大物热力学和气体

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1、物理学第五版第十三章 热力学基础第二篇 热学Thermodynamics1物理学第五版第十三章 热力学基础热学绪论 一.热学研究对象研究热现象和热运动的规律及应用的学科 热现象：与温度有关的物理性质的变化,是物体中大量分子热运动的集 体表现.大量微观粒子无规律运动 热运动：2物理学第五版第十三章 热力学基础从系统的微观结构入手，利用统计、平均等方法来研究. 二. 分类 分子物理学:研究对象相同,方法不同,相辅相成从宏观入手，以实验为基础，利用能量转换和守恒关系等来研究 热力学: 两者关系:3物理学第五版第十三章 热力学基础宏观量是微观量的统计平均值三. 宏观量和微观量的关系宏观量:微观量:两者

2、关系:实验上可测量，为大量分子的集体表现 (如P,V,T等)实验上不可测量，为表征个别分子的物理量(如v, 等)4物理学第五版第十三章 热力学基础GASE KINETICS5物理学第五版第十三章 热力学基础 6-1 状态 过程 理想气体一. 系统状态的定量描述状态参量氧 O2 32g/mol 水 H2O 18 g/mol摩尔质量 Mmol = N0 m阿伏加德罗数 N0=6.02*1023 / mol1. 质量 M,m (kg) 摩尔质量 Mmol ( g/mol ) 或 m: 1分子质量6物理学第五版第十三章 热力学基础1升 =1dm3=10-3 m32. 体积 V (m3) Volume

3、几何参量分子所能达到的空间力学参量容器器壁单位面积上所受压力3. 压强 P ( Pa ) Pressure7物理学第五版第十三章 热力学基础热力学参量- 宏观:冷热程度的标志 微观:大量分子(原子)无规则运动剧烈程度的量度.4. 温度 T (K) Temperature8物理学第五版第十三章 热力学基础1.平衡态 equilibrium state 二. 几个概念2.准静态过程 从一平衡态过渡到另一平衡态，中间经过的都是平衡态的过程.在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间而变化的状态.系统的(P,V,T)唯一确定9物理学第五版第十三章 热力学基础由一系列理想的平衡状态组成的极限过程PV

4、(P1,V1)P1V1P2(P2,V2)V210物理学第五版第十三章 热力学基础设有 M kg 气体，摩尔质量为Mmol 3 . 理想气体状态方程 Equation of State of Ideal Gas普适气体常数 R=8.31 J/mol.k气态方程1三 .理想气体的状态方程11物理学第五版第十三章 热力学基础设一个分子质量为m, N为总分子数,则单位体积分子数为n=N/V , 气态方程的另一种表示阿伏加德罗数 N0=6.02*1023 / molP = nkT气态方程212物理学第五版第十三章 热力学基础P = nkT气态方程2为玻尔兹曼常数式中 为单位体积内的分子数(分子数密度)1

5、3物理学第五版第十三章 热力学基础例题：一容器内储有某种气体，若已知气体 的压强为 ，温度为27 C0 ，密度为 则该气体为何种气体？解：气态方程314物理学第五版第十三章 热力学基础6-3 温度的微观解释一. 分子平均平动动能与温度的关系宏观量微观量15物理学第五版第十三章 热力学基础二. 温度的统计意义(微观解释)温度是气体分子平均平动动能的量度(标志)温度升高,气体热运动加剧.16物理学第五版第十三章 热力学基础一. 自由度（drgree of freedom）对质点: 一维 x 平动自由度 t=1 二维 x,y t=2三维 x,y,z t=36-4 能量均分定理 理想气体内能确定一个物

6、体的空间位置所需要的独立坐标数1.自由度17物理学第五版第十三章 热力学基础共6个对刚体: 平动自由度 t=3 (质心)转动自由度 r=3XYZ直线: 平动自由度 t=3 (质心)转动自由度 r=2共5个18物理学第五版第十三章 热力学基础对气体：气体分子的结构和运动1). 结构：单原子分子（He，Ne等）双原子分子（O2，H2等）多原子分子（H2O，NH3等）2). 运动情况：平动，转动，振动3). 运动能：平动动能，转动动能，振动动能2.气体分子的自由度19物理学第五版第十三章 热力学基础4). 理想气体分子的自由度 (刚性) 双原子分子 i=5 （平动3，转动2）双原子H HO(刚性)

7、多原子分子 i=6 （平动3，转动3）多原子单原子单原子分子 i=3 （质点，平动）20物理学第五版第十三章 热力学基础理想气体分子的自由度表气体种类 平动 转动 总自由度 自由度 t 自由度 r i = t+r单原子 3 0 3双原子(刚性) 3 2 5 多原子(刚性) 3 3 6 特例: 如CO2 三原子排成一直线, i=521物理学第五版第十三章 热力学基础二. 能均分定理(equipartition theorem of energy) 1. 分子平动动能按自由度均分平动自由度为 3每个自由度具有平均能量为22物理学第五版第十三章 热力学基础2. 推广: 相应于每个转动自由度的平均能量

