《引言及第一章温度》PPT课件.ppt

1,0-1热学的研究对象、任务、应用,热学的任务：,研究物质的热运动以及热运动与其它运动形式之间相 互转化所遵循的规律,这种随物质冷暖变化而引起物质的物理性质发生变化的现象热现象,或者讲，研究有关物质的热运动以及与热联系的各种规律,热学引言,2,研究的对象：,大量微观粒子所组成的宏观客体热力学系统,应用：,测温,热工学和低温技术,化学、化工,冶金工业,在现代科学技术中,3,0-2热力学系统的宏观描述和微观描述,研究方法,宏观理论（热力学）,微观理论（统计物理学）,在大量实验的基础上总结出热力学基本定律,从气体的微观结构出发，应用力学规律借助统计的方法研究热力学规律,优点：简便、可靠、普适 缺点：不能解释热现象的本质,优点：能解释热现象的本质 缺点：数学上的困难,4,0-3热学发展简史,第一时期热学的早期史，开始于17世纪末，直到19世纪中叶， 这时期，积累了大量的实验和观察的事实，关于热的本性展开了研究和讨论，为热力学理论的建立作了准备。,第二时期19世纪中叶到19世纪70年代末，热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础，和卡诺理论结合导致了热力学第二定律的 形成，与微粒说结合导致了分子运动论的建立。但热力学与分子运动论的发展彼此隔绝的。,第三时期19世纪70年代末到20世纪初，热力学与分子运动论的结合导致了统计物理学的产生。,第四时期起于20世纪30年代，出现了量子统计物理学和非平衡态理论。形成了现代理论物理学最重要的一个部门。,5,内容安排,1 热力学基础,2 统计物理学初步知识,3 物性学方面的知识,热力学平衡态 温度 第一章 5学时,热力学第一定律 第二章 6学时,热力学第二定律 第三章 5学时,气体动理论 第四章 8学时,非平衡过程 第五章 4学时,非理想气体 固体和液体 第六章 7学时,相变 第七章 6学时,6,第一章 热力学平衡态 温度,1-1热力学平衡态 状态参量,一 热力学系统的平衡态,热力学系统,孤立系统,封闭系统,开放系统,孤立系统各部分宏观性质不随时间变化的状态 -平衡态，否则为非平衡态,（无能量、无物质交换）,（有能量、无物质交换）,（有能量、有物质交换）,例,7,系统呈现平衡态的条件：,（一）满足热平衡条件 系统内部处处温度相等,（二）满足力学平衡条件,系统内部各部分，系统与外界之间达到力学平衡,无外场时，压强处处相同,（三）满足化学平衡条件,无外场时，系统各部分化学组成处处相同,1 条件：孤立系统,2 热动平衡,3 理想状态,例,8,二 状态参量 （物态参量）,对一定质量，一定种类的化学纯的气体系统，需两个参量描述,1 体积 V 从几何角度来描述的,2 压强 p 从力学的角度来描述的,3 温度 T 从热学的角度来描述的,对混合气体：,化学参量,摩尔数,质量 M,若系统在外场中，电磁参量,9,1-2 温度和温度计,一 热力学第零定律,1.热平衡,不动,绝热壁,导热壁,两个系统处于热平衡,动,10,2.热力学第零定律,绝热壁,导热壁,A、B、C达到热平衡,A、B的状态不变,11,在不受外界影响下，只要A和B同时与C处于热平衡，即使A和B没有热接触，它们仍处于热平衡热平衡定律,Fowler于1939年提出的，称为热力学第零定律,3. 温度的概念,一切互为热平衡的系统都具有相同的温度,12,温度数值表示法温标,1. 经验温标 Empirical Temperature Scale,利用某一测温物质的某一测温属性建立的温标,例,p=C，气体或液体的体积随T V ,V=C，气体或液体的压强随T p ,金属丝的电阻随T R,光强的亮度随温度T亮度,经验温标,二 温度计和温标,13,建立一种经验温标要包含三个要素：,（1 ）选择某种测温物质，确定它的测温属性,（2）对测温属性随温度的变化关系作出规定,（3）选定标准温度点并规定其数值,设：,测温参量,被测系统与温度计（测温质）热平衡时的温度值,令：,可得：,待定常数,14,常用的几种：,1 选定水的冰点和沸点为标准点，规定1atm下0和100,2 选定水的冰点和沸点为标准点，规定1atm下32和212,3 选定水的三相点为标准点， 温度值选为273.16K,摄氏温标 Celsius scale,华氏温标 Fahrenheit scale,开尔文温标（热力学温标）,热力学温标：,15,2. 理想气体温标,(1).气体温度计 Gas Thermometer,一定质量的气体，p不变，,定压气体温度计,V不变，,定体气体温度计,(2).