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1、热学（Heat）,大量分子的无规则运动称为热运动。 热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现 热学是研究与热现象有关的规律的科学。,宏观法与微观法相辅相成。,热学的研究方法：,1.宏观法. 最基本的实验规律逻辑推理(运用数学) -称为热力学 优点：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质。,2.微观法. 物质的微观结构 + 统计方法 -称为统计力学 其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论) 优点：揭示了热现象的微观本质。 缺点：可靠性、普遍性差。,大学热学基础,第一章 温度,热力学系统与外界 热力学研究的对象-热力学系统. 研究物理现象时，通常选取一部分物质，并认为这部分物质可以从其周围物质中划
2、分出来作为一个整体来研究。 热力学系统以外的物体称为外界。,1.1 宏观和微观,例：若汽缸内气体为系统，其它为外界,孤立系统-无能量又无质量交换 封闭系统-无质量交换 绝热系统-无热量交换 开放系统-有能量又有质量交换,宏观量与微观量,对热力学系统的两种描述方法：,1. 宏观量 从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量 如 M、V、 P、T 等,平衡态,平衡态是一个理想化模型 我们主要研究平衡态的热学规律。,说明两个概念：,动态平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞， 每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间 改变。这称为动态平衡。,箱子假想分成两相同体积的部分，达到平
3、衡时，两侧粒子有的穿越界线，但 两侧粒子数相同。,粒子数是宏观量,一定质量的气体与外界无能量交换，内部无化学反应、 核反应，仅由于分子 热运动 使气体内各部分达到：,（又称热动平衡态，是一种理想状态）,密度 均匀、,温度 T 均匀、,压强 P 均匀的状态。,涨落 处在平衡态的系统的宏观量，如压强P，不随时 间改变， 但不能保证任何时刻大量分子撞击器 壁的情况完全一样， 这称为涨落现象。 分子数越多，涨落就越小。,上例中两侧粒子数不可能 严格相同，这里的偏差也 就是涨落。,布朗运动是可观测的涨落现象之一。,状态参量平衡态的描述 确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量。 常用的状态参量有四类： 几何
4、参量（如：气体体积） 力学参量（如：气体压强） 化学参量（如：混合气体各化学组 分的质量和摩尔数等） 电磁参量（如：电场和磁场强度， 电极化和磁化强度等）,1.2 温度,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 两体系有共同的宏观性质， 称为系统的温度。,处于热平衡的多个系统具有相同的温度,温度测量,（热力学第0定律） 设 A 和 B、B 和 C 分别热平衡， 则 A 和 C 一定热平衡。,A 和 B 热平衡， TA=TB ；,B A， A 改变很小，TA 基本是原来体系 A 的温度,热胀冷缩特性，标准状态下，冰水混合，B 上留
5、一刻痕， 水沸腾，又一刻痕，之间百等份，就是摄氏温标（Co）。,酒精或水银,温度是状态的函数，在实质上反映了组 成系统大量微观粒子无规则运动的激烈程度。 实验表明，将几个达到热平衡状态的系统分 开之后，并不会改变每个系统的热平衡状态。 这说明，热接触只是为热平衡的建立创造条 件，每个系统热平衡时的温度仅决定于系统 内部大量微观粒子无规运动的状态。,温度是热学中特有的物理量，它决定一 系统是否与其他系统处于热平衡。处于热平 衡的各系统温度相同。,1.3 温标,以第0 定律为实验基础定义的温度是一个宏 观概念，量化之后就成为一个可测量的宏观量。 对温度进行量化，首先必须确定温标。 *温标定义：温度
