大学物理第一章-温度

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,热学,,热学,是研究与热现象有关的规律的科学。,,,热现象：,与温度有关的现象,,是物质中大量分子无规则运动的集体表现。,,,大量分子的无规则运动称为,热运动。,研究对象：,宏观物体——,热力学系统,研究内容：,宏观物体的冷热性质以及冷热变化规律,研究方法：,根据,热力学系统,状态的,描述方法，,,热学研究分为两个分支,热力学,统计物理学,,热力学,统计物理学,采取宏观描述方法，根据实验确定的基本规律，,,运用逻辑推理(运用数学) 来研究热力学系统的规律,,-----称为,热力学,。,,,优点

2、：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质,。,采取微观描述方法，从物质的微观结构出发，,,运用统计方法来研究热力学系统的规律,,------称为,统计力学,,,,优点：揭示了热现象的微观本质。,,缺点：可靠性、普遍性差。,（其初级理论称为,气体分子运动论,）,,,第一章 温度,,§1.1 宏观与微观 (,热力学系统的状态描述,),,,,一．热力学系统 二．热力学系统状态的描述,,三．平衡态 四．状态参量,,,§1.2 温度的概念,,§1.3 理想气体的温标,,§1.4 理想气体状态方程,,,一．理想气体 二

3、．理想气体状态方程,,作业：,1.5、1.7、 1.9,,,§1.1 宏观与微观,(,热力学系统的状态描述),一．热力学系统,把热学研究的对象——宏观物体称作,热力学系统,,简称,系统,特征：,由,大量,运动着的分子和原子组成,分类：,物态,热力学系统与外界关系,气体、液体、固体,以,阿佛加德罗常数,N,A,=,6. 22×10,23,计,,按热力学系统与外界关系分类,孤立系统：,封闭系统：,开放系统：,系统与外界无质量和能量交换,系统与外界无质量交换但有能量交换,系统与外界既有质量又有能量交换,外界：,热力学系统以外的物体称为外界。,例如：,汽缸内气体为系统，其它为外界,,二．热力学系统状

4、态的描述,为了研究系统的性质和变化，,,首先看看如何描述系统的状态,宏观描述方法,,用一些可以直接测量的量来描述系统的宏观性质。,,如宏观物体的,体积、压强、温度、质量,等,.,,,这些物理量称作,宏观量,,;,,,热力学采取的就是,宏观描述方法,,,,,用,宏观量,描述的热力学系统的状态称为,宏观态,.,,,微观描述方法,,给出系统中每个分子的力学物理量。,,如分子的,质量,m,、,直径,d,、,速度,v,、,,,动量,,p,、,能量,,,,等,,这些物理量称作,微观量,，一般是无法测量的。,统计物理采取的是,微观描述方法,,——用大量分子的,微观量,的集合,,来描述热力学系统的状态,,—

5、—称为,微观态,,微观量与宏观量有一定的内在联系：,,,宏观量是微观量的统计平均值,,例如：,气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果，,,它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。,一般的情况下，由于外界对系统的影响总是存在的，,,系统的状态随时间变化。,,研究一种理想状态——,平衡态,,三．平衡态,在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质,,不随时间改变的状态，称为,平衡态,。,平衡态的定义,说明：,,“,不受外界影响,”,——,,处于平衡态的系统不与外界发生质量和能量交换，,,描述的热力学系统的状态的,宏观量,,不随时间而变化，空间上处处相同,,,平衡态只是一种宏观上的寂静状态，,,在微观上系统

6、并不是静止不变的。,,在平衡态下，组成系统的大量分子还在不停地运动着，,,这些微观运动的效果也随时间不停地急速地变化着，,,只不过大量分子总效果不随时间变化罢了。,,因此从微观统计的角度讲，平衡态应理解为,动态平衡,这里有一充满气体的箱子，箱子假想分成体积,,相同的两部分，考察两部分的,粒子数,——宏观量,如图,,达到平衡时，尽管两侧有粒子穿越虚线，,,但在宏观上可测的时间间隔内，两侧粒子数相同。,事实上不能保证任一时刻两侧粒子穿越虚线的数目,,完全相同，因此两侧粒子数不可能严格相同,，,,把这一现象称作,涨落现象,，,,平衡态时的粒子数只不过是大量分子的时间平均值，,,任一时刻粒子数与平均值

7、的差值称作,涨落,。,动态平衡,,,平衡态是一个理想化模型,,由于实际的热力学系统总要受到外界的影响，,,所以不随时间变化的平衡态是不存在的，,,平衡态是一个理想概念，,,是在一定条件下对实际情况的概括和抽象。,,在许多实际问题中，往往可以把系统的实际状态,,近似地当作平衡态来处理。,,四．状态参量,处于平衡态的系统，系统的宏观性质可以用宏观量来完全描述，,,如,体积、浓度、,,压强 、温度,等。,平衡态时，这些,宏观量,并不是独立的，,,它们之间满足一定的关系，这一关系称作,状态方程,如气体的状态方程,,根据,状态方程,，可以找到,一组独立,的宏观量,,来完全描述系统处在平衡态时的宏观性质,

8、,这样一组相互独立的,宏观量,称为,状态参量,例如,一定质量的化学纯气体处在平衡态时，,,可用气体的,压强 、温度、体积,-中任意两个量,,作为一组独立的状态参量来完全描述气体的性质。,,宏观上，描述热力学系统性质的状态参量有：,温度：,体积：,压强：,浓度：,是系统的热学参量，,T,是系统的力学参量，,P,是系统的几何参量，,V,是系统的化学参量，,n,还有其它的,其中,体积、质量,等----可以累加， 称为,广延量,。,,,压强 、温度,等----不可累加， 称为,强度量,。,,一组确定状态参量值,对应,系统一个确定的平衡态。,当选定一组独立的状态参量后，,,描述系统状态的其它宏观量就可以