理想气体温标 Perfect Gas Temperature Scale,规定：标准的温度点选用水的三相点，温度值273.16K,对定体气体温度计:,该气体在水的三相点时的压强值,16,实验:,实验结果说明:,1 实际气体不是理想的,3 若用定压气体温度计.可得,2 随 减小,测得的 差别也愈来愈小,不同气体都有同样结果,用定体气体温度计测量水的汽点(沸点)的温度,17,结论:,(体积V不变),(压强p不变),无论何种气体，无论是定体还是定压所建立的温标，在气体压强趋于零时,都趋于一共同的极限值,这个极限值的温标为理想气体温标:,气体的液化点以下和高温1000 以上不适用,最低温度为1K,用氦为测温质,18,3热力学温标 Thermodynamic Scale of Temperature,不依赖测温物质和测温属性的温标 -热力学温标,可用理想气体温标在一定范围内实现热力学温标,开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温标也是理论温标.,19,要点:,1 规定热力学温标为基本温标,单位:开尔文 符号:K,2 规定水的三相点的热力学温度为273.16K,3 摄氏温标由热力学温标导出: t=T-273.15,4.国际温标 International Temperature Scale,国际间协议性温标,ITS90 温度范围从0.65K-2357.77K,20,三 温度的范围,21,四 温度测量的方法,（一）膨胀测温法,玻璃液体温度计,双金属温度计,-30600,-80600,（二）压力测温法,定体气体温度计,压力表式温度计,4K550,精度高,蒸气压式温度计,（三）电磁学测温法,电阻温度计,温差热电偶温度计,灵敏度高,半导体热敏电阻温度计,（四）辐射测温法,频率温度计,光学温度计,准确度最高，可数字 化,辐射高温度计,（五）声学测温法,比色高温度计,声学温度计,噪声温度计,灵敏度高,22,1-4理想气体状态方程,一 热力学系统的状态方程,若对于一个一定质量的各向同性的热力学系统，在无外场作用下，可用V、p、T 三个参量来描述，实验表明这三者不是独立的。,或,二 理想气体及其状态方程,由实验找出理想气体状态方程,结论:,R普适气体常量 universal gas constant（ 摩尔气体常量）,严格遵从 的气体理想气体,Equation of state of perfect gas,23,1mol 理想气体状态方程,对M质量的理想气体，设摩尔质量,则有 摩尔气体,M 质量的理想气体状态方程,1 理想气体不存在,2 常温常压下实际气体近似为理想气体,在标准状态下，,1mol理想气体,24,常数,玻意耳马略特定律,常数,盖吕萨克定律,称为气体的体膨胀系数,常数,查理定律,压强（温度）系数,4 阿伏伽德罗定律,在相同 T 和 p，1mol任何气体的V 相等,25,三 混合理想气体状态方程,道尔顿分压定律：Dalton law of partial pressure,混合气体压强等于各组分的分压强之和,各组分单独存在时与混合气体同温同体积时的压强,令 为混合气体的摩尔数,混合理想气体物态方程,平均摩尔质量,26,四 理想气体的p V T 图,1 V不变时，投影在pT图上为等体线是一直线。,2 T不变时，投影在pV图上为等温线是一双曲线。,3 p不变时，投影在VT图上为等压线是一直线。,等温线越靠近原点,27,理想气体状态方程的应用,要求:,2 确定合适的研究对象，认真分析状态及过程特征,例1,1氧气瓶体积V=30L，充满氧气后压强为p1=130atm,按理当压强下降到p2=10atm时要重新充气，现在每天用v=40L， p3=1atm的氧气，问一瓶氧气用多少天？,28,例2,一水银气压计管.水银面到管顶的距离为lmm,在标准大气压相当于HmmHg高和温度t1下，有一个空气泡进入管中，因此管内水银柱长度减为h1mm,试求修正量P的表达式，引入这个修正量将可以在任何温度t管内水银柱的任何高度hmm时利用气压计准确测量气压。,例3,一只气球,在标准状态下可带179N的总负载,当上升到气压为0.66atm,温度为-10 的高度时,气球所带的总负载是多少?(气球体积不变),29,30,测温泡,待测液体,毛细管,保持在同一水平，目的使测温泡中气体的体积不变,定体气体温度计示意图,水银气压计,31,玻璃液体温度计示意图,32,两种线膨胀系数不同的金属组合在一起，一端固定，当温度变化时，两金属热膨胀不同，带动指针偏转指示温度。,双金属温度计示意图,或可用于温度自动控制。当温度升高时，金属片弯曲与导线相连，实现自动控制。如：冰箱中的温度控制器,33,压缩流体充入弹簧管，使弹簧管的曲率变化，通过杠杆、齿轮等带动指针。,测温泡,毛细管,压力表,未测温时，温度计温度为室温T。，压强为p。,