热学电子教案-PowerPointPresentati

《热学》电子教案面向物理学本科学生主讲：高慧引言宏观理论微观理论物性学热一律热二律热学的研究对象，方法热学发展简述气体动理论（平衡态）气体内输运过程非理想气体、固体、液体相变热学内容体系示意图引言第一章温度第二章气体分子运动论的基本概念第三章气体分子热运动速率和能量的统计分布律第四章气体内的输运过程第五章热力学第一定律第六章热力学第二定律第七章固体第八章液体第九章相变引言（Preface）•宏观物体由大量微观粒子组成;微观粒子处在永恒的混乱运动之中。•实验表明：分子运动的激烈程度与温度有关，大量分子的无规则运动称为热运动。热运动是热现象的微观实质。•热现象是热运动的宏观表现。•热运动在本质上不同于机械运动。•热现象━随机现象5热学的研究方法(StudyMethodsofThermology)宏观描述方法与微观描述方法1、宏观描述方法：热力学方法热力学：由观察和实验总结出来的热现象规律，构成热现象的宏观理论，叫做热力学。热力学方法的优点：热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。热力学的局限性：•1、它只适用于粒子数很多的宏观系统；•2、它主要研究物质在平衡态下的性质，它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程；•3、它把物质看成为连续体，不考虑物质的微观结构宏观方法的实质：用能量转化的观点研究热现象72、微观描述过程：统计物理学统计物理学则是热物理学的微观描述方法，它从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，找出微观量与宏观量之间的关系。微观描述方法的局限性：在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得的理论结果与实验不能完全符合。微观方法的实质：视宏观性质为大量微观粒子运动的平均效果，视宏观物理量为相应微观量的统计平均值。第一章温度§1.1平衡态状态参量§1.2温度§1.3气体的状态方程§1.1平衡态状态参量系统与外界1.热力学系统（简称系统）在给定范围内，由大量微观粒子所组成的宏观客体。2.系统的外界（简称外界）与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体。热力学平衡态一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变化，我们就说这个系统处于热力学平衡态。平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况。与稳恒态的区别，稳恒态不随时间变化，但由于有外界的影响，故在系统内部存在能量流或粒子流。稳恒态是非平衡态。对平衡态的理解应将“无外界影响”与“不随时间变化”同时考虑，缺一不可。金属杆就是一个热力学系统。根据平衡态的定义，虽然杆上各点的温度将不随时间而改变，但是杆与外界（冰、沸水）仍有能量的交换。一个与外界不断地有能量交换的热力学系统所处的状态，显然不是平衡态而是稳定态。100oc0oc金属杆注意热动平衡:平衡态下，组成系统的微观粒子仍处于不停的无规运动之中，只是它们的统计平均效果不随时间变化，因此热力学平衡态是一种动态平衡，称之为热动平衡。状态参量——平衡态的描述确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量。–常用的状态参量有四类：几何参量（如：气体体积）力学参量（如：气体压强）化学参量（如：混合气体各化学组分的质量和摩尔数等）电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁化强度等）注意：如果在所研究的问题中既不涉及电磁性质又无须考虑与化学成分有关的性质，系统中又不发生化学反应，则不必引入电磁参量和化学参量。此时只需体积和压强就可确定系统的平衡态，我们称这种系统为简单系统（或pv系统）。§1.2温度热平衡将两个分别处于平衡态的系统A和B用一刚性隔板分隔开。若隔板为“绝热板”（如图(a)），则A，B两系统的状态可独立地变化而互不影响。厚木板，石棉板等都可视为绝热板。(a)绝热板ABAB导热板(b)•若隔板为“导热板”（如图(b)），则A,B两系统状态不能独立地改变,一个系统状态的变化会引起另一系统状态的变化,金属板即为导热板。通过导热板两个系统的相互作用叫热接触。•通过导热板进行热接触的两个系统组成一复合系统，当复合系统达到平衡态时，我们就说两个系统处于热平衡。热力学第0定律如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。温度互为热平衡的几个热力学系统，必然具–有某种共同的宏观性质，我们将这种决定系统热平衡的宏观性质定义为温度。温度是状态的函数，在实质上反映了组成系统大量微观粒子无规则运动的激烈程度。实验表明，将几个达到热平衡状态的系统分开之后，并不会改变每个系统的热平衡状态。这说明，热接触只是为热平衡的建立创造条件，每个系统热平衡时的温度仅决定于系统内部大量微观粒子无规运动的状态。温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与其他系统处于热平衡。处于热平衡的各系统温度相同。热力学第零定律只能说明物体之间是否达到了热平衡，即物体的温度是否相同，它不能比较尚未达到热平衡的物体的温度的高低。温度的数值表示法称为温标思考题：1、热力学第零定律是不是逻辑推理的结果？2、热力学第零定律是否反映了在某种意义下的某种对称性?§1.3温标(TemperatureScale)一、经验温标(ExperienceTemperatureScale)三要素a)测温物质和测温属性b)定标点c)标度法两种常用的经验温标：1.