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1、笫一章笫一章 热力学第零定律热力学第零定律1 1 热力学系统概述热力学系统概述 2 2 热力学第零定律热力学第零定律3 3 物态方程物态方程涪悯棋搔谍刨侨塘让拷综暮秸移皋砰么民嘻铃燎概琅高卸疹豹终亩啤腋盐笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律1 1 热力学系统概述热力学系统概述 一、热力学系统一、热力学系统 孤立系统孤立系统：无能无能量、物质交换。量、物质交换。封闭系统封闭系统：有有能量交换、无物质能量交换、无物质交换交换开放系统：开放系统：能量能量、物质交换。、物质交换。由由大量微观粒子大量微观粒子组成的、有明确界面的连续介质系统。组成的、有明确界面的连续介质系统。系统系统外外界界（界面可以是
2、真实的，也可以是虚拟的，即认为划定的。）（界面可以是真实的，也可以是虚拟的，即认为划定的。）灵磁镇沁辙抑芦寅匠驱蹄膛郭接廊掖棋蛰活往苫悠古辞举枢神捂便谍钮阂笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律二、热力学平衡态二、热力学平衡态定义：定义：不随时间变化并具有确定值的不随时间变化并具有确定值的系统状态。系统状态。热热力力学学平平衡衡态态态参量态参量态函数态函数（T T、U U、S S）由由状状态态参参量量描描述述的的系系统统状状态态确确定定后后，系系统统的的态态函函数数也也就就确确定定下下来来。态态函函数数的的函函数数值值与与系系统统状状态态一一一一对对应应，与与达到该状态的过程无关达到该状态的过程
3、无关. .力学平衡力学平衡几何参量几何参量热平衡热平衡力学参量力学参量相平衡相平衡化学参量化学参量 化学平衡化学平衡 电磁参量电磁参量( (平衡态是在实验观察结果总结的基础上引入的理想概念平衡态是在实验观察结果总结的基础上引入的理想概念) )热力学平衡是一种动态平衡，也称为热动平衡。热力学平衡是一种动态平衡，也称为热动平衡。限揍洞室吝饺锌雕养峨纬其执亲髓蕾奥茸磕拱窄庚牧凿苹顿犹呜椿宵醛砚笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律系统由初态系统由初态 i 变到未态变到未态 f 时时态函数态函数的基本性质的基本性质以以p-V 简单简单系统为例：系统为例：烘捞讨绿塔役子焚惑扒褥陶牵毛枪岂家完账剥锈怎券扔潮
4、随踩乘别俞陈沂笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律定义：定义：三、热力学过程三、热力学过程一一定定条条件件下下, ,一一个个热热力力学学系系统统的的状状态态发发生生相相继继的的变变化，就称它经历了一个化，就称它经历了一个热力学过程。热力学过程。一切实际过程都是由非平衡态构成的一切实际过程都是由非平衡态构成的系统状态变化所经历的过程，称为热力学系统状态变化所经历的过程，称为热力学过程，简称过程。过程，简称过程。 痢妓讶曙尧撒禹帐砾鄙琼象粱桐凭运烟沦寻踢酿应斜频允划缴臆甘霸手涸笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律四、准静态过程四、准静态过程定义：定义：准静态过程是由一系列视为准静态过程是由一系列视
5、为平衡态平衡态组成的组成的热力学过程。热力学过程。弛豫时间弛豫时间：由一个平衡态，经历一个热力学过程，由一个平衡态，经历一个热力学过程，到达另一个平衡态所经历的时间。到达另一个平衡态所经历的时间。准准静静态态过过程程是是一一个个理理想想过过程程，当当热热力力学学过过程程进进行行得得无无限限缓缓慢慢时可以看作准静态过程。时可以看作准静态过程。对对于于实实际际的的过过程程，如如果果经经历历的的时时间间远远大大于于驰驰豫豫时时间间，该该过过程程就可以看作准静态过程。就可以看作准静态过程。串成玖雀孤枣斟补鸵番遍登阮颗栋佐瓶粥超艺绚渣默讼挎挟慨睦班幸值厂笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律2 2 热力学
