热学第一章

(3) 查理定律 在体积不变时： P P0 (1 Pt )
0
(1.3)
V 为气体的体膨胀系数， 式中 P0 .V0为0 C 时气体的压强与体积。 P 为气体的压强系数。
P 以上三条定律近似地适用于所有的气体，且对所有的气体 V 、 值都很接近。在温度不太低，气体愈稀薄，上三式就愈精确地描述 气体状态的变化。实验表明，在气体无限稀薄的极限情形下，所有 气体的 V 、 P 都趋于同一极限值，且 1
瓦 特 早期蒸汽机
燃油发动机的出现更 是促进了现代交通的发 展。
早期燃油发动机
The Nobel prize in 1997
“For development of methods to cool and
trap atoms with laser light."
Chu
Cohen-Tannoudji
PV P0V0 T T0
即： PV 常量 T
根据阿伏伽德罗定律，在 T0 273.15K , P0 1atm 的标准 状态下，1mol任何气体所占的体积均为:
0 22.41383l m ol
m V0 0 mol 0 M
P00 PV R T T0
“All reversible engines operating between the same two constant temperatures TH and TL have the same efficiency. Any irreversible engine operating between the same two fixed temperatures will have an efficiency less than this.”
注：以后在“热力学与统计物理”、“固体物理” 等 课程中还要对热物理学的相关内容作更深入的讨论。
参考书目
课程教材：
1. 赵凯华等，《热学》（第二版），高等教育出版社，2005
参考教材：
1. 秦允豪，《热学》（第二版）高等教育出版社，2006
2. 包科达, 《热物理学基础》，高等教育出版社，2001
门———统计物理学。
二十世纪以来，量子力学的发展使得热学由经典统计物 理学发展成为量子统计物理学。量子统计物理学对固体、 液体和等离子体中各种物理性质的研究，起着主导作用。
本课程主要讨论以下三部分内容：
（1）热力学基础（第一章，第三章，第四章）；
（2）统计物理学的初步知识（以分子动理论的内 容为主）（第二章，第五章）； （3）液体、固体、相变等物性学方面的基本知识。
273 .15
1 1 1 1 V 即：lim p （1.4） lim P P00 T0 273.15 T0 273.15
00
（1.5)
1

T0 273 .15O C
(1.6)
这是1954年第十届国际计量大会正式规定的数值。
3.理想气体的定义 （1）理想气体的定性定义 当气体很稀薄，即当气体的压强趋于零时的气体可看 作理想气体。这时不同气体的性质的差异消失了，各种气 体表现出相同的性质，不同气体的各种参量都趋于一个共 1 同的极限。即 a a
§1 、
温度
1.1 温度计和温标 1. 温度：物体的冷热的程度；或是某种温度计的读数. 2.温标：温度的数值表示法叫做温标。 三个要素：测温物质、测温属性和固定标准点。
(1).华氏温标 o 单位：“华氏度”，记作 F 。这种温标是从德国迁居荷兰的华 伦海特1714年建立的。他把冰水混合物的温度定为32度, 大气压下水的沸点定为212度。这种温标目前只有英美尚还使用。
教学目的与要求 1、确切理解与掌握温度、热量、热容量、潜热、化学 键等基本概念。 2、确切理解物质是由大量的分子、原子组成的，分子 或原子作无规则的永不停息的热运动，分子间有相互作 用力。 3、正确理解理想气体的定义，熟练掌握理想气体状态 方程及其应用。 4、正确理解热力学第零定律 5、熟练掌握理想气体压强公式及其应用。 6、正确理解气体、固体、液体三种聚集态的结构及特 征。 7、了解化学键的概念。
