笫一章熱力學(xué)零定律.ppt

1、笫一章 熱力學(xué)第零定律,1 熱力學(xué)系統(tǒng)概述 2 熱力學(xué)第零定律 3 物態(tài)方程,1 熱力學(xué)系統(tǒng)概述,一、熱力學(xué)系統(tǒng),孤立系統(tǒng)： 無能量、物質(zhì)交換。 封閉系統(tǒng)： 有能量交換、無物質(zhì)交換 開放系統(tǒng)： 能量、物質(zhì)交換。,由大量微觀粒子組成的、有明確界面的連續(xù)介質(zhì)系統(tǒng)。,（界面可以是真實的，也可以是虛擬的，即認(rèn)為劃定的。）,二、熱力學(xué)平衡態(tài),定義：不隨時間變化并具有確定值的系統(tǒng)狀態(tài)。,熱力學(xué)平衡態(tài),態(tài)參量,態(tài)函數(shù) （T、U、S）,由狀態(tài)參量描述的系統(tǒng)狀態(tài)確定后，系統(tǒng)的態(tài)函數(shù)也就確定下來。態(tài)函數(shù)的函數(shù)值與系統(tǒng)狀態(tài)一一對應(yīng)，與達(dá)到該狀態(tài)的過程無關(guān).,力學(xué)平衡,幾何參量,熱平衡,力學(xué)參量,相平衡,化學(xué)參量,化

2、學(xué)平衡,電磁參量,(平衡態(tài)是在實驗觀察結(jié)果總結(jié)的基礎(chǔ)上引入的理想概念),熱力學(xué)平衡是一種動態(tài)平衡，也稱為熱動平衡。,系統(tǒng)由初態(tài) i 變到未態(tài) f 時,態(tài)函數(shù)的基本性質(zhì),以p-V 簡單系統(tǒng)為例：,定義：,三、熱力學(xué)過程,一定條件下,一個熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生相繼的變化，就稱它經(jīng)歷了一個熱力學(xué)過程。,一切實際過程都是由非平衡態(tài)構(gòu)成的,系統(tǒng)狀態(tài)變化所經(jīng)歷的過程，稱為熱力學(xué)過程，簡稱過程。,四、準(zhǔn)靜態(tài)過程,定義：,準(zhǔn)靜態(tài)過程是由一系列視為平衡態(tài)組成的熱力學(xué)過程。,弛豫時間：,由一個平衡態(tài)，經(jīng)歷一個熱力學(xué)過程，到達(dá)另一個平衡態(tài)所經(jīng)歷的時間。,準(zhǔn)靜態(tài)過程是一個理想過程，當(dāng)熱力學(xué)過程進(jìn)行得無限緩慢時可以看作準(zhǔn)

3、靜態(tài)過程。,對于實際的過程，如果經(jīng)歷的時間遠(yuǎn)大于馳豫時間，該過程就可以看作準(zhǔn)靜態(tài)過程。,2 熱力學(xué)第零定律,一、熱力學(xué)第零定律,（溫度定義的理論依據(jù)）,第三個系統(tǒng)處于熱平衡的兩個系統(tǒng)，彼此也一定 處于熱平衡。,熱力學(xué)第零定律是實驗事實的總結(jié)，不是邏輯推理的 結(jié)果，它不能被認(rèn)為是理所當(dāng)然或顯而易見的。,由 ( 1 ) 式 ( 2 ) 式解出 yc , 分別為,( 2 ),由笫零定律可以推證,互為熱平衡的系統(tǒng)具有一個數(shù)值相等的態(tài)函數(shù)，這個態(tài)函數(shù)定義為溫度.,二、溫度,( 3 ),得,( 1 ),( 4 ),根據(jù)笫零定律,因系統(tǒng) A、B、C 互為熱平衡 , 運(yùn)用同樣的結(jié)論 , 可得,即互為熱平衡的系