8、为3. 能均分定理: 分子能量按自由度均分,相应于每个自由度的平均能量为 （平衡态时）23物理学第五版第十三章 热力学基础4. 自由度为 i的一个理想气体分子的平均能量为例如: He O224物理学第五版第十三章 热力学基础1. 内能 三.理想气体内能不计分子间的相互作用，故理想气体内能即为分子各种运动能量的总和(统计平均)气体分子的各种运动动能(平动+转动+振动)和分子间相互作用势能的总和。2. 理想气体的内能25物理学第五版第十三章 热力学基础理想气体内能为温度的单值函数 M kg(或 mol)理想气体的内能 1mol理想气体的内能26物理学第五版第十三章 热力学基础THERMODYNAM

9、ICSTHERMODYNAMICS27物理学第五版第十三章 热力学基础7-1 7-1 功功 热热 内能内能1. 热力学系统 (系统，工作物质)一.系统和外界2. 外界(环境，周围) 热力学中所研究的宏观对象 (气体、液体、固体等）与热力学系统相互作用的环境28物理学第五版第十三章 热力学基础3. 热力学系统的分类和外界无相互作用的系统和外界仅有能量交换，无质量交换的系统和外界既有能量交换又有质量交换的系统 封闭系统 开放系统 孤立系统29物理学第五版第十三章 热力学基础准静态过程的描述砂堆气体活塞将砂粒一颗颗地缓慢 拿走，气体状态随之 缓慢变化，每一时刻 均为平衡态,有确定 的（Pi Vi T

10、i）二. 状态和过程30物理学第五版第十三章 热力学基础三. 功(work)1. 气体作功公式S F如图所示汽缸中气体膨胀作功元功功 dx-系统和外界的第一类相互作用31物理学第五版第十三章 热力学基础2. 功的特性a)作功的正负 dV0 气体膨胀, dW0 对外作正功dV0PV1 V2 VPV1 V2 V34物理学第五版第十三章 热力学基础c)功是过程量，和过程有关。PV1 V2 VAB起点终点相同，如过程不同，则作功不同。35物理学第五版第十三章 热力学基础例题：如图所示，由A到B的过程系统对外作了多少功？211 2 3P( 105Pa)V(10-3 m3)解: W=S=(BC+AD)*C

11、D/2=150JBACDS36物理学第五版第十三章 热力学基础例题：一系统经历如图状态变化过程(循环)，求WAB、 WBC、WCD、WDA及WABCDA211 2 P(Pa)V(m3)BACD解:WBC =WDA =0WABCDA=2-1=1J=SABCDAWAB=2JWCD=-1J37物理学第五版第十三章 热力学基础四. 热量(heat)系统和外界之间由于存在温度差而以非功的形式传递的能量。-系统和外界第二类相互作用1. 定义例如：热传递T高T低TT38物理学第五版第十三章 热力学基础人体向环境排热的方式与比例排热方式 辐射/对流/传导 蒸发 呼吸排热比例 70% 18% 12%数据来源：红

12、外线技术在国民经济中的应用列维金著， 上海科技文献出版社39物理学第五版第十三章 热力学基础人体活动状态与排热量表数据来源：红外线技术在国民经济中的应用列维金著， 上海科技文献出版社活动状态 排热量(J/S=瓦) 排热量(千卡/小时) 静 坐 82105 7090静 立 105130 90110快步行走 230465 200400 重体力劳动 525815 45070040物理学第五版第十三章 热力学基础几种常见运动的热量消耗(千卡/半小时)运动类型 游泳 篮球 自行车 慢跑热量消耗 175 250 330 300运动类型 散步 跳绳 网球 乒乓球热量消耗 75 400 220 180 人体每

13、减掉1kg脂肪,需消耗7700卡热量数据来源:扬子晚报2001-8-1541物理学第五版第十三章 热力学基础2. 特性a)正负号的规定：系统吸热为正，放热为负。b)热量也是过程量。3. 热功当量与功热当量1J=0.24Cal, 1Cal=4.2J42物理学第五版第十三章 热力学基础五. 内能(internal energy)理想气体的内能是状态（温度）的单值函数. 始末两状态确定，则无论过程如何，内能的改变量确定。-态函数43物理学第五版第十三章 热力学基础(first law of thermodynamics)已知A状态内能为E1，B状态内能为E2，系统从状态A变化到B的过程中，从外界吸热Q，对外作功W，则1. 数学表述Q =（ E2 - E1）+W7-2 7-2 热力学第一定律热力学第一定律PVAB系统QWE1E244物理学第五版第十三章 热力学基础dQ=dE + dW= dE + Pdv或Q = E + W2. 文字表述系统从外界吸收的热量,一部分用来使系统内能增加,另一部分用于系统对外作功。对于微观过程系统QW E系统dQdWdE45物理学第五版第十三章 热力学基础3. 物理意义第一类永动机无法实现 (造不成)。4. 热力学第一定律的另一种表述不消耗任何能量，却能不断对外做功的机器.Q = E + W系统QW E热力学范围内的能