热 学1• 热力学 – 热物理的宏观理论从对热现象的大量观察和实验测量中 总结出规律性的性质 • 统计物理 – 从微观出发,运用统计方法，认为宏观性质是大量微观粒子 热运动的统计平均值决定的 • 热力学和统计物理学，在对热现象的研究中，相辅 相成前者对热现象给出普遍而可靠的结果，可以 用来验证后者的正确性，后者则可深入研究热现象 的本质，使得热力学的理论具有更深刻的意义什么是热学?2• 去粗取精，去伪存真• 抓住主要矛盾—模型• 锁定目标，抓住重点内容3高中物理竞赛内容• 1、分子动理论– 原子和分子的数量级 – 分子的热运动 布朗运动 气体分子速率分布 律 （定性） 温度的微观意义 – 分子力 – 分子的动能和分子间的势能 物体的内能4• 2、气体的性质 – 热力学温标 气体实验定律 – 理想气体状态方程 普适气体恒量 – 理想气体状态方程的微观解释（定性） • 3、热力学第一定律 – 理想气体的内能 – 热力学第一定律在理想气体等容、等压、等温过程 中的应用 定容热容量和定压热容量 等温过程中的功 （不推导） 绝热方程（不推导） – 热机及效率 制冷机和制冷系数5• 4、热力学第二定律– 热力学第二定律的定性表述 可逆过程与不可 逆过程 宏观过程的不可逆性 理想气体的自 由膨胀 热力学第二定律的统计意义 • 5、液体的性质– 液体分子运动的特点 – 表面张力系数 球形液面下的附加压强 – 浸润现象和毛细现象（定性）6• 6、固体的性质– 晶体和非晶体 空间点阵 – 固体分子运动的特点 • 7、物态变化– 熔化和凝固 熔点 熔化热 – 蒸发和凝结 饱和气压 沸腾和沸点 汽化热 临界温 度 – 固体的升华 – 空气的湿度和湿度计 露点7• 8、热传递的方式 – 传导 导热系数 对流 辐射 – 黑体辐射 斯特潘定律 • 9、热膨胀– 热膨胀和膨胀系数8常见热学物理量及单位– 温度T, 单位K – 压强p，Pa或N/m2,其它atm,mmHg – 体积V，m3 – 质量m，kg – 摩尔质量M, – 状态量、过程量9热学中常用的常量• 普适气体常量：• 玻尔兹曼常数：• 阿佛加得罗常数：• 满足：R=NAk1011• 状态方程 重点 • 四个定律 – 第O定律—温度 – 第一定律—能量守恒与转化，重点 – 第二定律—热学过程的方向 – 第三定律—内能 • 分子动理论 • 小知识点：相变、附加压强，等等1213*• 热力学系统或热力学体系. • 热力学系统的分类 • 状态参量 • 特点： –有边界(可以是实的,也可以是虚的)； –大量微观粒子；环境； –系统和环境间有作用 • 能量传递(传热,作功) • 物质交换物质交换能量传递系统一、分子动理论1 热力学系统及分类1314*2.1 热力学第零定律（热平衡定热平衡定 律律) )2.2 温度2.3 温标 2.3.1 经验温标 2.3.2 热力学温标 2.3.3 国际实用温标2 热力学第零定律与温度， 温标143 3 气体平衡态的分子动理论气体平衡态的分子动理论 基本概念基本概念• • 3.1 3.1 布朗运动布朗运动 • • 3.3.2 2 分子间的碰撞分子间的碰撞 – – 平均自由程和碰撞频率平均自由程和碰撞频率 – – 分子碰撞分子碰撞( (散射散射) )截面截面 – – 气体分子按自由程的分布气体分子按自由程的分布 • • 3.3 3.3 分子按速度分布及按速率分布的统计描述分子按速度分布及按速率分布的统计描述 速度空间 速度分布函数 速率分布函数 • • 3.43.4分子间的相互作用力分子间的相互作用力15气体的气体的分子参数分子参数( (标况下）标况下） 1、分子密度（1mol） 2、分子平均距离L 3、估计水分子的大小气体分子模型气体分子模型16温度的微温度的微观观观观解解释释释释理想气体状态方程:理想气体压强公式:分子热运动的平均平动能: 上式表明，温度高低是物体内部大量分子无规则热运动剧烈程度的标志。
