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1、大学物理学电子教案,热力学第一定律,61 气体物态参量 平衡态 理想气体物态方程 62 准静态过程 功 热量 63 内能 热力学第一定律 64 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容,第二部分 热学,1什么是热学,宏观物体是由大量的微观粒子分子、原子等组成的 微观粒子的无规则的运动，称为热运动 热学是研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响，以及与其他运动形态之间的转化的物理学分支,2热学的分类,按照研究方法的不同，热学分为 热力学 宏观理论 统计物理学微观理论,第六章,气体动理论,热力学是研究热现象的宏观理论根据实验总结出来的热力学定律，用严密的逻辑推理的方法，研究宏观物体的热力学性质。 热
2、力学不涉及物质的微观结构，它的主要理论基础是热力学的三条定律。 本章的内容是热力学第一定律和热力学第二定律。,61 气体物态参量 平衡态 理想气体物态方程,一、气体物态参量,1、系统与外界,热力学系统（简称系统） 在热力学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的物体或物体系称为热力学系统。 系统的外界（简称外界） 能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体，称为外界。,2、气体的物态参量,把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量。,气体的宏观状态可以用V、P、T 描述 体积V 几何参量 压强p力学参量 温度T热力学参量,3、说明,(1)气体的p、V、T 是描述大量分子热运动集体特征的
3、物理量，是宏观量，而气体分子的质量、速度等是描述个别分子运动的物理量，是微观量。 (2) 根据系统的性质，可能还需要引入化学参量、电磁参量等。,二、p 、V、T 的单位,1、气体的体积V 气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。对于密闭容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。 单位：m3,2、压强p 压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。 p=F/S 单位： 1Pa=1N.m-2 标准大气压 1atm=76cm.Hg=1.013105Pa,3、温度T 温度的高低反映分子热运动激烈程度。 (1)热力学温标T，单位：K (2)摄氏温标t ，单位：
4、0C 00C水的三相点温度 1000C水的沸腾点温度,(3)华氏温标F， 单位0F 320F 水的三相点温度 2120F水的沸腾点温度 关系： T=273.15+t F=9t/5+32,三、平衡态,一个系统与外界之间没有能量和物质的传递，系统的能量也没有转化为其它形式的能量，系统的组成及其质量均不随时间而变化，这样的状态叫做热力学平衡态。,1、定义,2、说明,（1）平衡态是一个理想状态； （2）平衡态是一种动态平衡； （3）对于平衡态，可以用pV 图上的一个点来表示。,如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。,3、热力学第零定律或热平衡定律,热力学
5、第零定律表明，处在同一平衡态的所有热力学系统都有一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡的宏观性质的物理量可以定义为温度。,四、理想气体的物态方程,1、物态方程,在p、V、T 三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一个状态参量是其它两个状态参量的函数，如 T=T(P,V) 一定量气体处于平衡态时的物态方程,2、理想气体的定义,在温度不太低(与室温相比)和压强不太大(与大气压相比)时，有三条实验定律 Boyle-Mariotte定律 等温过程中 pV=const Gay-Lussac定律 等体过程中 p/T=const Charles定律 等压过程中 V/T=const Avogadro定律：在
6、同样的温度和压强下，相同体积的气体含有相同数量的分子。在标准状态下，1摩尔任何气体所占有的体积为22.4升。 理想气体的定义：在任何情况下都遵守上述三个实验定律和Avogadro定律的气体称为理想气体。,3、理想气体的物态方程,形式1,m气体质量 M 气体摩尔质量 R=8.31Jmol-1K-1摩尔气体常量,形式2,气体动理论的基本观点 分子的观点：宏观物体是由大量微粒分子（或原子）组成的。 分子运动的观点：物体中的分子处于永不停息的无规则运动中，其激烈程度与温度有关。 分子力的观点：分子之间存在着相互作用力。,从上述气体动理论的基本观点出发，研究和说明宏观物体的各种现象和本质是统计物理学的任
