热学-第一章_温度

1702年：阿蒙顿温度计，水沸点作为唯一固定点
华伦海特温标（1724年）
✓ 测温物质： 水银【发现提纯水银的方法】 ✓ 测温属性： 热膨胀 ✓ 固定标准点：冰水混合物32度，水沸点212度
【人体温98.6 0F】
华伦海特改良了水银温 度计并定了华氏温标之 后，热学才走上实验科 学的道路。
摄氏温标（1742年）
一般选线性关系， T (x) ax b
c) 定标点：选择测温物质的某个特定状态作为固定点， 规定其温度值，确定式中的常数a和b。 温度计：选定了测温参量，规定了定标方法的具体测 温物质系统
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
2 .摄氏温标 1742年，摄尔西斯
2.系统的外界（简称外界）： 系统边界以外所有对所研究的热力学系统发生 相互作用的其它物体。
热力学系统：在研究物理现象时，人们通常 只注意某一物体或物体系，并想像地把它同周 围的物体隔离开来。在热学中，把这一确定为 研究对象的物体或物体系叫做热力学系统。简 称系统。
外界：在系统边界外部，与系统发生相互作 用，从而对系统的状态直接产生影响的物质叫 做系统的外界。
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。
✓ 测温物质： 水银 ✓ 测温属性： 热膨胀 ✓ 固定标准点： 水的冰点0度，沸点100度
F=32+ 9 t 5
t: 0C
经验温标的缺点 依赖于测温物质
各种物质的各种测温属性随温度的变化不可能都 是一致的，如果我们规定某物质的某种测温属性 与温度成线性关系，则其他测温属性与温度的关 系就不可能是线性的。因此，用不同的测温物质 或同一物质的不同性质建立温标往往不一致。
第一章 温度
1
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）： 不考虑物体内部的微观结构而把宏观物体看作有 明确边界的连续介质系统，称为热力学系统。 在给定范围内，由大量微观粒子所组成的宏观客
体。
1641年：意大利托斯卡纳大公爵费迪南二世，酒 精温度计，有刻度
17世纪：德国的格里凯是最先认识到在温度计的 刻度上标出定点的人之一。他以马德堡 地区初冬和盛夏的温度为定点温度，这 是不准确的。而佛罗伦萨的院士们选择 雪或冰的温度为一个定点，牛或鹿的体 温为另一个定点。
1665年：惠更斯提出冰和沸水作为固定点
交换
热力学平衡态
系统状态：由物体的宏观性质所确定的系统宏观状态。
热力学参量：和系统状态有关的宏观物理量，又称为热力 学坐标， 如P、V、T等。热力学参量之间 的相互依赖关系组成状态参量图。
系统的宏观状态决定于其状态参量。
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，就说这个系统处于热力学平衡态。
ptr
定压气体温标：T V aV
假设当 T Ttr 273.16K时，V Vtr ,则 273.16 aVtr
a 273.16 Vtr
T V 273.16 V 定压气体温标
Vtr
实验发现：当ptr→0时, 定容和定压气体温标与气体种类及质量
无关,趋于同一个极限值.
青白次之；青白之气竭，青气次之。然后可铸也。 首先熔解挥发的是那些不纯杂物，呈现“黑浊”的焰色；然后熔 点较低的锡熔解并挥发，呈现“黄白”的焰色；随温度上升，铜 熔化并挥发，呈现"青白"焰色。最后，炉火纯青，开炉铸造。
小结
古人定性估温的方法
➢ 利用人体 ➢ 利用自然现象颜色 ➢ 利用颜色
温度测量的定量化
只有外界条件不变的情况下，系统同时满足上述条件 才能处于平衡态。也只有处于平衡态的系统，才可以 用不含时间的宏观物理量（热力学参量）来描述它。
平衡态是一种理想情况，或称为近似情况。 因为实际上绝对的孤立系统并不存在，也无 法做到宏观性质随时间绝对不变。
平衡态下，虽然宏观性质不随时间改变，但 微观上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。
非平衡态 (非力学平衡)
力学平衡条件
例二 热传导
T1
T2
金属棒处于非平衡态: 有温度梯度
平衡条件
(1) 力学平衡 (2) 热平衡 (3) 化学平衡
热学平衡条件 系统内部的温度处处相等
我们把系统与外界存在能量与物质交换的情况下，物体各处宏观状 态均不随时间变化的状态称为稳恒态， 也称稳态或定（常）态。
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）。
状态参量确定 → 系统状态确定 → 宏观性质确定
态函数：系统状态参量的函数，只对应系统的状态，与变化 的过程无关
• 两个系统通过导热板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。
热力学第零定律
与第三个系统处于热平 衡的两个系统一定处于 热平衡
温度相等是两个系统处于 热平衡的充分必要条件
热力学第零定律
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。
热力学平衡的条件
• 热学平衡条件：系统内部温度处处相等wenku.baidu.com无热流
• 力学平衡条件：系统内部压强处处相等=无宏观定向 粒子流。（并非不受外力作用，而是系统内部、系统 与外界之间均处于平衡）
• 化学平衡条件：系统内部的化学组成处处相同=无化 学扩散-宏观粒子流动。
• 相平衡条件：系统内部各相物质达到稳定。
理想气体温标——极限温标
T lim T p 273.16 lim p
ptr 0
§1.2 温度
温度： 冷热的程度
内容
1.1 定性化 1.2 定量化 1.3 精确化
一、 定性化
古人估温的方法
用人体估温
1）贾思勰，《齐民要术》：制酪温度－“小暖于人体” 作豉温度－“令温如腋下为佳”