1718n 内能=分子动能+相互作用势能+电子能+核能+…n 对气体: 理想气体的内能1819*• 玻意耳—马略特定律 • 盖·吕萨克定律 • 查理定律 • 阿伏伽德罗定律1 理想气体状态方程二、气体的性质1920*20例1• 一容器储有氧气，压强为p=1.0atm,温度 为27摄氏度，求 • 1）单位体积的分子数 • 2）氧气密度 • 3）氧分子质量 • 4）分子间平均距离 • 5）分子平均平动能21例2• 质量为50.0g、温度为18.00C的氦气装在 容积为10.0L的封闭容器内，容器以 v=200m/s的速率做匀速直线运动若容 器突然停止，定向运动的动能全部转化 为分子的热运动的动能，则平衡后氦气 的温度和压强各增大到多少？2223*例3 一球形热气球，总质量(包括隔热很 好的球皮以及吊篮等装置）为３００kg． 经加热后，气球膨胀到最大体积，其直径 为１８m．设球内外气体成分相同，球内气 体压强稍高于大气压，已知大气温度为２ ７摄氏度，压强为１atm，标准状态下空气 的密度为１.３kg/m3试问热气球刚能上升 时，球内空气的温度应为多少？2324*• 道尔顿分压定律 Dalton Law （J. Dalton， 1801 ）： “混合气体的总压强等于各组 分气体的分压强之和”。
• 定义各组分的体积百分比：设想混合气体中 所含的某种组分单独处在与混合气体相同的压 强及温度的状态下，其体积占混合气体体积的 百分比2 混合理想气体状态方程Equation of state for mixed ideal gases24• 例4：空气是由76%的氮气、23%的氧气 、1%的氩气组成（其余气体很少，忽略 不计），求空气的平均相对分子质量及 在标况下的密度微观配容与宏观分布25例5，由摩尔质量为m的气体组成密度均匀 大气层包围半径为r，质量为M的行星 求行星表面上大气温度大气层厚度为h 《 r 例6，在圆筒活塞下盛有20g氦气，将它从 状态1（ ） 缓慢地过渡到状 态2 （ ） 如果压强与体积关系图像 是一条直线，求在这个过 程中达到的最高温度26例7，用不导热材料制成圆筒容器，不导热隔板 将容器分为两部分，其体积为V1和V2第1部 分内有温度T1和压强p1的气体，第2部分内有 同种气体，但温度T2和压强p2如果拿走隔板 ，则在容器内气体达到恒定时的温度为多少？ 例8，在圆筒容器内的活塞下有温度t = 20°C的饱 和水蒸气。
当保持恒温缓慢推进活塞时，容器 里释放热量Q = 84KJ求这时作用在活塞上的 外力做多少功27例9 绝热圆筒容器立在桌上， 借助导热的轻活塞A和不导热 的重活塞B将容器分成长均 为L = 0.4的两室，每室内 有1mol理想的单原子气体 开始系统处于热平衡，缓慢加热气体，使 它吸收热量Q = 200J当活塞A和容器壁 之间的摩擦力为多大时，该活塞将保持 不动？活塞B可以无摩擦地运动28• 例10， 据说在克尼菲勋爵档案 馆里发现一张有关理想气体循环过程图， 由于年代久远，画已褪色且p（压强）和 V（体积）坐标轴消失，仅保留两轴交点 O从对画的说明中可知，在A点气体温 度最高，从V轴正方向看去沿逆时针向p 轴正方向转角最小试作图重建p和V轴 的位置29例11，在轻活塞下的容器内充氦气，活塞 距容器底的高度为H，容器和 活塞绝热，活塞能无摩擦地移 动从活塞上方某一高度无初 速度地释放弹性小球，为了在 系统稳定平衡（球落在活塞上） 时活塞位置不变，这个高度h 是多少？30例12， 面包圈形的容器 里放置两个面积为S的薄 活塞，用劲度系数为k的 轻弹簧连接如图所示.最 初容器内封闭了压强为p0，温度为T的气体，弹 簧不伸长，弹簧部分封闭的体积占全部容器体 积V0的a=1/10。