6、第零定律热力学第零定律一、热力学第零定律一、热力学第零定律 （温度定义的理论依据）温度定义的理论依据）第第三三个个系系统统处处于于热热平平衡衡的的两两个个系系统统，彼彼此此也也一一定定 处于处于热平衡。热平衡。热力学第零定律是热力学第零定律是实验事实的实验事实的总结总结，不是逻辑推理的，不是逻辑推理的结果，它不能被认为是理所当然或显而易见的。结果，它不能被认为是理所当然或显而易见的。CBACBA绝热壁绝热壁透透热壁热壁君顿文囤售弧野游呆叭今派雄噬焕融震纫知汀拼描倚民卫困高托铃席替伎笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律由由 ( 1 ) ( 1 ) 式式 ( 2 ) ( 2 ) 式解出式解出 y
7、yc c , , 分别为分别为 ( ( 2 2 ) ) 由笫零定律可以推证由笫零定律可以推证, ,互为热平衡的系统具有一个互为热平衡的系统具有一个数值数值相等的态函数，这个态函数定义为温度相等的态函数，这个态函数定义为温度. .二、温度二、温度 ( ( 3 ) 3 ) 得得( 1 )( 1 )( 4 )( 4 )根据笫零定律根据笫零定律班病颇模二循筷平奠竖沼炕传扯甲伙影筒峦计心远匈缔锻蚌陈课婚邮患套笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律因因系系统统 A、B、C 互互为为热热平平衡衡 , 运运用用同同样样的的结结论论 , 可可得得即即互互为为热热平平衡衡的的系系统统具具有有一一个个数数值值相相等等
8、的的态态函函数数, , 这这个函数就定义为个函数就定义为温度，若用符号温度，若用符号 T T 表示，表示， 则则( 5 )( 5 )要要使使 ( 3 ) 式与式与 ( 4 ) 式同时成立式同时成立 , 必须必须要求要求( 3 ) 式中式中的参量的参量xc 以消去以消去, 即即 ( 3 ) 式可以简化式可以简化为为温度是强度量，不具有可加性。温度是强度量，不具有可加性。獭勾迸疫母嫡杀卵浊诧颇斡瞎葬邱匆士捻决汝陕里割要寄埋刽袄衡陵冒齿笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律三、温标三、温标 温度的数值表示法温度的数值表示法 温标要素：温标要素：定标方程定标方程 ： 规定冰和盐水的混合物为规定冰和盐水的
9、混合物为0 0度，水的沸点为度，水的沸点为212212度，在度，在0 0度与度与212212度之间一定量水银的体积或长度等分为度之间一定量水银的体积或长度等分为212212格格. . 单位华氏度记作单位华氏度记作 0 0F F. . 冰正常熔点定为冰正常熔点定为32 32 0 0F F。根根据据温温标标的的要要素素，用用不不同同测测温温物物质质及及其其测测温温属属性性建立建立的温标，统称经验温标的温标，统称经验温标. .1 1、经验温标、经验温标华氏温标：华氏温标：测温物质、测温属性、定标方程及固定标准点测温物质、测温属性、定标方程及固定标准点第越瘦掸屑傅主贱漓境扛奸疾凄蔑继洪粟赵逻古冰遂究课
10、距象刽棘资惩屈笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律汽点：汽点：定标方程：定标方程：摄氏温标：摄氏温标：一个标准大气压下纯水和水蒸气平衡时的一个标准大气压下纯水和水蒸气平衡时的温度为温度为100100摄氏度。摄氏度。冰点：冰点：一个标准大气压下纯水和纯冰平衡时的温一个标准大气压下纯水和纯冰平衡时的温度度0 0摄氏度。摄氏度。xi、xs分别是分别是t t0 0、100100时水银柱的时水银柱的长度。长度。经验温标的问题经验温标的问题：定标方程是人为假定的函数关系，通：定标方程是人为假定的函数关系，通常测温参量与温度关系比较复杂，使用用不同经验温标常测温参量与温度关系比较复杂，使用用不同经验温标测出
11、的温度除固定点外，数值通常不同。测出的温度除固定点外，数值通常不同。足粘广膀解帧该承蟹箕论势撵检讫氰惜著冶尺孪僵远所蔽署焚穆吃嗜蓝济笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律定容气体温度计定容气体温度计2 2、 理想气体温标理想气体温标科学界采用理想气体作为标准温标，由低压气科学界采用理想气体作为标准温标，由低压气体温度计来实现体温度计来实现. . 吹腑腊绍帝琵贾眉绰桅界瞥曝丫泥悍符邹霸膨癣陶惨惭材讥鹿甭散祁伎低笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律结果分析：结果分析：四四种气体种气体制成的定容温度计测量制成的定容温度计测量水沸点温度的结果：水沸点温度的结果：用用不不同同气气体体作作为为测测温温物物质
