热学课件

第一章
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4
温度
平衡态 状态参量 热力学第零定律和温度 温标的建立 理想气体状态方程
一、平衡态 1、经验表明，一个孤立系统经过足够长的时间，将会达到这样一
种状态，系统将趋于均匀，各种宏观性质在长时间内不再发生变 化，这种状态称为热力学平衡态，不符合以上条件的状态称为非 平衡态．
二、温度的概念
为了表征“同一热平衡状态的所有系统具有的相同的 宏观性质”，引入了温度这个物理量。 1、 温度的概念：描述处于同一热平衡状态的所有系统具有相 同宏观性质的物理量。 温度决定一系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。它 的基本特征在于一切互为热平衡的系统都具有相同的温度值。
2、说明
1）温度概念的建立基于热力学第零定律。 2）为制造温度计和判断温度的高低提供理论根据。 3）温度决定于系统内部热运动状态，是宏观状态函数。 4）物体的冷热程度，微观上反映热运动的剧烈程度。 1 2 3 K mv kT 2 2 5）温度是不可加量——强度量。
p pi — 条件：理想气体等温等容混合
i 1
n
2、混合理想气体的状态方程
由：piV Mi
i
RT , 得 Mi ) RT pV nRT
（ pi）V (
i i
i
n
Mi
i
由：piV
Mi
i
RT , 得 Mi ) RT pV nRT
（ pi）V (
1 V V T p