2）王祯《农书》述及养蚕气温时，指出养蚕人在蚕 室内需穿单衣，“以为体测"，即以自己的体温来 测定蚕室内温度："自觉身寒，即蚕必寒，使添熟 火；自觉身热，蚕亦必热，约量去火"。
热学研究开始的标志 温度的定量化
热平衡
绝热板
A
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。
B
若隔板为“绝热板”（如图(a)），
(a)
则A，B两系统的状态可独立地
A
变化而互不影响。厚木板，石
棉板等都可视为绝热板。
B
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。
平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况。
热学研究一种特殊的宏观状态：平衡态
平衡态：孤立系统最终达到的 所有宏观性质都不随 时间变化的状态。
平衡条件 （1）力学平衡（除为固定容器外，内外压强差为零） （2）热平衡（除为绝热壁外，内外温差为零） （3）化学平衡（内部化学成分不变）
例一 气体自由膨胀
平衡条件 （1）力学平衡 （2）热平衡 （3）化学平衡
t( X ) 100 X X冰 摄氏温标 X沸 X冰
温标的三要素
水
✓测温物质 ✓测温属性 ✓固定标准点
1632年：法国物理学家雷伊
早期的温度计
空气
水
1593年：伽利略发明温度计
1632年：法国物理学家雷伊
温度计的改进主要是从两方面进行的： 一、 为了定出温标，需要确定一些恒定温度点； 二、 为了找到适用的测温物质，促进了对物体热膨胀的研究。
需要一个作为统 一标准的温标
理想气体温标
小结
➢ 早期的温度计 ➢ 温标三要素 ➢ 经验温标及其缺点
二、理想气体温标
(1)气体温度计:以气体为测温物质构成的温度计。 常见的有：氢气、氨气、空气。
(2)分类 定体气体温度计：保持气体体积不变的温度计。 定压气体温度计：保持气体压强不变的温度计。
定容气体温标
p p0 gh
测温物质：气体 测温属性：气体压强 固定点 ：水的三相点
关 系： T p ap
Ttr 273.16K
假设当 T Ttr 273.16K 时，p ptr 则 273 .16 aptr
a 273.16 ptr
T p 273.16 p 定容气体温标
例三 扩散现象
氧气 氮气
平衡条件
(1）力学平衡 (2）热平衡 (3）化学平衡
氧气 氮气
非平衡态
化学平衡条件
在无外场作用下系统各部 平衡态 分的化学组成处处相同。
注意 平衡态与稳恒态的区别，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”
相对是绝对的，而绝对是相对的
状态参量——平衡态的描述
状态参量:用来完全确定地描述系统平衡态的 相互独立的宏观物理量。
常用的状态参量有四类：
几何参量-几何性质（如：气体体积） 力学参量-力学性质 （如：气体压强） 化学参量-化学成分（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
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。 思考题1：金属杆是否
根据平衡态的定义，虽然杆 上各点的温度将不随时间而
处于平衡态？
改变，但是杆与外界（冰、 沸水）仍有能量的交换。一
金属杆
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。
100
oc
0 oc
根据对系统与外界相互关系的不同，可对系 统进行分类：
孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统。 封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统。
开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统。
开放系统
封闭系统
孤立系统
和外界有能 量物质交换： 水壶加热
和外界有能 量交换,无 物质交换： 气缸加热
和外界无 能量物质
• 需要注意：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。
§1.3 温标
温标：温度的数值表示法。 经验温标：以某种具体物质的某一特性随温度的变化 作为依据，就可以建立经验温标。
建立经验温标三要素： a) 选择测温物质和测温属性：单调+显著 b) 定标方程：确定温度和测温属性之间的函数关系，
用自然现象估温
第一章 温度 1.1 定性化
1）《淮南子．兵略训》："见瓶中之水，而知天下之寒暑" 2）苏东坡：："蟹眼已过鱼眼生﹐颼颼欲作松风声。“
3）明代屠龙说，烧水有三沸："始如鱼目微有声，為一沸；缘边 泉涌连珠，為二沸；奔涛溅沫，為三沸。"
用颜色估温
1）在冶炼和烧陶过程中，工匠善於看火候，察顏观色判别温度高低。 2）春秋战国之际的《考工记》：“黑浊之气竭，黄白次之；黄白 之气，
变化关系： 定标点：水的冰点：32°F
tF (X ) aX b
水的沸点：212°F
32 aX 冰 b 212 aX沸 b

a

180 X沸 X冰
b 32
180

X沸 X冰
X冰
tF (X )

32 180
X X冰 X沸 X冰
华氏温标
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。温度相同是系统处 于热平衡的充分必要条件。
热力学第零定律的意义
• 给出温度的概念：互为热平衡的物体之间必然存 在一个相同的特征—温度相同 温度这个态函 数的存在：温度相等是热平衡的充分必要条件
• 指出了判别温度是否相同的方法：借助标准物体 分别与待测物体进行热接触以判断其温度的高 低—这个标准物体就是温度计。