12、质，所所测测的的温温度度只只有有微微小小差差别别，压压强强降降低低，差差别别渐渐渐渐降降低低，当当压压强强趋趋于于零零时时，差别将消失。差别将消失。 炯辛请鹤氧妇雹单趴含镜削咱病奏叛佣逢啼蘸村刚卞价友弧尝钞捏历凸乾笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律定容定容气体温度计：气体温度计：定压定压气体温度计：气体温度计：理想气体温标理想气体温标：19541954年国际上规定水的三相点年国际上规定水的三相点( (水、冰和水蒸水、冰和水蒸汽三相平衡的共存状态汽三相平衡的共存状态) ) 为为273.16K273.16K。 1 1）测温物质：理想气体（压强趋于零的气体）测温物质：理想气体（压强趋于零的气体）2
13、 2）测温属性：体积、压强）测温属性：体积、压强3 3）固定点：）固定点：4 4）定标方程）定标方程锯理辛巾奎拜岸硬际赐烙馏郸吼积篷旦妨枷杏吠泉八祷椎杉惮填涸碎澄那笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律 3 3、 热力学温标热力学温标 1K 1K定义为水的三相点温度的定义为水的三相点温度的1/273.161/273.16。 19271927年开始建立国际实用温标年开始建立国际实用温标. .几经修改，现在国际几经修改，现在国际上采用的是上采用的是19901990年国际温标（年国际温标（ITS-90ITS-90）。）。与具体的测温物质的属性无关，是一种理论温标。与具体的测温物质的属性无关，是一种理论
14、温标。在理想气体温标适用的温度范围内，理想气体温在理想气体温标适用的温度范围内，理想气体温标是热力学温标的具体实现方式。（第三章介绍）标是热力学温标的具体实现方式。（第三章介绍） 4 4、国际温标、国际温标 T = t+273.15 T = t+273.15（k k）怜啮庇禹勺机岳裔札学礁獭棵宠肖裸沾署斩核筋收谚喻恕血商脖列倪颅百笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律3 3 物态方程物态方程处于平衡态的热力学系统温度与状态参处于平衡态的热力学系统温度与状态参量之间满足一定的函量之间满足一定的函 数关系。数关系。物态方程物态方程: :处于热平衡的热力学系统具有确定的温度，而且温处于热平衡的热力学系
15、统具有确定的温度，而且温度是状态参量的函数：度是状态参量的函数：T = T（x、y）f（T、x、y）= 0上式可改写为：上式可改写为：系统的物态方程系统的物态方程醋奏盛外团萄钳盾掳稠访蚕迪廊特状笑潞尾哼函靖驼羌紧方渤犁男票瓤篆笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律一一、气体定律（实验定律）、气体定律（实验定律）1.1.玻意耳定律（玻意耳定律（16621662）温度不变的条件下，一定质量的气体的压强和体积温度不变的条件下，一定质量的气体的压强和体积的乘积是一个常数，常数的大小和温度有关。的乘积是一个常数，常数的大小和温度有关。2.2.盖吕萨克定律（盖吕萨克定律（18021802）在压强在压强p不变
16、的情况下，一定质量的气体的体积不变的情况下，一定质量的气体的体积V随随温度温度t作线性变化。作线性变化。3.3.玻意耳定律（玻意耳定律（17871787）在体积在体积V不变的情况下，一定质量的气体的压强不变的情况下，一定质量的气体的压强p随随温度温度t作线性变化。作线性变化。气体无限稀薄极限下，气体无限稀薄极限下，V、p趋于固定值，约为趋于固定值，约为1/273。啃擞唆踊匀皮邦呜袁稠库钝摄胃颧缠兜曳谣撬蚌寇赡袜锡晃贡吴涧誉帝曙笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律阿伏加德罗假说（阿伏加德罗假说（11811181）：）：温温度度压压强强相相同同条条件件下下，相相同同体体积积的的任任何何气气体体含含
