《热学》(李椿 ) 电子教案(2015)

个与外界不断地有能量交换
100 c 的热力学系统所处的状态，
显然不是平衡态而是稳定态。
o
金属杆
0 oc
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
《热学》电子教案
李椿
高等教育出版社
绪论
• 热学是研究热现象的理论
• 热现象：与温度有关的物理性质的变化
•
热力学（热现象的宏观规律）
• 热现象
•
统计物理学（热现象的微观规律）
•
气体分子动理论
• 从微观上看，热现象是组成物体的粒子（分子、原子、电 子等）永不停息的热运动结果，每一微观粒子的运动具有
偶然性，总体上却存在确定的规律性
TTtr,,
ptr ,Vtr ptr ,V
据定压气体温标公式有
pV C
T V 273.16 V
Vtr
T V 273.16 ptrV
p Vtr tr
将玻 — 马定律 pV C 代入上式，得
从而有
T V 273.16 C
Ctr
C Ctr T V
273.16
• 研究方法不同
热学内容体系示意图
引言
热学的研究 对象、方法
热学发展简 述
宏观理论
微观理论
物性学
热一律
热二律
气体动理论 （平衡态）
气体内输 非理想气体、 运过程 固体、液体
相变
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
1960年，国际计量大会规定摄氏温标由热力 学温标导出
t T 273.15
t T
tF
32 9 t 5
9
t F

t 5
§1.3 气体的物态方程 （Gas State Equation）
热力学系统的平衡态可以用状态参量：P（力学参量）、V （几何参量）描述，在一定的平衡态，热力学系统具有确定的 温度T。温度T是其它状态参量的函数T=f(P,V)。 物态方程：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 : f p,V ,T 0
三个气体实验定律：
（一）玻意耳 — 马略特定律： pV C
当一定质量的气体的温度保持不变时，它的压强和体积的 乘积是一个常量。常量C在不同的温度具有不同的数值。
（二）盖·吕萨克定律 V2 T2 V1 T1
(三) 查理定律
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
第一章 温度
四、混合理想气体状态方程(Mixtd Ideal State Equation)
设体积V中有n种不同的理想气体
质量：m1，m2， ，mi , mn
摩尔质量： M1，M 2， ，Mi , M n
分压强：p1, p2 , , pi , pn
混合气体的压强为p,按道耳顿分压定律，有
p

n

i1
pi
n
p p p1 p2 .... pn
i 1
( p1

p2
....

pn )V

( m1 M1ຫໍສະໝຸດ m2 M2 .....

mn )RT Mn
n
i 1
• 热力学温标:完全不依赖于任何测温物质及 其物理属性，是一种理想温标
• 热力学温度T (单位：开尔文K) • t=T－273.15 • 零摄氏度（t= 00C ），热力学温度T为
273.15K
四、各种温标间的关系
(the Relation between Various Temerature Scales)
注意
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
• 列奥米尔(Reaumur,1683-1757,法国)以酒 精和1/5的水的混合物作为测温物质，称为 列氏温标。
• 至1779年全世界共有温标19种。
图1-1
图1-2
百分度温标：
采用同一种温标，选取不同的测温物质用来测量同 一对象的温度时，所得结果也不严格一致。
为了使温度的测量统一，需要建立统一的温标，以 它为标准来校正其他各种温标。
m M 称为物质的量，在一定的温度T和压强P下，气体
的体积V与物质的量 成正比，Vm 为1mol气体的体积。
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
Vtr
都相同，因此 ptrVm,tr
273 .16K
对各种气体都一样，是普适气体常量，
令 R ptrVm,tr 273 .16K
采用理性气体温标为标准温标，这种温标用气体温 度计实现。
二、理想气体温标(Ideal-gas Temperature Scale)
定容气体温标 （气体的体积保持不变， 由压强随温度的改变来 确定温度）
p p0 gh
测温物质：气体 测温属性：气体压强
固定点 ：水的三相点温度 Ttr 273.16K
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（热平衡定律）
如果两个热力学系统中的每一个都与第三 个系统处于热平衡，则它们系统彼此也必定 处于热平衡。
温度
互为热平衡的几个热力学系统，必然具
华伦海特(Gabriel Danile Fahrenheit， 1686-1736，德国玻璃工人，迁居荷兰)制
造了第一支实用温度计：他把冰、水、氨 水和盐的混合物平衡温度定为00F，冰的熔 点定为320F，人体的温度为960F，1724年， 他又把水的沸点定为2120F。后来称其为华 氏温标。
摄尔修斯(Anders Celsius,1701-1744,瑞典 天文学家)，用水银作为测温物质，以水的 沸点为00C ，冰的熔点为1000C，中间100 个等分。8年后接受了同事施特默尔 （M.Stromer）的建议，把两个定点值对 调过来。称为摄氏温标。
温标 (Temperature Scale)
温度的数值表示法称为温标 • 经验温标 • 理想气体温标 • 热力学温标 • 国际实用温标ITS-90
一、经验温标(Experience Temperature Scale)
摄氏温标 华氏温标 列氏温标 兰氏温标
三要素 a) 测温物质和测温属性 b) 定标点 c) 标度法
定容温标的差别完全消失，给出相同的温度值 lim T p 373.15K pt r 0
理想气体温标——极限温标
T lim T p 273.16 lim p
ptr 0
p ptr 0 tr
T lim T V 273.16lim V
p0
V p 0 tr
三、热力学温标
关 系： T p ap
T Ttr 273.16K
假设当 p ptr (气体在三相点时的压强 ）
273 .16 K aptr
则
a 273 .16 K
ptr
T p 273.16 p 定容气体温标
ptr
由气体压强P来测定待测温度T(p)
定压气体温标：
T
V

理想气体物态方程
pV RT m RT
M
严格遵从方程的气体为理想气体，理想气体是一 个理想模型，在通常压强下，可以近似的用这个 模型来概括实际气体。
pV RT m RT
M
二、普适气体常数(Universal Gas Constant)
标准状态
p0 1atm 1.013 105 pa 105 pa(1标准大气压） T0 273 .15K（1mol理想气体在冰点时的温 度） Vm,0 22.413996 103m3 mol 1
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。 导热板
B
(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。
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）。