华氏温标1714年，华仑海脱测温物质：水银测温属性：水银柱长度X定标点：水的冰点：32°F水的沸点：212°F变化关系：baXXtF)(冰冰沸冰沸沸冰XXXbXXabaXbaX1803218021232华氏温标冰沸冰XXXXXtF18032)(2.摄氏温标1742年，摄尔西斯图1为摄氏温标与华氏温标的关系。图2表明经验温标有赖于测温物质。摄氏温标冰沸冰XXXXXt100)(图1-1图1-2百分度温标：水银气压计中上面空着的部分为什么要保持真空？如果混进了空气，将产生什么影响？能通过刻度修正这一影响吗？答：只有气压计上面空着的部分是真空，才能用气压计水银柱高度直接指示所测气体的压强。如果气压计内混进了一些空气，则这种气体也具有一定的压强。这时，水银柱高度所指示的压强将小于所测气体的真实压强，而成了待测气体与气压计内气体的压强之差。能否在刻度时扣除漏进气体的压强，而仍由水银柱的高度来直接指示待测气体的压强呢？也不行。因为水银气压计内部气体的压强随着温度和体积的变化而变化，对不同压强和不同温度的待测气体测量时，内部气体的压强是不同的。所以，不可能通过修正而得到确定不变的刻度。因此，气压计上端必需是真空的。思考题二、理想气体温标(Ideal-gasTemperatureScale)定容气体温标ghpp0测温物质：气体测温属性：气体压强固定点：水的三相点关系：KTtr16.273Tpap假设当时，则KTTtr16.273trpptrap16.273trpa16.273定容气体温标trpppT16.273定压气体温标：aVVT定压气体温标则时，假设当trtrtrtrtrVVVTVaaVVVKTT16.27316.27316.273,16.273实验发现：理想气体温标——极限温标trpptrppVVVTTpppTTtrtr0000lim16.273limlim16.273lim四、各种温标间的关系(theRelationbetweenVariousTemeratureScales)1960年，国际计量大会规定摄氏温标由热力学温标导出ttttTtTtFF59593215.273§1.4气体的状态方程（GasStateEquation）状态方程：温度与状态参量之间的函数关系。简单热力学系统物态方程的一般形式:0,,TVpf三个气体实验定律：玻意耳—马略特定律盖·吕萨克定律CpVtVVV10查理定律其中tppp10时气体的压强时气体的体积气体的定容压强系数气体的定压膨胀系数CpCVpV0000一、理想气体状态方程(Ideal-gasStateEquation)RTpV阿伏伽德罗定律定压气体温标马定律玻又设用定压气体温度计测温据定压气体温标公式有trtrCCTT时，设当VpTVpTtrtrtrtr,,,,trtrtrtrVpVpVTVVVT16.27316.273将玻—马定律代入上式，得从而有将C代回玻—马定律，得trCCVT16.273VTCCtr16.273VTCpVtr16.273TCpVTVTptr16.2730。因此时，当TvpvpVvpVpCvVvVtrtrtrtrtrtrtrtrtr16.273,,所以因为据阿伏伽德罗定律当p→0时，在同温同压下1摩尔的任何气体所占的体积都相同，即都相同，因此对各种气体都一样，是普适气体常数，trv16.273trtrvp16.273trtrvpR令理想气体状态方程二、普适气体常数(UniversalGasConstant)RTMRTpV13300501041383.2215.27310013.1molmvKTp标准状态15.27316.27300vpvpRtrtr1111211987.1102.83144.8KmolcalRKmollatmRKmolJR可算出思考题：1.R是宏观常数还是微观常数？2.一年四季大气压强一般差别不大，为什么在冬天空气的密度比较大？答：对理想气体来说，总是适用的。假定M为空气的平均摩尔质量，对一定体积V来说，当压强P不变时，温度越低，则m越大。换句话说，把空气近似看作理想气体，当温度低的冬天，大气压强P差别不大时，空气的密度比较大。3.人坐在橡皮艇里，艇浸入水中一定的深度，到夜晚大气压强不变，温度降低了，问艇浸入水中的深度将怎样变化？答：人和艇的重量即为艇所排开水的重量。因此，白天和夜晚艇所排开水的体积不变，由于艇内所充气体的量不变，大气压不变，则所充气体的压强P也不变（忽略橡皮艇本身弹力的变化）。因此，从理想气体状态方程RTMPV可见，当夜晚温度T降低后，充气橡皮艇体积V便缩小。为了使艇排开水的体积保持不变，所以到了夜晚，艇浸入水中的深度将增加。RTMPV三、道耳顿分压定律(Dalton'sPartialPressureLawnpppp21四、混合理想气体状态方程(MixtdIdealStateEquation)种不同的理想气体中有设体积nVniMMMM,21，，，质量：ni,21，，，摩尔质量：nipppp,,,,21分压强：按道耳顿分压定律，有混合气体的压强为,pniipp1按分压强的定义，有个组元产生的分压强为第,ipiniRTMpiii,2,1因此niiiniiRTMVp11niiiRTMpV1niiRTpV1niiv1尔数，则有为混合理想气体的总摩令混合理想气体状态方程RTpVM平均摩尔质量niiniiMM11其中态方程可写作因此，混合理想气体状RTMpV第二章气体分子运动论的基本概念§2.1物质的微观模型§2.2理想气体的压强§2.3温度的微观解释§2.4分子力§2.5范德瓦耳斯气体的压强§2.1物质的微观模型1、宏观物体由大量原子或分子构成，原子或分子之间有空隙。2、分子作永恒的无规则运动，运动的剧烈程度与物体的温度有关。3、分子间有相互作用力宏观物体都是由大量不停息地运动着的、彼此有相互作用的分子或原子组成.利用扫描隧道显微镜技术把一个个原子排列成IBM字母的照片.现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大小以及它们在物体中的排列情况,例如X光分析仪,电子显微镜,扫描隧道显微镜等.对于由大量分子组成的热力学系统