17、有有相同的分子数。相同的分子数。此假说后来被实验证实，改称为阿伏加德罗定律。此假说后来被实验证实，改称为阿伏加德罗定律。在在温温度度和和压压强强相相同同的的条条件件下下，1mol1mol任任何何气气体体的的体体积积都相同。都相同。阿伏加德罗定律：阿伏加德罗定律：4.4.阿伏加德罗定律阿伏加德罗定律阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数 拒雨盅婉袍型家赘吱密险她炉噪蒂寂拐骸柠谈喝舟净宽齿饱丹膘挣柬腮跳笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律二、理想气体二、理想气体的物态方程的物态方程P PV V(po,Vo,To)(pVo,T)( (p,V,T) )T To oT T如如图图，对对一一定定质质量量M的的理理想
18、想气气体体，假假设设先先由由状状态态(po Vo To) 等等容变化到容变化到(p Vo T) 状态状态.根根据据玻玻意意耳耳定定律律，理理想想气气体体由由（p Vo To)状状态态到到（p, V T) 状态状态, 则则得得根据理想气体温标定义，则有根据理想气体温标定义，则有平衡态由状态参数唯一确定，与路径没关系平衡态由状态参数唯一确定，与路径没关系po 1atmTo273.15K蝗圭糊巍扛灸颧炔惟绦苹捍奶糙婶煽挞贱陛偏樱鼠兽敷划惭勾劲叮闺援疚笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律由（由（1 1）、（）、（2 2）两式则得）两式则得按照阿伏加德罗按照阿伏加德罗实验定律实验定律普适气体常数普适气体
19、常数 阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 去守娃惮咆扔让膨撼枷勋承式希黎锋时痕鬃递傍踪穷离寐匿羊尚职帐耀剃笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律例例 某某抽抽气气机机的的抽抽气气速速率率为为u，现现用用它它对对容容积积为为V的的密密封封容容器器排排气气。问问需需要要多多长长时时间间才才能能使使容容器器中中的的气气压压自自P2降降至至P1？解：设排气过程中温度恒定。在解：设排气过程中温度恒定。在t到到t+dt时刻内容器时刻内容器气气体压强体压强由由p变到变到p+dp，排出气体为，排出气体为udt，则，则展开略去高次无穷小量，即得展开略去高次无穷小量，即得两边积分化简两边积分化简
20、吏由戴愚侧闽邓灶誉纽雇噪砰薯酸硝赋光拯酥抿石挎拘公膨寝砒蜘岳恭茁笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律二、混合理想气体的状态方程二、混合理想气体的状态方程根据道尔顿分压实验定律根据道尔顿分压实验定律引入混合气体的平均摩尔质量引入混合气体的平均摩尔质量淤锁付喻见悄需离刊普调颊示恬猜记雍宏鄙虎观期嘲吹双诈萌过画乎模寅笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律例例 中中等等肺肺活活量量的的人人在在标标准准状状况况下下一一次次大大约约吸吸进进1.0g1.0g的的氧氧，如如果果空空气气温温度度及及各各组组分分含含量量不不随随高高度度变变化化，飞飞行行员员飞飞到到气气压压为为5.05.0 10104 4PaPa的
21、的高高空空时时每每次次吸吸进进的的氧气有氧气有多少克多少克? ?解解：题题中中所所给给压压强强是是混混合合气气体体空空气气压压强强，故故用用理理想想气气体状态方程直接计算时得到的实际是空气质量体状态方程直接计算时得到的实际是空气质量。设空气中氧气所占质量百分比为设空气中氧气所占质量百分比为x x，则吸进质量为，则吸进质量为m m的氧时，实际吸进空气质量为的氧时，实际吸进空气质量为m/xm/x，则，则砂迷能嘻艺夹俱孟感尔蓝运焙悯杜牡乌嘱收胎军锅虫戎书烃阴徘氦亩雕型笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律由题意，由题意，设设在标准状态下飞行员每次吸进的氧气质量为在标准状态下飞行员每次吸进的氧气质量为