1 p p T V
1 V T V p
T
③用统计物理理论导出.
二、理想气体及其状态方程
1、理想气体状态方程 通过实验，作出pv/T－p的关系曲线， 如图1.10（a）、(b)。v为摩尔体积。 结论：理想气体满足 pv R或 pv RT
二、状态参量
1、 被选作能够确定系统平衡态的独立的宏观物理量，称为 状态参量。通常可测量的物理量都可选作状态参量，如压 强、体积、温度、电场强度、磁感应强度、磁化强度等。 气体：压强和体积可独立改变，为状态参量。 2、状态函数：表示为状态参量函数的其他宏观量。 3、说明 1） 系统需要的独立状态参量个数是由系统的性质和外 界条件决定。 2）状态参量可分为内参量和外参量两种。内参量表示系 统内部的状态，外参量表示系统周围环境的状况。 3）热力学量可分为强度量和广延量。强度量与系统的质 量无关，广延量则与系统的质量成正比。 4）平衡态对应P-V、p-T图上的一点。
1）规定热力学温标为国际温标，单位是开尔文 (简称：开，
3）规定了若干个可以复现的固定温度点。（见 P20表1-2）
§1-4 理想气体状态方程 一、物态方程
经验表明：任何一个热力学系统的平衡状态都可用 几何参量、力学参量、电磁参量及化学参量来描写， 这4类参量可完全确定系统的平衡状态。但在一定的平 衡态中热力学系统还具有确定的温度。 1、物态方程 把表示上述四类参量与温度之间联系的数学关系 式称为系统物态方程，也称状态方程或态函数。 2、说明 1）在无外力场的情况下，压强(P)、体积(V)和温度 (T)之间可写成隐函数形式，具体由实验来确定：
T4
V
T2 T3
T1
T
5）四类参量 力学参量：力、表面张力、应力 几何参量：体积、面积、长度 化学参量：质量、物质的量、分子数 电磁参量：电场强度、磁感应强度、磁化强度 （以上4类参量不能直接表示物体的冷热程度，但可 以间接表示。） 热学参量：温度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在初级物理中，温度常被定义为表示物理 冷热程度的物理量。如何科学定义和量度？
Ps800 mmHg 800m m Hg
T ( Ps ) 273.16K
N2、O2、空气为测温物质亦同
（3）当 Ptr 0
lim T ( Ps ) 373.15K ,
Ptr→0差异消失
1.9
问题与讨论
1、用定容气体温度计测量某种物质的沸点。原来测温泡在水的三相 点时，其中气体的压强Ptr=500mmHg；当测温泡浸入待测物质中时， 测得的压强值为 Ptr=734mmHg。当从测温泡中抽出一些气体，使Ptr 减为200mmHg时，重新测得P=293.4mmHg，当再抽一些气体使Ptr 减 为100mmHg时，测得P=146.68mmHg。试确定待测沸点的理想气体温 度。 P 方法一：按(定容)气体温标意义 T ( p) 273.16K Ptr
ptr 0 p 0
2）对极低温及高温不适用
图1-8 定容气体温标的t—P曲线
(1)不同气体温度计(定容、 定压)，相同的Ptr，测量 同一系统其结果将出现 差异。 (2)同一气体温度计，不 同的Ptr测量同一系统结 果亦有差异。
1.9
比如：H2
T ( Ps ) 273.16K Ps1000 mmHg 1000m m Hg
5
二、理想气体温标
1、气体温度计 P T ( P ) 273 . 16 K 1）定体气体温度计： P V 2）定压气体温度计： T (V ) 273.16 K
Vtr
tr
2、理想气体温标 1） 在压强极低的极限情况下，气体温标只 取决于气体的共同性质，而与特定气体的特定 性质无关。 lim T ( P) lim T (V )
由题给数值得下表
作T(P)-Ptr曲线，外推到Ptr=0得：
T lim T ( p) 400.57 K
作T(P)-Ptr曲线，外推到Ptr=0得：T
linT ( p ) 400.57 K
三、 热力学温标与国际温标
1、热力学温标 理想气体温标与固、液温标相比有一个突出的优 点，即它不依赖于气体的个性，从而在其实用范围内 可建立一个统一通用的温标，但这种温标毕竟还是要 受限制，不是在任何范围内都成立的，因而人们进一 步希望有一种在任何情况下都是统一通用的温标，经 过长期研究，开尔文在热力学第二定律基础上引入一 种能满足此项要求的温标，叫做热力学温标。用这种 方式确定的温度叫热力学温度。 1）热力学温标是一种理想温标。 规定：1K等于水的三相点的热力学温度的1/273.16 2）在理想气体温标的适用范围内，理想气体温标与热 力学温标一致，都用T、K来表示。 3）理想气体温标的重要意义在于使热力学温标取得了 实际意义。在很大范围内都是用理想温度计来测量物 体的热力学温度的。
2、国际温标 符号K )，用理想气体温标来实现。 2）规定摄氏温度与热力学温度导出： t T 273.15
就是说，规定273.15K为摄氏零度（水的冰点），这时，摄氏温
标的零点与水的三相点273.16K并不严格相等，但仅有万分之一的 差别，同理沸点也不严格等于100℃。 注意：这里是由热力学温标导出摄氏温标，先用绝对温标规定 出冰点，再换成摄氏温标，由此产生差异。
二、状态参量: 描述系统状态的变数
1、P —V图 3、参量分类： 力学参量： P、 P — T图 2、平衡态与状态参量 化学参量：M、mol、 电磁参量: E、P、H、M
几何参量：V、S、l
§1-2 热力学第零定律和温度 一、热力学第零定律 1.绝热壁、导热壁、热接触、热平衡 。 如图1.2 2.热力学第零定律 如果两个热力学系统中的每一个都 与第三个热力学系统的同一个状态处于 热平衡，则这两个热力学系统彼此也必 定处于热平衡。 这表明：通过热接触，不同的系统 必将达到共同的热平衡状态。
2、理想气体实验定律
T不变
玻—马定律 PV=constant1
理想气体物态方程 PV=nRT
n=1mol
P不变
盖·吕萨克定律 V/T=constant2
查理定律 P/T=constant3
Pv/T=R
V不变
三、混合理想气体的状态方程
1、道尔顿分压定律 稀薄混合气体的总压强，等于各种组分的分压强之和
5）过程和准静态过程。
平衡态1 非平衡态 平衡态2
状态１到状态２是一个状态变化的过程。若此 过程足够缓慢，这个过程中每一状态都可近似看 作平衡态，则叫准静态过程。 6）热力学平衡态系统必须同时满足三种平衡条件：力 学平衡，热平衡，化学平衡。 7）热力学平衡态是理想概念： 无严格意义孤立系，且有涨落现象客观存在。
§1-3 温标的建立
温标：温度的数值表示方法
一、经验温标 1、建立温标必须的三个要素： 1）选择测温质和测温参量X; 2）规定测温参量X随温度T的变化关系:T(X)=ax, T ( X 1 ) X 1 T(X2) X2 3）选定标准温度点并规定其数值。
X T ( X tr ) 273.16 K , T ( X ) 273.16 K X tr 2、经验温标：利用特定测温物质的特定测温属性建立的温 标 。 9 摄氏温标与华氏温标 t F 32 t C
i i
i
n
i
Mi
i

M

M n M Mi
i
混合气体摩尔质量

i
1 Mi 1 i i M
混合理想气体状态方程可写作：
pV
M

RT
四、理想气体的p－V－T图
四、理想气体的p-V-T图
T4 <T3 < T2< T1 p p T T4 T3 T2 T1 等温线
p · ·
§1-1 平衡态 状态参量
2、说明：
1） 热力学平衡态是一种动态平衡，常称为热动平衡． 2）在平衡态下，系统宏观量的数值仍会发生涨落，但对于宏观 物质系统，一般情况下，涨落极其微小，因而可以忽略的． 3） 对于封闭系和开放系，在不变的外界条件下，经过一定的 时间后，系统也必将达到一个宏观上不随时间变化的状态， 这样的状态称为稳定态． 4）系统处于平衡态时，各种宏观性质不再随时间改变，所以可 用一组具有确定值的宏观物理量来表征系统平衡态的特征．