热学第零定律

•§1.1热力学系统的平衡态•§1.2温度与温度计•§1.3理想气体状态方程第1章温度热力学研究的对象称热力学系统（简称系统）；系统以外的一切物质称为外界或环境。二．宏观描述与微观描述宏观量：能反映系统的整体性质，并且可以由实验操作来测定。如气体用Ｐ、Ｖ、Ｔ三个参量来描述。一．热力学系统第一节热力学系统的平衡态微观量：描述系统中粒子个体行为的某些物理量，如粒子的坐标、动量、能量等。..pm平衡态：在不受外界条件影响下，经过足够长时间后，系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态。三．平衡态与非平衡态稳恒态：存在自由热源或离子流情况下，各处宏观状态均不随时间变化的状态讨论：１．稳恒态不是平衡态，如金属棒两端分别与冰水混合物及沸水相接触．经足够长时间后，热流达到某一稳定不变的数值，这时金属棒各处温度不随时间变化，但各处温度不同，所以整个系统（金属棒）仍处于非平衡态。AB热冷冰水沸水金属棒２．正确判别“平衡态”与“非平衡态”的方法应该是是否存在热流与粒子流．３．在自然界中平衡态是相对的、局部的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的．热力学系统的平衡条件热学平衡条件：系统内部的温度处处相等力学平衡条件：系统内部各部分之间、系统与外界之间应达到力学平衡．化学平衡条件：在无外场作用下系统各部分的化学组成处处相等的．四．热力学平衡系统处于平衡态时，可用确定的物理量来表征其属性。描述系统状态的物理量称为状态参量．常用四种状态参量：几何参量、力学参量、化学参量、电磁参量对简单系统，如气体，可以用（P、V、T）来描述。一般，可用三个宏观量（ｘ、ｙ、Ｔ）描述的系统，称为简单系统五．状态参量假设两个热力学系统Ａ和Ｂ，使两系统相接触（这种接触叫热接触）后达到一个共同的平衡态，即Ａ、Ｂ彼此达到热平衡。AB绝热壁真空一.热力学第零定律第二节温度与温度计假设三个热力学系统Ａ、Ｂ、CCBACBA结论：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。-------热力学第零定律热力学第零定律的物理意义：（２）第零定律指出了判别温度是否相同的方法。AB温度的数值表示法叫温标建立一种温标需要包含三个要素：选择某种测温物质，测定它的测温属性；选定固定点；进行分度，即对测温属性随温度的变化关系作出规定。二．温标（１）互为热平衡的物体之间必存在一个相同的宏观特征。这个决定系统热平衡的宏观特征称为温度。一切互为热平衡的物体都具有相同的温度。温度计测温属性定容气体温度计压强定压气体温度计体积铂电阻温度计电阻铂－铑热电偶温度计热电动势液体温度计液柱长度表1-1几种常见的温度计摄氏温标由瑞典天文学家摄耳修斯（Celsicus）于１７４２年建立。以冰的正常熔点为０℃，以水的沸点为100℃问题：用各种不同的摄氏温度计测量同一对象时，所得结果是否相同呢？右图绘出了几种摄氏温度计在0℃－100℃的实验结果由图可见，用不同测温物质（或同一物质的不同测温属性）所建立的摄氏温标，除冰点和汽点外，其它温度并不严格一致。要义在于：不同物质或同一物质的不同属性随温度的变化关系不同三．理想气体温度计pV＝常量玻意耳定律(温度不变)pVT1954年以后，国际上规定只用一个固定点建立标准温标，这个固定点选的是水的三相点，并严格规定它的温度为T3=273.16k。333TpVTpV33333273.16pVpVTTpVpV则：气体温度计分两种：定容气体温度计和定压气体温度计如图为定容气体温度计若保持一定质量的理想气体的体积不变，则33()PTpTP其中T3、P3分别是一定质量的理想气体在水的三相点状态下的温度和压强。3()273.16PTpP因此，实验表明：用不同的气体所确定的定容温标，除根据规定对水的三相点的读数相同外，对其它温度读数则有一定差别，但差别不大，当气体极稀薄（即P3→０）时，这些差别消失。同样，通过测量气体的体积也可测得它的温度，相应的温度计叫定压气体温度计对理想气体需加一极限条件P3→０，这以极限温标叫作理想气体温标。定义式为：3303()273.16()VPP0pTTplimlimP体积不变P3→０T(p)→373.15k在热力学第二定律的基础上引入一种温标，它完全不依赖于任何一种测温物质及其测温属性，这种温标称热力学温标，也称绝对温标或开尔文温标。用这种温标所确定的温度叫热力学温度，用Ｔ表示，单位：Ｋ在理想气体温标所能确定的温度范围内，理想气体温标和热力学温标是完全一致的四．热力学温标五.摄氏温标和华氏温标摄氏温标所确定的温度用ｔ表示，定义为：单位：℃摄氏温标和华氏温标的关系：FttF0)5932(水的三相点温度t3=0.01℃t=T－273.15例1、某定容气体温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时,其中气体的压强为50.0mmHg问：(1)用温度计测300K温度时,测温泡内气体的压强(2)当测温泡内气体的压强为68.0mmHg时待测的温度.