7、务。,62 物质的微观模型 统计规律,一、分子的数密度和线度,实验表明：任何物质1摩尔所含有的微观粒子分子或原子的数目均相等，为阿伏加德罗常数，用NA表示 NA=6.022 136 7(36)1023mol-1 计算中，一般取NA=6.021023mol-1 分子数密度n： 单位体积内的分子数：n=N/V 分子的线度： 每个分子所占有的体积越为分子本身的体积的1000倍。 因而气体分子可看成是大小可以忽略不计的质点。,二、分子热运动的无序性及统计规律性,单个分子的运动具有无序性 大量分子的运动具有规律性,所谓统计规律，是指大量偶然事件整体所遵循的规律。 方法求统计平均值,布朗运动,掷骰子,伽尔
8、登板,统计规律有以下几个特点: （1）只对大量偶然的事件才有意义 （2）它是不同于个体规律的整体规律 （3）总是伴随着涨落,三、分子力,分子力是指分子之间存在的吸引或排斥的相互作用力。它们是造成固体、液体、和封闭气体等许多物理性质的原因。,吸引力固体、液体聚集在一起； 排斥力固体、液体较难压缩。 分子力 f 与分子之间的距离r有关。 存在一个r0平衡位置 r= r0时，分子力为零 r r0分子力表现在吸引力 r 10 r0分子力可以忽略不计,例：有10个粒子，其速率分别是1，3，5，7， 8，9，10，11，13，15ms-1，计算它们的平均速率和方均根速率。,解：平均速率：,方均根速率：,一
9、、理想气体的微观模型,6-3 理想气体的压强公式,对单个分子的力学性质的假设 分子可看作是质点 分子作匀速直线运动 碰撞是完全弹性碰撞,对分子集体的统计假设 分子数密度处处相等； 分子沿各个方向运动的几率均等。,二、理想气体压强公式,1、压强的产生,单个分子碰撞器壁的作用力是不连续的、偶然的、不均匀的。从总的效果上来看，一个持续的平均作用力。,单个分子,多个分子,平均效果,密集雨点对雨伞的冲击力,大量气体分子对器壁持续不断的碰撞产生压力,2、理想气体压强公式的简单推导,单个分子对器壁的作用力,边长为x,y,z的长方形容器，其中含有N个同类气体分子，每个分子质量均为m。,单个分子的运动遵循牛顿力
10、学的运动定律，考虑第i 个分子，速度,它与器壁碰撞时受到器壁的作用力。在此力的作用下，i 分子在x 轴上的动量由mvix变为-mvix，x轴上的动量的增量为：,所需的时间为2x/vix，在单位时间内，i分子作用在A1面的总冲量为,由牛顿第二定律知道 i 分子对容器壁的作用力为,大量分子对器壁的作用力,压强,利用统计平均的概念,平均值的定义,等概率原理：分子沿各个方向运动的机会均相等,因为,所以,理想气体的压强正比于气体分子的数密度和分子的平均平动动能； 理想气体的压强公式揭示了宏观量与微观量统计平均值之间的关系； 理想气体的压强公式是力学原理与统计方法相结合得出的统计规律。,分子平均动能,描述
11、系统整体特征和属性的物理量 。,例如：气体质量、体积、压强、温度等。,气体平衡态可用压强 P 、体积 V、温度 T 描述， P、V、T 称为气体的状态参量 。,微观量：,描述单个微观粒子运动状态的物理量。,例如：分子质量、位置、速度、动量、能量等。,宏观量：,附、宏观量与微观量,设一个分子的质量为m，质量为m的理想气体的分子数为N，1摩尔气体的质量为M，则m=Nm, M=NAm。代入理想气体的物态方程,三、理想气体的温度公式,1、理想气体状态方程的分子形式,分子数 密度,k=R/NA=1.3810-23JK-1 称为玻耳斯曼常量,2、理想气体分子的平均平动动能与温度的关系,温度公式,温度的微观
12、本质：理想气体的温度是分子平均平动动能的量度, 温度是大量分子无规则运动的集体表现 ，单个分子的温度无意义。,2. 温度的实质：分子热运动剧烈程度的宏观表现。,3. 温度平衡过程就是能量平衡过程。,4. 方均根速率,3、温度的统计解释,4、关于温度的几点说明,在相同温度下，由两种不同分子组成的混合气体，它们的方均根速率与其质量的平方根成正比,当温度T=0时，气体的平均平动动能为零，这时气体分子的热运动将停止。然而事实上是绝对零度是不可到达的(热力学第三定律)，因而分子的运动是用不停息的。,例1、一容器内贮有氧气，压强为P=1.013105Pa，温度t=27，求（1）单位体积内的分子数；（2）氧分子的质量；（3）分子的平均平动动能。,解： （1）有P=nkT,（2）,（3）,例2、利用理想气体的温度公式说明Dalton 分压定律。,解：容器内不同气体的温度相同，分子的平均平动动能也相同，即,而分子数密度满足,故压强为,即容器中混合气体的压强等于在同样温度、体积条件下组成混合气体的各成分单独存在时的分压强之和。这就是Dalton 分压定律。,小 结,气体动理论的基本观点 理想气体的微观模型 理想气体压强公式,理想气体的温度,