4、統(tǒng)具有一個數(shù)值相等的態(tài)函數(shù), 這個函數(shù)就定義為溫度，若用符號 T 表示， 則,( 5 ),要使 ( 3 ) 式與 ( 4 ) 式同時成立 , 必須要求( 3 ) 式中的參量xc 以消去, 即 ( 3 ) 式可以簡化為,溫度是強(qiáng)度量，不具有可加性。,三、溫標(biāo) 溫度的數(shù)值表示法,溫標(biāo)要素：,定標(biāo)方程 ：,規(guī)定冰和鹽水的混合物為0度，水的沸點為212度，在0度與212度之間一定量水銀的體積或長度等分為212格. 單位華氏度記作 0F. 冰正常熔點定為32 0F。,根據(jù)溫標(biāo)的要素，用不同測溫物質(zhì)及其測溫屬性建立的溫標(biāo)，統(tǒng)稱經(jīng)驗溫標(biāo).,1、經(jīng)驗溫標(biāo),華氏溫標(biāo)：,測溫物質(zhì)、測溫屬性、定標(biāo)方程及固定標(biāo)準(zhǔn)點,

5、汽點：,定標(biāo)方程：,攝氏溫標(biāo)：,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水和水蒸氣平衡時的溫度為100攝氏度。,冰點：,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水和純冰平衡時的溫度0攝氏度。,xi、xs分別是t0、100時水銀柱的長度。,經(jīng)驗溫標(biāo)的問題：定標(biāo)方程是人為假定的函數(shù)關(guān)系，通常測溫參量與溫度關(guān)系比較復(fù)雜，使用用不同經(jīng)驗溫標(biāo)測出的溫度除固定點外，數(shù)值通常不同。,定容氣體溫度計,2、 理想氣體溫標(biāo),科學(xué)界采用理想氣體作為標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)，由低壓氣體溫度計來實現(xiàn).,結(jié)果分析：,四種氣體制成的定容溫度計測量水沸點溫度的結(jié)果：,用不同氣體作為測溫物質(zhì)，所測的溫度只有微小差別，壓強(qiáng)降低，差別漸漸降低，當(dāng)壓強(qiáng)趨于零時，差別將消失。,定容氣體溫度計：

6、,定壓氣體溫度計：,理想氣體溫標(biāo)：,1954年國際上規(guī)定水的三相點(水、冰和水蒸汽三相平衡的共存狀態(tài)) 為273.16K。,1）測溫物質(zhì)：理想氣體（壓強(qiáng)趨于零的氣體）,2）測溫屬性：體積、壓強(qiáng),3）固定點：,4）定標(biāo)方程,3、 熱力學(xué)溫標(biāo),1K定義為水的三相點溫度的1/273.16。,1927年開始建立國際實用溫標(biāo).幾經(jīng)修改，現(xiàn)在國際上采用的是1990年國際溫標(biāo)（ITS-90）。,與具體的測溫物質(zhì)的屬性無關(guān)，是一種理論溫標(biāo)。在理想氣體溫標(biāo)適用的溫度范圍內(nèi)，理想氣體溫標(biāo)是熱力學(xué)溫標(biāo)的具體實現(xiàn)方式。（第三章介紹）,4、國際溫標(biāo),T = t+273.15（k）,3 物態(tài)方程,處于平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)溫

7、度與狀態(tài)參量之間滿足一定的函 數(shù)關(guān)系。,物態(tài)方程:,處于熱平衡的熱力學(xué)系統(tǒng)具有確定的溫度，而且溫度是狀態(tài)參量的函數(shù)：,T = T（x、y）,f（T、x、y）= 0,上式可改寫為：,系統(tǒng)的物態(tài)方程,一、氣體定律（實驗定律）,1.玻意耳定律（1662）,溫度不變的條件下，一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)和體積的乘積是一個常數(shù)，常數(shù)的大小和溫度有關(guān)。,2.蓋呂薩克定律（1802）,在壓強(qiáng)p不變的情況下，一定質(zhì)量的氣體的體積V隨溫度t作線性變化。,3.玻意耳定律（1787）,在體積V不變的情況下，一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)p隨溫度t作線性變化。,氣體無限稀薄極限下，V、p趨于固定值，約為1/273。,阿伏加德羅假說（1