解：对于定容气体温度计3273.16PTpP1311223(1)300,54.9273.16(2)68.0,273.16371PTTKPmmHgPPmmHgTKP对固定的系统，处于平衡态的各热力学参量之间存在确定的函数关系。例如化学纯的气体、液体、固体的温度Ｔi都可分别由各自的压强Ｐi和体积Ｖi表示，即：Ｔi＝Ｔi(Ｐi，Ｖi)或fi(Ｔi，Ｐi，Ｖi)＝0其中i分别表示气、液、固处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、温度）之间所满足的函数关系称为该物质的物态方程或状态方程。一．理想气体状态方程第三节理想气体状态方程二．理想气体的状态方程理想气体实验发现，理想气体严格遵循玻意耳定律、查理定律和盖吕萨克定律在此基础上得到：常量222111TVPTVPRTPVmolmol:R1，则得气体常量为令　标准状态下，T=273k，P=1.013×105Pa，Vmol=22.4L，可算得：R=8.31J.mol-1.k-1=0.082atm.l.k-1mol-1R：普适气体常数若气体不是１mol，而是Mkg，则摩尔数ν＝M/μ，理想气体状态方程可写为：MPVRTRT三．混合理想气体物态方程道尔顿（Dalton）分压定律：混合气体的压强等于各组分的分压强之和。数学表达式：P=P１+P２+……＋Pn由理想气体状态方程和道尔顿分压定律可得：12121212()()()nnnnMMMPPPVRTRT令混合理想气体的摩尔数为ν，则：nnnMMM212211则混合理想气体的状态方程为：PV=νRTRTMPV则混合理想气体状态方程玻—马定律PV=constant盖—吕萨克定律V/T=constant查理定律P/T=constantT不变P不变V不变理想气体状态方程PV=RTPV/T=R=1mol321TTTP0V2T1T3T1P1V等温线根据状态方程，系统的压强、体积、温度中任两个量一定，就可确定系统的状态，因此常用P-V图中的一条曲线来表示系统的准静态过程，曲线上任一点都表示气体的一个平衡态，这种图叫状态图。阿伏伽德罗常数：12310022.6molNA玻耳兹曼常数)(1038.1123KJNRkA设：分子质量为m，气体分子数为N，分子数密度n。NmMAmolNmMRTMMPVmolNkTTkNmNNmAA理想气体状态方程的另一形式:理想气体状态方程：nkTP标准状态下的分子密度：即在标准状态(压强为1大气压,温度为273.15K)下,单位体积的任何气体包含的分子数为洛喜密脱数：)(1069.2325mnoNnV分子数密度例题1、一容器内盛有氧气0.100kg，其压强为1.013×10-6Pa,温度为320K，因容器开关缓慢漏气，稍后测得压强减为原来的5/8，温度降低到300K。求（1）容器的体积；（2）在两次观测之间漏掉多少氧气。（氧气摩尔质量为Mmol=3.2×10-2Kg/mol）解：（1）由理想气体状态方程得容器的体积为：111molMpVRTM)(1030.810013.1102.332031.8100.03362111mPMRTMVmol（2）设漏气后剩余氧气为M2，由222molMpVRTM所以漏掉的氧气质量为)(1066.68530031.81020.810103.1102.32362222kgRTVPMMmol)(1034.31066.6100.02221kgMMM例2、一个长L＝0.50m的圆柱形容器被一质量M＝5.0kg的绝热活塞隔成两部分，一部分里有质量M1＝6g的氢气，另一部分有M2＝56kg的氮气，两部分气体的温度均为T1＝300K．活塞无摩擦沿容器壁滑动，厚度可忽略。试求：（１）平衡时，容器两部分的长度L１和L２H2M1T1M2T1N2LL1L2解(1):平衡时两部分气体压强相等．设截面积为22221111RTMMSPLRTMMSPLmolmol（２）现将容器竖直放置，装有氢气的部分位于上方，若使活塞正好位于容器的中央，应将氮气加热到多少？12320.3,0.255LLmLLm23226286122121molmolMMMMLLH2N2M1T1P1M2T2P22L2L（2）：设竖直放置后，氢气压强为P1，氮气的压强为P2对于N2RMMTLSPTVPmol2222222对于H2，温度不变RMLSMPTmol22222(1)21MgPPS(2)LSMRTMPRTMMLSPSLPmolmol111111112532(3)将（２）（３）代入（１）中得；H2N2M1T1P1M2T2P22L2L1112221112222222molmolmolmolmolMRTMgMLMTMRMMTMgLMMMMR数据代入上式得：T2=415K