——与大热源平衡 战国《吕氏春秋· 慎大览· 察今》 “有道之士，贵以近知远，
以今知古，以所见知所不见。
故审堂下之阴，而知日月之行，阴阳之变； 见瓶水之冰，而知天下之寒，鱼鳖之藏也。”
伽利略温度计 16世纪 (明)
从远古到十八世纪以前（系 统的热学没有建立）
从十八世纪开始，热 机发展极大的促进了热 学的发展。
（2）摄氏温标 o 单位：“摄氏度”，记作 ，是瑞典天文学家摄尔修 C 斯1742年建立的。他把水的冰点定为0度，沸点定为100 度。目前该温标使用最普遍。 华氏温标与摄氏温标的换算关系
9 t F 32 t 5
最初的温度计以酒精或水银为测温物质。选它们的热 膨胀作为测温属性。但当温度改变时，物质的许多物理属 性，如气体的体积、压强、金属导体的电阻等都会发生变 化。因此一般说，任一种物质的任一物理属性，只要它随 温度发生单调的、显著的变化，都可用来标志温度，即制 作温度计。因此除了水银温度计外，常用的温度计有：
V P
T0
从微观上看，分子本身的大小比起它们之间的平均距 离可忽略不计；除了短暂的碰撞过程外，分子间的相互作 用可忽略；分子间及分子与器壁间的碰撞是完全弹性的。 这就是理想气体的微观模型。 （2）理想气体的定量定义 a、凡严格遵守上述三条实验定律的气体称为理想气体。 b、凡严格遵守理想气体状态方程 PV RT 的气体称为理 想气体。
T t T0 t 273.15
（1.7）
5、理想气体状态方程 (1.2),(1.3) 用热力学温度来表示，则
V V0 (1 V t ) (1.2)
V V0 T T0 (1.2) '
P P0 (1 Pt )
(1.3)

P P0 T T0
(1.பைடு நூலகம்) '
现设一定质量的理想气体，由一个状态 ( P,V , T ) 变为 另一个状态 P0 ,V0 , T0 . （1）保持V不变，使 P, T P, T0
P P 由(1.3)’得： T T 0
T0 P P T
（2）保持温度T0不变，使 P,V P0 ,V0 由（1.1）式得： PV P0V0
4、热力学温度（T） 由（1.2）和（1.3）式可知，在 t 273.15o C 时，理想 气体的 V 0, P 0 ，这对于实际气体是不可能的。这个 温度是所有可能达到的温度的最低极限。这个温度的最低 极限称为绝对零度。以绝对零度为起点的温度过去称为绝 对温度，现称为热力学温度，记作T，单位：开尔文，记 作“开”或K。 热力学温度与摄氏温度的关系为：
爱因斯坦晚年说过：
“经典热力学给我留下了深刻 的印象，它是具有普遍内容的唯 一的物理理论，我深信，在其基 本概念适用的范围内是绝对不会 被推翻的。” 热力学是具有最大普遍性的一门科学，它不同于力 学、电磁学，因为它不提出任何一个特殊模型，但它又 可应用于任何的宏观的物质系统
热平衡自古知之
观自然现象而知寒暖
3. 李椿等，《热学》，高等教育出版社，2004
学习资料：
1. 费曼，《费曼物理学讲义》，上海科技出版社，2004 2. 别莱利曼，《趣味物理学》，湖南教育出版，1999
焦耳的各种热功当量实验
热力学第一定律
Q = dU + W = dU + pdV
Carnot’s Cycle
卡诺
Carnot’s theorem
热力学第二定律
开尔文
克劳修斯
Krönig (1856)
P nmv
1 3
2
麦克斯韦
James Clerk Maxwell
麦克斯韦分布
附：对同学的要求
1. 教与学是相互促进的过程 ，关于教学、教材等，要多 提宝贵意见
2. 我的E-Mail：zhouping.0703@163.com
3. 按时上课，认真听讲，完成作业，搞好预习和复习
所以上式变为：
P00 8.31451J m ol· K 0.082atm· L m ol· K 式中： R T0
是与气体状态无关的常量，称为普适气体常数。 故： PV RT （1.8） 这称为理想气体状态方程。