8、181）：,溫度壓強(qiáng)相同條件下，相同體積的任何氣體含有相同的分子數(shù)。,此假說后來被實驗證實，改稱為阿伏加德羅定律。,在溫度和壓強(qiáng)相同的條件下，1mol任何氣體的體積都相同。,阿伏加德羅定律：,4.阿伏加德羅定律,阿伏伽德羅常數(shù),二、理想氣體的物態(tài)方程,P,V,(po,Vo,To),(pVo,T),(p,V,T),To,T,如圖，對一定質(zhì)量M的理想氣體，假設(shè)先由狀態(tài)(po Vo To) 等容變化到(p Vo T) 狀態(tài).,根據(jù)玻意耳定律，理想氣體由（p Vo To)狀態(tài)到（p, V T) 狀態(tài), 則得,根據(jù)理想氣體溫標(biāo)定義，則有,平衡態(tài)由狀態(tài)參數(shù)唯一確定，與路徑?jīng)]關(guān)系,po 1atm To273

9、.15K,由（1）、（2）兩式則得,按照阿伏加德羅實驗定律,普適氣體常數(shù),阿伏伽德羅常數(shù),玻爾茲曼常數(shù),例 某抽氣機(jī)的抽氣速率為u，現(xiàn)用它對容積為V的密封容器排氣。問需要多長時間才能使容器中的氣壓自P2降至P1？,解：設(shè)排氣過程中溫度恒定。在t到t+dt時刻內(nèi)容器氣體壓強(qiáng)由p變到p+dp，排出氣體為udt，則,展開略去高次無窮小量，即得,兩邊積分化簡,二、混合理想氣體的狀態(tài)方程,根據(jù)道爾頓分壓實驗定律,引入混合氣體的平均摩爾質(zhì)量,例 中等肺活量的人在標(biāo)準(zhǔn)狀況下一次大約吸進(jìn)1.0g的氧，如果空氣溫度及各組分含量不隨高度變化，飛行員飛到氣壓為5.0104Pa的高空時每次吸進(jìn)的氧氣有多少克?,解：題

10、中所給壓強(qiáng)是混合氣體空氣壓強(qiáng)，故用理想氣體狀態(tài)方程直接計算時得到的實際是空氣質(zhì)量。,設(shè)空氣中氧氣所占質(zhì)量百分比為x，則吸進(jìn)質(zhì)量為m的氧時，實際吸進(jìn)空氣質(zhì)量為m/x，則,由題意，,設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下飛行員每次吸進(jìn)的氧氣質(zhì)量為 mo，實際吸進(jìn)的空氣質(zhì)量為mo/x ，則,1、范德瓦耳斯方程,考慮到分子間的引力和斥力作用，把理想氣體方程進(jìn)行了修正。,三、實際氣體的物態(tài)方程,a, b分別稱為范德瓦耳斯常數(shù)，可以由實驗測定。,更準(zhǔn)確的實際氣體狀態(tài)方程是昂尼斯方程,或,其中的系數(shù)A,B,C,及 A,B,C,分別稱為第一、第二、第三維里系數(shù)。,2、昂尼斯方程,3、各向同性固體與液體的物態(tài)方程,各向同性固體和液體同氣體一樣，也可以用p,V作狀態(tài)參量描述一定質(zhì)量的系統(tǒng)狀態(tài)。,引入兩個反映系統(tǒng)重要特性的物理量,則,2、在一定溫度范圍內(nèi)、可近似視為常數(shù)，準(zhǔn)確到 一級近似，可得簡單固體與液體的狀態(tài)方程。,討論：,1、若d V =0，則,若壓強(qiáng) p 保持不變，dp = 0，則,對任意三個滿足一定函數(shù)關(guān)系的變量都成立。,兩邊微分得,例 一團(tuán)水銀在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度T1。若保持體積不變，溫度升高10，則終態(tài)的壓強(qiáng)為多少?己知水銀的，基本保持不變。,解：