为了使它的体积扩大为两倍， 应该对有弹簧部分间隔加热到温度为多少？容 器其余部分温度不变，摩擦不计31例13，容器内充满氦和氧的混合气，把混 合气的温度从加热到，这样，有一半氦 原子离开容器而剩余气体压强如前求 此过程混合气体密度变化了多少？氧的 摩尔质量，氦的摩尔质量 3233功，内能，热量 • 功，广义功 • 内能定理 • 热量 • 热力学第一定律• 准静态过程 • 可逆过程 • 体积功的计算符号规则三、热力学第一定律3334热容量与热量的计算 焓Heat Capacity and Enthalpy•等容过程中 热容量与内能的变化 •等压过程中 热容量与内能的变化 •定容热容量与定压热容量之间的关系 •由热容量计算热量，焓 •理想气体等容、等压、等温、绝热过程 •理想气体多方过程pV等容Isometric等温Isothermal绝热adiabatic等压Isobaric03435多方过程500绝热过程40－A等温过程3等压过程20等容过程1比热 C内能 DU热量 Q功 A方程表示热力学 过程3536循环过程 Cycle Process• • 循环过程循环过程 • • 热机循环及其效率热机循环及其效率 – 卡诺热机 – 内燃机循环及其效率 • 定体加热循环（奥托循环） • 定压加热循环（笛塞尔循环） • • 制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数 – 卡诺逆循环制冷 – 斯特令逆循环 • • 焦耳焦耳- --- --汤姆逊效应汤姆逊效应a bcd0pV36例题1• 0.020kg的氦气由170C升为270C。
若在 升温过程中，（1）体积保持不变；（2 ）压强保持不变；（3）不与外界交换热 量；试求气体内能的改变，吸收的热量 ，外界对气体做的功设氦气可以看成 理想气体，且37例2 标况下，0.016kg氧气，经过绝热过程对外做功80J ，求终态的压强、体积和温度 已知例3 标况下，1mol的单原子理想气体先经过绝热过程， 再经过等温过程，最后压强和体积均为原来的2 倍，求整个过程中系统吸收的热量若先经过等 温过程，再经过绝热过程，达到同样的状态，则 结果是否相同？38例4• 某一特定条件下，水蒸气的焓是 2545kJ/kg，水的焓是100.59kJ/kg求 此条件下的水蒸气的凝结热例5 汽化潜热：P一定，同温度时，由液→汽 ，会吸热1.01×105 Pa,100℃时，水与气 的焓为 419.06, 2767.3 KJ/Kg，求吸热多 少？39例6• 一个除底部为绝热的气筒，被一位置固 定的导热板隔成相等的两部分A和B，其 中各盛有1mol理想气体氮今将80.0cal 的热量缓缓地由底部供给气体，设活塞 上的压强始终保持在1.0atm，求A和B部 温度的改变以及各吸收的热量（导热板 的热容可以忽略） 若将位置固定的导热隔板换成可以自由滑 动的绝热隔板，重复上述讨论40例7如图，摩尔单原子理想气体 按p-V图中的图线发生循环过 程，循环由竖直（1-2）和水 平（3-4）部分以及“阶梯” （2-3）组成，n个台阶中的每一个气体的 压强与体积变化相同且均变化一次。
压 强的最大值和最小值的倍率为k，体积的 最大值与最小值的倍率也为k求按此循 环工作的热机的效率 41例8图示为圆柱形气缸，汽缸壁绝热，气缸的右端有 一小孔和大气相通，大气的压强为p0用一热 容量可忽略的导热板N和一绝热活塞M将气缸 分为A,B,C三室，隔板与气缸固连，活塞相对 气缸可以无摩擦地移动但不漏气气缸的左端 A室中有一电加热器已知在A,B室中均盛有1 摩尔同种理想气体，电加热器加热前，系统处 于平衡状态，A,B两室中气体的温度均为T0， A,B,C三室的体积均为V0现通过电加热器对A 室中气体缓慢加热，若提供的总热量为Q0，试 求B室中气体末态体积和A室中气体的末态温度 设A,B两室中1摩尔的内能为2.5RT，式中R 为普适气体常量，T为绝对温度 42例9热机和热泵利用物质热力学循环实。