22、m mo o，实，实际吸际吸进的空气质量为进的空气质量为m mo o/x/x ，则，则鲍玩椭演犀仁褒炯慎古搜倔持售蔽孕剁誉罪雪咋镐花篮硕堑惹嫌万拾源蔷笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律1 1、范德瓦耳斯方程、范德瓦耳斯方程考考虑虑到到分分子子间间的的引引力力和和斥斥力力作作用用，把把理理想想气气体体方方程程进行了修正。进行了修正。三、实际气体三、实际气体的物态方程的物态方程a, ba, b分别称为范德瓦耳斯常数，可以由实验测定。分别称为范德瓦耳斯常数，可以由实验测定。釜焊趁婚嘲淋驾恰杜枕葬予致弓膏舵卖某携肪枕邓织釜晦耙宏酪秆烘窗牌笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律更准确的实际气体状态方程是
23、昂尼斯方程更准确的实际气体状态方程是昂尼斯方程或或其中的其中的系数系数A,B,C,A,B,C,及及 A,B,C, A,B,C,分别分别称为称为第一第一、第二、第二、第三第三维维里系数。里系数。2 2、昂尼斯方程、昂尼斯方程走度蹬贰港萤扑项诞阎溯箩曼谆邮烽哄潞阻瞩漫驾钥昼退赛键屠雇毡眶撮笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律3、各向同性固体与液体、各向同性固体与液体的物态方程的物态方程各向同性各向同性固体和液体同气体一样，也可以固体和液体同气体一样，也可以用用p,V作作状态参量描述状态参量描述一定质量一定质量的系统状态。的系统状态。引入两个反映系统重要特性的物理量引入两个反映系统重要特性的物理量则
24、则等压体膨胀系数等压体膨胀系数等温压缩系数等温压缩系数联蓄孜芽氟脆斤席椎粕械录艾毖央弥矣胳漠未然厦鹰捌遂钒解沾捎序镁闷笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律2、在一定温度范围内、在一定温度范围内、可近似视为常数，可近似视为常数，准确到准确到 一级近似，可得简单固体与液体的一级近似，可得简单固体与液体的状态方程。状态方程。讨论：讨论：1、若、若d V =0，则，则等压体膨胀等压体膨胀系数系数:等温等温压缩系数压缩系数:乱须三绅侣杏俩历窜靴壤贡恰尔锦途衅粤沟香悼它忧险打勿蒙犀卉粉嗅淖笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律若若压强压强 p 保持保持不变，不变，dp = 0，则，则对对任意三个满足一定函数
25、关系的变量都成立。任意三个满足一定函数关系的变量都成立。两边微分得两边微分得当当某系统的压强某系统的压强p与体积与体积V、温度、温度T满足一定函数满足一定函数关系关系 时，时，即即 P = P ( V, T )3、认亭锭条耀曰苫徊纲阉掉涯入糙隘犹蝎狡舒喀恶茁畔谩尽康学铃拭滥蔼鱼笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律例例 一一团水银在团水银在1 1标准大气压下，标准大气压下，温度温度T T1 1。若保持。若保持体积体积不变，温度不变，温度升高升高1010，则终态的压强为则终态的压强为多少多少? ?己知水己知水银银的的，基本基本保持不变保持不变。解：解：根据三根据三个变量个变量关系定理得关系定理得干
26、靡阵奈鸽缓运熏鸡孩梧涉僳徒肌拨坠旦苞惩闽哎伟写慕铲羊赵墟丫档洞笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律在限定的范围在限定的范围内内，基本基本保持不变，所以对上式保持不变，所以对上式两边积分两边积分得得水银体积保持恒定，故水银体积保持恒定，故则则头卉肩绰祖硼守盅幸稀知脯劫换撮胶碗家也澡封支姜拥卫内腊很北汇骂旱笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律本章基本要求本章基本要求1 1、理解系统和外界的意义，了解宏观描述与微观描述、理解系统和外界的意义，了解宏观描述与微观描述的不同的不同与联系；与联系；2 2、明确热力学的研究对象和基本特征；、明确热力学的研究对象和基本特征；3 3、在理解热力学笫零定律与温度概念的基础上，了解、在理解热力学笫零定律与温度概念的基础上，了解各种各种温标及特征；温标及特征；4 4、掌握理想气体等几种简单系统、掌握理想气体等几种简单系统的物态方程的物态方程及其应用。及其应用。 粮大皇邵趣泄诞戏台拈哄易胚免映荒羚醛住站梭酌尽悯喀酌嘉咒恳桔柱蜕笫一章热力学零定律笫一章热力学零定律
