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1、 引言引言一、热学研究对象及内容一、热学研究对象及内容 对象对象： 热力学系统热力学系统内容内容： 与热现象有关的性质和规律与热现象有关的性质和规律二、研究方法二、研究方法宏观方法：宏观方法：微观方法：微观方法：气体动理论气体动理论热力学基础热力学基础从物质的微观结构出发，用统计平均方法从物质的微观结构出发，用统计平均方法宏观状态间的变化和过程宏观状态间的变化和过程, ,用实验确定规律用实验确定规律热力学系统的平衡态热力学系统的平衡态三、三、宏观量与微观量宏观量与微观量 宏观量宏观量： 表征系统整体的物理量，可具表征系统整体的物理量，可具 体测量，如质量、体积、压体测量，如质量、体积、压强、温
2、度等强、温度等 微观量微观量：描写单个微观粒子运动状态的物理量，描写单个微观粒子运动状态的物理量， 不能直接测量，如分子的速度，能量等不能直接测量，如分子的速度，能量等 广延量广延量 强度量强度量宏观量是微观量的统计平均值宏观量是微观量的统计平均值 1 .理解理解平衡态平衡态,准静态过程准静态过程等概念等概念. 掌握掌握理想气体状态方程及其应用理想气体状态方程及其应用; 2 .理解理想气体的压强及温度的微观本质理解理想气体的压强及温度的微观本质.本次课的教学主要要求本次课的教学主要要求: : 3. 理解理解能量按自由度均分的原理能量按自由度均分的原理. 掌握和理解掌握和理解内能的概念内能的概念
3、.重点重点重点重点难点难点难点难点理想气体的压强及温度的微观本质理想气体的压强及温度的微观本质, ,内能内能一一 平衡态和准静态过程平衡态和准静态过程热力学系统：热力学系统：孤立系统孤立系统封闭系统封闭系统开放系统开放系统平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态: :热力学系统热力学系统达到的稳定不再有任何宏观性质变化的状态达到的稳定不再有任何宏观性质变化的状态 .-热动平衡热动平衡注意：注意：注意：注意： 平衡态与稳定态、平衡态与稳定态、平衡态与稳定态、平衡态与稳定态、 非平衡态的区别非平衡态的区别非平衡态的区别非平衡态的区别热力学过程：热力学过程：热力学系统热力学系统状态变化状态变化的历程的历程描
4、述：描述：宏观状态参量宏观状态参量气体的状态参量气体的状态参量: 压强压强 p, 体积体积V, 温度温度T.pVO平衡态平衡态用一组用一组 ( p、V、T )表示表示p2211 abc do(l )(atm)V准静态过程准静态过程准静态过程准静态过程: :准静态过程准静态过程可用可用PV图上的一条图上的一条曲线表示，曲线表示，称之为过程曲线。称之为过程曲线。如果在如果在过程过程的任意时刻的任意时刻,系统都无限系统都无限接近于一个平衡态接近于一个平衡态. 它是由一系列它是由一系列依依次接替次接替的平衡态所构成的过程的平衡态所构成的过程.例如：准静态过程例如：准静态过程PV图上图上过程曲线过程曲线
5、例例: 准静态等温膨胀做功过程准静态等温膨胀做功过程的模型的模型 -体积从体积从V1膨胀到膨胀到V2 PePP弛豫时间弛豫时间: 10-3 sPVO准静态传热过程的模型准静态传热过程的模型-温度从温度从T1升高到升高到T2 ：T1 T1 T1+dT T1 +dT T1 +2dT T1 +2dT T2-dT T2 -dT T2 T2 (1) aF=32+1.8bC热力学第热力学第零零定律定律多个热力学系统处于同一多个热力学系统处于同一热热平衡状态平衡状态时所具有的共同时所具有的共同( (冷热度冷热度) )宏观性质宏观性质. .(2)t C =T(K) 273.15 理想气体温标理想气体温标: :
