平面上升、極端天氣事件增加等一系列環(huán)境問題。減少溫室氣體排放為了減緩溫室效應(yīng)，必須控制溫室氣體排放，采取節(jié)能減排措施，發(fā)展清潔能源技術(shù)。相變的概念與相圖物質(zhì)的三態(tài)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)是物質(zhì)的三種常見狀態(tài)。在一定條件下，物質(zhì)可以從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，這就是相變。相變的類型相變主要包括熔化、凝固、汽化、液化、升華和凝華六種。相圖相圖可以直觀地表示物質(zhì)在不同溫度和壓力下存在的相態(tài)以及相變過程。應(yīng)用相變?cè)谏a(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如制冷、蒸汽機(jī)、化工等領(lǐng)域。升華、液化和凝固過程1升華固態(tài)直接變?yōu)闅鈶B(tài)2液化氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)3凝固液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)升華過程需要吸收熱量，液化過程需要放出熱量，凝固過程需要放出熱量。升華是物質(zhì)從固態(tài)直接變?yōu)闅鈶B(tài)的過程，例如干冰升華成二氧化碳?xì)怏w。液化是物質(zhì)從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程，例如水蒸氣液化成水。凝固是物質(zhì)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，例如水凝固成冰。沸騰現(xiàn)象及其應(yīng)用1氣泡形成液體內(nèi)部形成氣泡，逐漸上升，并最終破裂。2溫度升高沸騰過程中，溫度保持不變，直到所有液體都沸騰。3應(yīng)用沸騰現(xiàn)象在工業(yè)和生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如蒸汽機(jī)、鍋爐等。4蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)利用沸騰產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行機(jī)械功。蒸發(fā)與露點(diǎn)蒸發(fā)液體表面分子獲得足夠能量，克服液體的內(nèi)聚力，逃逸到氣相的過程。露點(diǎn)空氣中水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，低于露點(diǎn)溫度，空氣中的水蒸氣就會(huì)凝結(jié)成露水。影響因素溫度氣壓濕度潛熱的概念及其應(yīng)用潛熱定義物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)，吸收或放出的熱量稱為潛熱。汽化潛熱液態(tài)物質(zhì)汽化時(shí)，每單位質(zhì)量吸收的熱量稱為汽化潛熱。凝固潛熱液態(tài)物質(zhì)凝固時(shí)，每單位質(zhì)量放出的熱量稱為凝固潛熱。氣體運(yùn)動(dòng)及其內(nèi)能分子運(yùn)動(dòng)氣體分子處于永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它們以高速在空間中運(yùn)動(dòng)，并不斷地與容器壁和彼此碰撞。內(nèi)能氣體的內(nèi)能是指氣體分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子間相互作用勢(shì)能的總和。它取決于氣體的溫度、體積和分子數(shù)。理想氣體狀態(tài)方程描述理想氣體狀態(tài)方程是描述理想氣體狀態(tài)的方程式，它描述了理想氣體的壓力、體積、溫度和物質(zhì)的量之間的關(guān)系。公式理想氣體狀態(tài)方程的公式為PV=nRT，其中P表示壓力、V表示體積、n表示物質(zhì)的量、R表示理想氣體常數(shù)，T表示溫度。應(yīng)用該方程可以用來計(jì)算理想氣體的壓力、體積、溫度或物質(zhì)的量，也可以用來研究理想氣體在不同條件下的行為。氣體分子動(dòng)理論氣體分子動(dòng)理論解釋氣體宏觀性質(zhì)的微觀理論。隨機(jī)運(yùn)動(dòng)氣體分子處于永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)中。相互碰撞分子之間發(fā)生相互碰撞，并傳遞動(dòng)量和能量。微弱作用力分子間的作用力相對(duì)較弱，氣體分子運(yùn)動(dòng)自由。麥克斯韋分布函數(shù)麥克斯韋速度分布函數(shù)描述了理想氣體中分子速度的概率分布。該函數(shù)表明，在一定溫度下，大多數(shù)分子速度接近平均速度，而極少數(shù)分子速度非常高或非常低。氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均速度氣體分子在空間中無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其速度各不相同，因此需要引入平均速度的概念來描述氣體分子的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。常用的平均速度包括三種：平均速率、方均根速率和最概然速率?！?8KT/πM)方均根速率表示所有分子速度平方和的平均值的平方根，反映了分子運(yùn)動(dòng)速率的整體水平?！?2KT/M)最概然速率表示分子速度分布函數(shù)的極大值所對(duì)應(yīng)的速度，即速度分布中出現(xiàn)概率最大的速度。4√(KT/πM)平均速率表示所有分子速度的平均值，反映了分子運(yùn)動(dòng)速率的平均水平。這些平均速度與氣體溫度和分子質(zhì)量有關(guān)，溫度越高，平均速度越大；分子質(zhì)量越小，平均速度越大。平均分子動(dòng)能與溫度的關(guān)系氣體分子平均動(dòng)能與絕對(duì)溫度之間存在著直接的比例關(guān)系。這意味著溫度越高，分子平均動(dòng)能越大，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈。1/2動(dòng)能平均動(dòng)能表示氣體分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。K玻爾茲曼常數(shù)比例系數(shù)，與分子大小無關(guān)，反映了微觀世界與宏觀世界之間的關(guān)系。T絕對(duì)溫度以開爾文為單位，描述氣體分子平均動(dòng)能的物理量。該關(guān)系可以用公