9、,,表示为独立状态参量的函数，,,这些函数同系统的状态是一一对应的。,,通常称它们为,态函数,，如气体的,内能,、,熵,等,,A,B,,绝热板,A,B,,导热板,A、B 两体系互不影响,,各自达到平衡态,A、B 两体系的平衡态有联系,,达到共同的热平衡状态（,热平衡,）,A,B,C,绝热板,导热板,实验规律：,如果 A 和 C、B 和 C 分别处于,,热平衡，则 A 和 B 一定热平衡。,__热力学第零定律,A、B 、C三个系统必有共同的宏观性质，,称为系统的,温度,处于热平衡的多个系统具有相同的温度,§1 .2,温度的概念,,温度测量,,A,,B,A 和 B 热平衡，,T,A,=T,B,；,

10、T,B,基本是原来体系 A 的温度,酒精或水银,热力学第零定律：,如果 A 和 C、B 和 C 分别处于热平衡，则 A 和 B 一定热平衡。,,一、,温标：,温度的数值表示法。,二、,常见的温标：,摄氏温标、理想气体温标、热力学温标,三、,理想气体温标,PV=,const.（温度不变），,,理想气体,:,严格遵守玻意耳定律的气体.,理想气体温标:,定义温度值与在该温度下一定质量的,,理想气体的PV成正比，,T,，使即,pV, T,。,玻意耳定律：,一定质量的气体,在一定温度下,其压强和,,体积的乘积是个常量.,§1 .3 理想气体的温标,,T,P,273.16 K,气相,液相,固相,临界点

11、,609Pa,水的三相点温度,：,K：温度的单位_开尔文,1954年国际上规定了标准温度定点,,----,水的三相点,.,,体积保持不变,压强保持不变,适用范围：,理想气体,四、,热力学温标(绝对温标),：,不依赖任何物质的特性,,的温标“T”,单位：开尔文(K),在理想气体温标适用范围内，理想气体温标与热力学温标是完全一致的。,热力学温度,T,与摄氏温度,t,的关系：,五、,热力学第三定律：,热力学零度是不能达到的。,t=T-273.15,实验室获得的最低温度为：2.4x10,-11,K,,一．理想气体,在任何情况下都无条件服从上述三条实验定律的气体,根据上述三条实验定律，可以导出三个状态参

12、量,,P、V、T,之间的关系——,理想气体的状态方程,处于平衡态的化学纯理想气体，,,其宏观性质可以用气体的状态参量,,,P（,压强,）、,V（,体积,）、,T（,温度,）来描述，,§1.4,理想气体状态方程,玻意尔定律（R．Boyle）,盖—吕萨克定律（J．L．Gay—Lussac）,查理定律（J．A．V．Charles）,,二．理想气体状态方程,当质量为 ，摩尔质量为 的理想气体,,处于平衡态时，它的状态方程为,——摩尔气体常数,表示体积 中的分子总数,或,气体分子数密度,玻尔兹曼常数,,应用：,由上式，对于一定质量的气体，,,状态方程的一边为一与

13、状态参量无关的常数，,系统由一平衡态,P,1,、V,1,、T,1,经任意过程,,变化到另一平衡态,P,2,、V,2,、T,2,。,分别有：,,联立两式,此方程给出了，一定质量的气体，,,在任意两个平衡态时状态参量之间的关系.,,根据这一关系可以通过已知平衡态的状态参量,,求未知平衡态的状态参量,,例1,某种柴油机的汽缸容积为,0. 827×10,－3,m,3,设压缩前其中空气的温度是 47℃，,,压强为,8. 5×10,4,p,a,。,当活塞急剧上升时，可把空气压缩到原体积的,,1/17,，使压强增加到,4. 7×10,6,p,a,，,,求此时空气的温度（假设空气可看作理想气体）,解：,空气可

14、视为理想气体，在压缩前的初状态和,,压缩后的末状态均为平衡态，,,则有,,这里,代入上式,此温度大于柴油燃点。,,例2,容器内装有氧气，质量为,0.10,,kg，,,压强为,1. 0×10,5,p,a,，,温度为 47℃。,因为容器漏气，经过若干时间后，,,压强降到原来的,5/8 ，,温度降到 27℃，,解：,氧气视为理想气体，根据理想气体的状态方程,问：容器的容积有多大？漏去了多少氧气？,,剩余氧气的质量：,漏去氧气质量：,,三．理想气体状态曲线,或,理想气体状态方程告诉理想气体处于某一平衡态时,,参量,P,、,V,、,T,之间的关系。,也告诉描述理想气体宏观性质的参量,P,、,V,、,T,

15、,只有两个是独立的,P,、,V,（或,P,、,T,或,V,、,T,,）。,,一组确定的,P,、,V,（或,P,、,T,或,V,、,T,,）数值可以,,完全表示理想气体一确定的宏观状态。,,以参量,V,为横轴，,,以,P,为纵轴，建立坐标系，,在此坐标系上任一点,,对应一组,P 、V,值，,,也对应理想气体一平衡状态。,●,设想理想气体经过一系列平衡态,,由状态,1,变化到状态,2,，,,1,●,,2,●,,由于系统在任一时刻都处于平衡态，在任一时刻系统的状态都对应于图一点; 而且理想气体的状态变化是连续，所以理想气体经过一系列平衡态由状态,1,变化到状态,2,这一过程对应于,,图一条曲线——,状态曲线，也,称作,P —V,图,●,,1,●,,2,●,,常见,状态曲线,等温线,1,3,2,1,→,2,等压线,1,→,3,等容线,2,→,3,,