6、的数值表示法。,经验温标 建立经验温标三要素： 1. 选择物质测温属性X:如保持等容的气体的 压强p; 保持定压的气体的体积V;电阻R等。 2. 规定温度T 与测温属性X 之间的函数关系， 通常假定为线性关系，如：T(x)=a.X 3. 规定一个标准点：1954年起，水的三相点 温度（273.16k) 被取为标准点。三相点指 冰、水、汽共存的状态，这点的温度可由 三相点瓶胆取得。,需要一个作为统 一标准的温标,思考： 各种物质的各种测温属性随温度的变化 不可能都是一致的，如果我们规定某物质的 某种测温属性与温度成线性关系，则其他测 温属性与温度的关系就不可能是线性的。因 此，用不同的测温物质或
7、同一物质的不同性 质建立温标往往不一致。,理想气体温标,以气体为测温性质可制成定容（或定压）气体温度计 测温物质：某种气体 测温属性：气体体积不变时气体的压强P 线性关系：Tv(p)=a . p .（1） （a可根据纯水的三相点的温度来确定） 将测温泡置于纯水三相点瓶胆中，平衡 后测得泡内气体压强为Ptr 此时泡内气体 的温度为273.16k由（1）式 得： a=273.16k/Ptr .（2）,理想气体温标,实验表明 ： 以不同气体为测温物质，Tv(P)存在差异。 但在Ptr降低时，差异逐渐消失，在PtrO的 极限下，亦即测温泡内的气体密度趋于零的 极限下，它们趋于一个共同的极限温标，称 为
8、理想气体温标。,体积保持不变,摄氏温度 t 与理想气体温度 T的关系 t=T-273.15,稀薄的实际气体接近理想气体， 温度很低时气体液化，气体温度 计失效。,热力学温标与任何物质 特性无关，但与理想气 体温标等价,理论温标热力学温标 热力学温标是建立在第二定律基础上，不 依赖于任何物质的特性的温标。 热力学温度国际单位为“开尔文”，简称开记为K 可证明在理想气体温标有效范围内，热力学温标与理想气体温标完全一致。 常用的摄氏温标 t（ C)定义：t = T273.15,理想气体温标利用了气体的性质，因此在 温度低于液化温度时，此温标便失去意义。 能测量的最低温度为0.5 K ( 低压3He气
9、体）。,摄氏温标：,华氏温标：,1.4 理想气体状态方程,一个热力学系统的平衡态可由四种状态参量确定。第0定律表明，平衡态下的热力学系统存在一个状态函数温度。温度与四种状态参量必然存在一定的关系。所谓状态方程就是温度与状态参量之间的函数关系式 此定义适合于任何热力学系统. 状态方程在热力学中是通过大量实践总结来的。然而应用统计物理学， 原则上可根据物质的微观结构推导出来。,一、理想气体,一般气体，在压强不太大（与大气压相比）和温度不太低（与室温相比）的条件下，遵守玻意耳马略特定律、盖吕萨克定律和查理定律。我们把绝对遵守上述三条定律的气体称为理想气体。显然，理想气体是在一定条件下，对大量实际气体
10、的抽象和近似，是一种理想模型。,定义：,一定质量的理想气体，当不必考虑电磁性质 和化学性质时，可看作简单系统。 T、 V、 和P的函数关系即其状态方程。,PV=常数,玻意耳定律：,理想气体状态方程：,二、理想气体状态方程,一定质量的同种理想气体，任一状态下的 PV/T 的值都相等。,用v0，P0，T0 表示该气体在标准状态 下的相应的状态参量值,:,其中 V0= .v0 ( 为气体摩尔数，v0为标准状态下气体的摩尔体积 ),P0 v0 P V = T T0,根据阿佛加德罗定律：在相同的温度和压 强下1mol任何理想气体的体积都相同。,P0v0 = R（普适气体常数） T0,( M气体质量 ， 气体摩尔质量）,则由上式可得理想气体状态方程：,PV = RT,或,M PV= RT ,说明：,1.,2.引入玻尔兹曼常数,*理想气体状态方程的又一表达式,标准状态下：,N0：阿伏伽德罗常数,气体总质量,气体摩尔质量,P = n k T,玻尔兹曼常数,