6、 (K)不同单位温标间的换算不同单位温标间的换算:温度定量描述法温度定量描述法: :摄氏温度温标摄氏温度温标: :标准温度定点标准温度定点: :水的三相点温度水的三相点温度273.16(273.16(K K) )t (C)华氏温标华氏温标: (F)与物质无关与物质无关经验温标经验温标与物质有关与物质有关热力学温标热力学温标T (K)与物质无关与物质无关二二 宏观状态参量宏观状态参量- -温度温度一些实际的温度值一些实际的温度值热力学零度热力学零度(绝对零度绝对零度)是不能达到的是不能达到的! 热力学第热力学第三三定律定律三三. .理想气体的状态方程理想气体的状态方程气体的状态参量气体的状态参量
7、: 状态参量状态参量状态参量状态参量 标准单位标准单位 常用单位常用单位 主要换算关系主要换算关系体积体积(代号代号V) 升升( ) 压强压强(代号代号p) Pa atm 1atm=101325Pa 温度温度(代号代号T) K (代号代号 T) C (代号代号t) t =T 273.15一定质量的理想气体一定质量的理想气体宏观状态间的变化和过程宏观状态间的变化和过程*标准状态参数标准状态参数: 1摩尔气体摩尔气体实验规律实验规律普适气体常量普适气体常量玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量理想气体的状态方程理想气体的状态方程理想气体的状态方程理想气体的状态方程另一形式：另一形式：另一形式：另一形式：注意：注
8、意：每个物理量的意义！每个物理量的意义！理想气体的状态方程理想气体的状态方程理想气体的状态方程理想气体的状态方程：理想气体热力学系统典型理想气体热力学系统典型准静态准静态等值等值过程曲线过程曲线OpV V2V1p等体过程等体过程等压过程等压过程等温过程等温过程图示法图示法: V T .abcTVVcVa例例: 某种柴油机汽缸某种柴油机汽缸容量容量为为0.827 10-3m3.设设压缩前其中气体压缩前其中气体( (空气可视为理想气体空气可视为理想气体) )的的温温度度是是47 C,压强压强为为8.5 104Pa,当活塞急剧上当活塞急剧上升时升时. 可把空气可把空气压缩到原体积压缩到原体积的的1/
9、17,压强压强增增加到加到4.2 106Pa. 求此时空气的温度求此时空气的温度? 这时将这时将柴油喷入汽缸将发生怎样的情况柴油喷入汽缸将发生怎样的情况分析分析这一温度超过了柴油的燃点这一温度超过了柴油的燃点, ,所以喷入柴油会立即燃烧所以喷入柴油会立即燃烧. .柴油的燃点柴油的燃点220 220 汽油的燃点汽油的燃点427427解解: :将空气看作将空气看作理想气体理想气体且且质量不变质量不变例例: 一容器内贮有一容器内贮有气体气体,温度是温度是27 C, (1)压强为压强为1.013 105Pa时时,在在1m3中有多少个分子中有多少个分子; (2)在高真空时压强为在高真空时压强为1.33
10、10 5Pa,在在1m3中有多中有多 少个分子少个分子?解解:(1)(2)四四. 理想气体的微观模型理想气体的微观模型对于由大量的分子组成的热力学系统对于由大量的分子组成的热力学系统只在质心参考系中只在质心参考系中, ,用统计方法用统计方法, ,讨论热现象和热学规律讨论热现象和热学规律实际基本特征实际基本特征实际基本特征实际基本特征: : : : 混乱性和无序性混乱性和无序性混乱性和无序性混乱性和无序性* 分子间有空隙。分子间有空隙。* * 分子之间存在相互作用力。分子之间存在相互作用力。* * 分子在分子在频繁的相互碰撞，频繁的相互碰撞，频繁的相互碰撞，频繁的相互碰撞，永不永不停息地作热运动
11、。停息地作热运动。( (1)分子的体积可以忽略分子的体积可以忽略.( (2)分子服从经典运动规律分子服从经典运动规律.( (3)除碰撞瞬间外除碰撞瞬间外, 分子间的分子间的作用力可忽略作用力可忽略.(4 )分子之间分子之间,分子与器壁之间分子与器壁之间的碰撞是的碰撞是完全弹性完全弹性的的.对于理想气体，关于每个分子的力学性质的假设对于理想气体，关于每个分子的力学性质的假设五五 大量分子大量分子统计性假设统计性假设(1)每个分子由于频繁碰撞速度不断在改变每个分子由于频繁碰撞速度不断在改变;(2)平衡态时平衡态时,分子按位置的分布均匀分子按位置的分布均匀;(3)平衡态时平衡态时,分子速度按方向分布
