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1、 0 1热学的研究对象 任务 应用 热学的任务 研究物质的热运动以及热运动与其它运动形式之间相互转化所遵循的规律 这种随物质冷暖变化而引起物质的物理性质发生变化的现象 热现象 或者讲 研究有关物质的热运动以及与热联系的各种规律 热学引言 1 研究的对象 大量微观粒子所组成的宏观客体 热力学系统 应用 测温 热工学和低温技术 化学 化工 冶金工业 在现代科学技术中 2 0 2热力学系统的宏观描述和微观描述 研究方法 宏观理论 热力学 微观理论 统计物理学 在大量实验的基础上总结出热力学基本定律 从气体的微观结构出发 应用力学规律借助统计的方法研究热力学规律 优点 简便 可靠 普适缺点 不能解释热
2、现象的本质 优点 能解释热现象的本质缺点 数学上的困难 3 0 3热学发展简史 第一时期 热学的早期史 开始于17世纪末 直到19世纪中叶 这时期 积累了大量的实验和观察的事实 关于热的本性展开了研究和讨论 为热力学理论的建立作了准备 第二时期 19世纪中叶到19世纪70年代末 热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础 和卡诺理论结合导致了热力学第二定律的形成 与微粒说结合导致了分子运动论的建立 但热力学与分子运动论的发展彼此隔绝的 第三时期 19世纪70年代末到20世纪初 热力学与分子运动论的结合导致了统计物理学的产生 第四时期 起于20世纪30年代 出现了量子统计物理学和非平衡态理论 形成了
3、现代理论物理学最重要的一个部门 4 内容安排 1热力学基础 2统计物理学初步知识 3物性学方面的知识 热力学平衡态温度第一章5学时 热力学第一定律第二章6学时 热力学第二定律第三章5学时 气体动理论第四章8学时 非平衡过程第五章4学时 非理想气体固体和液体第六章7学时 相变第七章6学时 5 第一章热力学平衡态温度 1 1热力学平衡态状态参量 一热力学系统的平衡态 热力学系统 孤立系统 封闭系统 开放系统 孤立系统各部分宏观性质不随时间变化的状态 平衡态 否则为非平衡态 无能量 无物质交换 有能量 无物质交换 有能量 有物质交换 例 6 系统呈现平衡态的条件 一 满足热平衡条件系统内部处处温度相
4、等 二 满足力学平衡条件 系统内部各部分 系统与外界之间达到力学平衡 无外场时 压强处处相同 三 满足化学平衡条件 无外场时 系统各部分化学组成处处相同 1条件 孤立系统 2热动平衡 3理想状态 例 7 二状态参量 物态参量 对一定质量 一定种类的化学纯的气体系统 需两个参量描述 1体积V 从几何角度来描述的 2压强p 从力学的角度来描述的 3温度T 从热学的角度来描述的 对混合气体 化学参量 摩尔数 质量M 若系统在外场中 电磁参量 8 1 2温度和温度计 一热力学第零定律 1 热平衡 不动 绝热壁 导热壁 两个系统处于热平衡 动 9 2 热力学第零定律 绝热壁 导热壁 A B C达到热平衡
5、 A B的状态不变 10 在不受外界影响下 只要A和B同时与C处于热平衡 即使A和B没有热接触 它们仍处于热平衡 热平衡定律 Fowler于1939年提出的 称为热力学第零定律 3 温度的概念 一切互为热平衡的系统都具有相同的温度 11 温度数值表示法 温标 1 经验温标EmpiricalTemperatureScale 利用某一测温物质的某一测温属性建立的温标 例 p C 气体或液体的体积随T V V C 气体或液体的压强随T p 金属丝的电阻随T R 光强的亮度随温度T 亮度 经验温标 二温度计和温标 12 建立一种经验温标要包含三个要素 1 选择某种测温物质 确定它的测温属性 2 对测温
6、属性随温度的变化关系作出规定 3 选定标准温度点并规定其数值 设 测温参量 被测系统与温度计 测温质 热平衡时的温度值 令 可得 待定常数 13 常用的几种 1选定水的冰点和沸点为标准点 规定1atm下0 和100 2选定水的冰点和沸点为标准点 规定1atm下32 和212 3选定水的三相点为标准点 温度值选为273 16K 摄氏温标Celsiusscale 华氏温标Fahrenheitscale 开尔文温标 热力学温标 热力学温标 14 2 理想气体温标 1 气体温度计GasThermometer 一定质量的气体 p不变 定压气体温度计 V不变 定体气体温度计 2 理想气体温标Perfect