由 pV RT 可知，可求解4种不同类型的问题 （1）已知 p,V , T , 求 或 m ； （2）已知 p,V , , 求 T ； （3）已知 p, T , , 求V； （4）已知 V , T , , 求 p ；
1.3、理想气体状态方程和理想气体温标 1、气体温度计 （1）定压气体温度计：结构较复杂，操作麻烦，使用 少。 V
T (V ) 273.16K V3
（2）定体气体温度计： T ( P) 273.16K P P3 定体气体温度计如图所示。 2、气体状态三条实验定律 （1）波意耳定律 在温度t不变的情形下： PV 常量c （1.1） （2）盖—吕萨克定律 在压强P不变时： V V0 (1 V t ) （1.2）
Phillips
The coldness you can only imagine
Temperature (K)
10
-4
10
-6
10
-7
10 -8
To absolute zero
Doppler cooling Sisyphus cooling
Subrecoil cooling
BEC
热学的发展
十九世纪，随着气体分子运动论的发展使人们对物质的 认识从宏观领域进入到微观领域。从而开辟了新的科学部
§ 1、 教学基本要求 一、 温度计和温标
1、什么叫温度？
温度
2、什么叫温标？建立温标的三要素是什么？
二、热力学第零定律
1、什么叫热平衡？ 2、热力学第零定律
三、理想气体状态方程和理想气体温标
1、气体状态三条实验定律 2、理想气体的定义（定性与定量） 3、掌握理想气体状态方程的推导方法 4、什么叫热力学温度（T） 5、什么叫理想气体温标
1.2 热力学第零定律
1、热平衡
在无外界影响条件下，使两个物体（热力学系统）
相互接触（热接触），经过一段时间后，它们的宏观性
质不再变化，则被称为彼此达到了热平衡。
两个相互处于热平衡的物体温度相同。
2、热力学第零定律 设有A、B、C三个物体，在无外界影响的条件下，若 使A与B热接触时，平衡不被破坏，则说明A、B相互处 于热平衡，若A与C也相互处于热平衡，则将B与C热接 触，B、C也必将处于热平衡。即： A~B，A~C B~C 结论：在无外界影响的条件下，如果处于确定状态 下的物体A分别与物体B、C达到热平衡，则物体B、C 也必定相互处于热平衡。称为热平衡定律或热力学第零 定律。 处于同一热平衡态的所有物体（热力学系统）具有 相同的温度。
课程考核方式及成绩评定 本课程考核方式为闭卷考试。考核由平时作业、期中考试及期末 考试三部分组成，评定学期成绩还将结合平时得出综合成绩为该门课 成绩。
第一章 热学基本概念和物质 聚集态
§1.温度 §2 热量及其本质 §3 物质聚集态随状态参量的转化与共存
§4 气体
§5 固体 §6 化学键 §7 液体
热
学
Thermodynamics
理 学
院
Email zhouping.0703@163.com 周 萍
绪论
热学的研究对象和任务
研究对象：由大量分子、原子组成的物体或物体系（或
称热力学系统）。
研究任务：研究热运动的规律及热运动对物质宏观性质 影响的有关热现象的理论。
热力学
热力学是热运动的宏观理论。它通过对热现象的观测、 实验和分析，总结出热现象的基本规律，即热力学第零、 一、二、三定律，是热力学理论的基础。它以这几个规 律为基础,应用数学方法,通过逻辑演绎，得出物质各种 宏观性质之间的关系，宏观物理过程进行的方向和限度 等结论。
几种常用的温度计
温度计 定容气体温度计 定压气体温度计 铂电阻温度计 铂—铂铑热电偶温度计 液体温度计 测温属性 压强 体积 电阻 热电动势 液柱长度
注意：用各种不同的摄氏温度计测量同一对象的温度 时，所得的结果是有所差异的。为以氢定体温度计为基准 所作的各种其它温度计的校准曲线。由图可见，用不同的 测温物质所建立的摄氏温标，除冰点和沸点按规定相同外， 其他温度并不严格一致。这是因为不同物质或同一物质的 不同测温属性随温度的变化关系不同。