12、均匀分子速度按方向分布均匀,各方向各方向运动机会均等运动机会均等理想气体的热力学平衡状态下理想气体的热力学平衡状态下,分子的分子的平方速率平均值平方速率平均值大量分子大量分子大量分子大量分子统计值统计值统计值统计值! !结论结论: : （1）压强是大量气体分子热运动统计平均压强是大量气体分子热运动统计平均 的结果的结果, , 对个别分子谈压强对个别分子谈压强毫无意义毫无意义! !（2）压强公式是一个）压强公式是一个统计规律统计规律，不是力学规律；，不是力学规律；宏观上都是压强增大，但微观意义不同。宏观上都是压强增大，但微观意义不同。 理想气体压强公式理想气体压强公式六六 压强公式压强公式七七
13、温度的本质和统计意义温度的本质和统计意义根据根据:理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体压强公式理想气体压强公式说明说明:1.温度温度是描写热力学是描写热力学系统平衡态系统平衡态的物理量的物理量.2.温度温度是一个是一个统计概念统计概念.描述大量分子的集体状态描述大量分子的集体状态.4.温度温度与物体的整体运动无关与物体的整体运动无关.3. 温度温度与分子热运动与分子热运动(平均平动能平均平动能,平均平均转动转动,振动振动动能等动能等) 有关有关. 贮有氮气的容器以速度贮有氮气的容器以速度v=100m/s 运动运动,当容器当容器突然停止突然停止,容器中的温度会升高吗容器中的温度会升高吗?思考
14、思考: :根据理想气体的压强公式根据理想气体的压强公式分子的分子的方均根速率方均根速率 vrms 在在0C C时气体的方均根速率时气体的方均根速率气体种类气体种类 方均根速率方均根速率(m.s-1 ) 摩尔质量摩尔质量(10-3kg.mol-1 ) O2 4.61 102 32 .0 N2 4.93 102 28.0 H2 1.84 103 2.02 CO2 3.93 102 44.0 H2 O 6.15 102 18.0八八 气体分子的方均根速率气体分子的方均根速率（记住数量级！）（记住数量级！）例如例如:T:T = 273K= 273K时，时， 九九. 能能 量量 均均 分分 定定 理理
15、自由度自由度i: :确定一物体在空间位置所需之独立坐标数确定一物体在空间位置所需之独立坐标数. .HeO2H2OCO2NH3CH3OHi = 3 5 6 6 6 6 理想刚性分子理想刚性分子自由度数目自由度数目 i 能量均分定理能量均分定理在温度为在温度为T 的平衡态下的平衡态下,气体分子每个自由度的气体分子每个自由度的平均平均 动能动能都相等且等于都相等且等于每个气体分子的每个气体分子的平均总动能平均总动能:( i= 6三个原子以上三个原子以上. ) 单单 原原 子子 分分 子子i= 3刚性双原子分子刚性双原子分子i= 5刚性三个原子分子刚性三个原子分子i= 6内能内能 = 动能动能（平动、
16、转动和振动）（平动、转动和振动）+ 势能势能(分子内及分子间相互作用分子内及分子间相互作用) )理想气体理想气体的的内能内能E=分子的平动动能分子的平动动能+分子的转动动能分子的转动动能理想气体的内能理想气体的内能1 mol: 质量为质量为M:一一个分子：个分子：( 摩尔摩尔数数)理想气体的内能理想气体的内能完全决定于气体的质量完全决定于气体的质量, i 和和T对于一定量的某种理想气体的内能而对于一定量的某种理想气体的内能而言言,其内能只是温度的其内能只是温度的单值函数单值函数 摩尔气体的总动能摩尔气体的总动能(即即:内能内能)指出下列各式所表示的物理意义指出下列各式所表示的物理意义作业作业: : 练习册练习册P174: 1, 2; 12.6;12.9 12.10