7、GasTemperatureScale 规定 标准的温度点选用水的三相点 温度值273 16K 对定体气体温度计 该气体在水的三相点时的压强值 15 实验 实验结果说明 1实际气体不是理想的 3若用定压气体温度计 可得 2随减小 测得的差别也愈来愈小 不同气体都有同样结果 用定体气体温度计测量水的汽点 沸点 的温度 16 结论 体积V不变 压强p不变 无论何种气体 无论是定体还是定压所建立的温标 在气体压强趋于零时 都趋于一共同的极限值 这个极限值的温标为理想气体温标 气体的液化点以下和高温1000 以上不适用 最低温度为1K 用氦为测温质 17 3热力学温标ThermodynamicScal
8、eofTemperature 不依赖测温物质和测温属性的温标 热力学温标 可用理想气体温标在一定范围内实现热力学温标 开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温标也是理论温标 18 要点 1规定热力学温标为基本温标 单位 开尔文符号 K 2规定水的三相点的热力学温度为273 16K 3摄氏温标由热力学温标导出 t T 273 15 4 国际温标InternationalTemperatureScale 国际间协议性温标 ITS 90温度范围从0 65K 2357 77K 19 三温度的范围 20 四温度测量的方法 一 膨胀测温法 玻璃液体温度计 双金属温度计 30 600 80 600 二 压
9、力测温法 定体气体温度计 压力表式温度计 4K 550 精度高 蒸气压式温度计 三 电磁学测温法 电阻温度计 温差热电偶温度计 灵敏度高 半导体热敏电阻温度计 四 辐射测温法 频率温度计 光学温度计 准确度最高 可数字化 辐射高温度计 五 声学测温法 比色高温度计 声学温度计 噪声温度计 灵敏度高 21 1 4理想气体状态方程 一热力学系统的状态方程 若对于一个一定质量的各向同性的热力学系统 在无外场作用下 可用V p T三个参量来描述 实验表明这三者不是独立的 或 二理想气体及其状态方程 由实验找出理想气体状态方程 结论 R 普适气体常量universalgasconstant 摩尔气体常量
10、 严格遵从的气体 理想气体 Equationofstateofperfectgas 22 1mol理想气体状态方程 对M质量的理想气体 设摩尔质量 则有摩尔气体 M质量的理想气体状态方程 1理想气体不存在 2常温常压下实际气体近似为理想气体 在标准状态下 1mol理想气体 23 常数 玻意耳 马略特定律 常数 盖吕萨克定律 称为气体的体膨胀系数 常数 查理定律 压强 温度 系数 4阿伏伽德罗定律 在相同T和p 1mol任何气体的V相等 24 三混合理想气体状态方程 道尔顿分压定律 Daltonlawofpartialpressure 混合气体压强等于各组分的分压强之和 各组分单独存在时与混合气
11、体同温同体积时的压强 令为混合气体的摩尔数 混合理想气体物态方程 平均摩尔质量 25 四理想气体的p V T图 1V不变时 投影在p T图上为等体线是一直线 2T不变时 投影在p V图上为等温线是一双曲线 3p不变时 投影在V T图上为等压线是一直线 等温线越靠近原点 26 理想气体状态方程的应用 要求 2确定合适的研究对象 认真分析状态及过程特征 例1 1氧气瓶体积V 30L 充满氧气后压强为p1 130atm 按理当压强下降到p2 10atm时要重新充气 现在每天用v 40L p3 1atm的氧气 问一瓶氧气用多少天 27 例2 一水银气压计管 水银面到管顶的距离为lmm 在标准大气压相当
12、于HmmHg高和温度t1 下 有一个空气泡进入管中 因此管内水银柱长度减为h1mm 试求修正量 P的表达式 引入这个修正量将可以在任何温度t 管内水银柱的任何高度hmm时利用气压计准确测量气压 例3 一只气球 在标准状态下可带179N的总负载 当上升到气压为0 66atm 温度为 10 的高度时 气球所带的总负载是多少 气球体积不变 28 29 测温泡 待测液体 毛细管 保持在同一水平 目的使测温泡中气体的体积不变 定体气体温度计示意图 水银气压计 30 玻璃液体温度计示意图 31 两种线膨胀系数不同的金属组合在一起 一端固定 当温度变化时 两金属热膨胀不同 带动指针偏转指示温度 双金属温度计
13、示意图 或可用于温度自动控制 当温度升高时 金属片弯曲与导线相连 实现自动控制 如 冰箱中的温度控制器 32 压缩流体充入弹簧管 使弹簧管的曲率变化 通过杠杆 齿轮等带动指针 测温泡 毛细管 压力表 未测温时 温度计温度为室温T 压强为p 弹簧管压力表示意图 33 A B两种不同的金属丝 C1 C2同种铜丝 电位差计 冰水混合物 或液氮 的杜瓦瓶 A和B构成的测量结L置于被测温区 34 调节电阻R改变灯丝亮度 当它与待测光源像亮度相等时 灯丝的像消失 读出物体亮度温度 35 36 37 抽掉 过程中P T相等 扩散 38 测温质 39 取1mol的CO2气体 在同一温度下 测量不同的p下的V 换一温度 重复实验 换不同的气体 重复实验 40
