文科物理课件----物体的冷热现象

第二章第二章 永恒的经典永恒的经典 第三节第三节 物体的冷热现象物体的冷热现象 1 一 一 热学基本概念热学基本概念 1 热的本质热的本质 热功当量热功当量 n热质说热质说 认为热是由一种无色无味 无重量认为热是由一种无色无味 无重量 的微粒构成的的微粒构成的 神秘流体神秘流体 它可从热的物 它可从热的物 体转移到冷的物体 且热质微粒之间具有排体转移到冷的物体 且热质微粒之间具有排 斥作用 从而使物体具有膨胀的性质 斥作用 从而使物体具有膨胀的性质 n热动说 认为热动说 认为物质由大量微观粒子构成 热物质由大量微观粒子构成 热 是这些粒子运动的表现 它可通过物体的机是这些粒子运动的表现 它可通过物体的机 械运动转化而来 械运动转化而来 2 伦福德 v 伦福德伦福德 1753 1814 伯爵 伯爵 原名本杰明原名本杰明 汤普森 物理学家 汤普森 物理学家 出生于美国 出生于美国 1775年美国独立年美国独立 战争期间逃到英国战争期间逃到英国 被英王乔治被英王乔治 三世封为爵士 后来加入英国三世封为爵士 后来加入英国 国籍 国籍 v 1798年向英国皇家学会提年向英国皇家学会提 出了一个报告 说他在慕尼黑出了一个报告 说他在慕尼黑 监督炮筒钻孔工作时 注意到监督炮筒钻孔工作时 注意到 炮筒温度升高 钻削下的金属炮筒温度升高 钻削下的金属 屑温度更高的现象 屑温度更高的现象 曾在巴伐利亚王国曾在巴伐利亚王国 今属德国 供职 今属德国 供职 被王室封为伯爵 被王室封为伯爵 3 v 他提出了大量的热是从哪里来的这个问题 他提出了大量的热是从哪里来的这个问题 他在尽量做到绝热的条件下进行了一系列钻孔实他在尽量做到绝热的条件下进行了一系列钻孔实 验 比较了钻孔前后金属和碎屑的比热 发现钻验 比较了钻孔前后金属和碎屑的比热 发现钻 磨不会改变金属的比热 他还用很钝的钻头钻炮磨不会改变金属的比热 他还用很钝的钻头钻炮 筒 半小时后炮筒从筒 半小时后炮筒从60 升温到升温到130 金属碎 金属碎 屑只有五十多克 相当于炮筒质量的九百四十八屑只有五十多克 相当于炮筒质量的九百四十八 分之一 这一小部分碎屑能够放出这么大的分之一 这一小部分碎屑能够放出这么大的 潜潜 热热 吗 吗 v 他在笔记中写道 他在笔记中写道 看来在这些实验中 由看来在这些实验中 由 摩擦产生热的源泉是不可穷尽的 不用说 任何摩擦产生热的源泉是不可穷尽的 不用说 任何 与外界隔绝的物体或物体系 能够无限制地提供与外界隔绝的物体或物体系 能够无限制地提供 出来的东西 决不可能是具体的物质实体 在我出来的东西 决不可能是具体的物质实体 在我 看来 在这些实验中被激发出来的热 除了把它看来 在这些实验中被激发出来的热 除了把它 看作是看作是 运动运动 以外 似乎很难把它看作为其他以外 似乎很难把它看作为其他 任何东西 任何东西 4 英国化学家英国化学家戴维戴维 1778 1829 1799年 年 使两块使两块 冰在真空中相互摩擦 熔化 断言冰在真空中相互摩擦 熔化 断言 热质是不存热质是不存 在的在的 分析当时热质说占优势的主要原因是分析当时热质说占优势的主要原因是 当时人当时人 们把热现象和其他现象割裂开来研究 还未注意们把热现象和其他现象割裂开来研究 还未注意 到它们之间的相互关系和转化 热质说比热的运到它们之间的相互关系和转化 热质说比热的运 动说更为简明 用热质说能很好地解释当时已发动说更为简明 用热质说能很好地解释当时已发 现的热现象 因此易于被人们接受 热质说更能现的热现象 因此易于被人们接受 热质说更能 迎合迎合18世纪在物理学和化学研究中占统治地位的世纪在物理学和化学研究中占统治地位的 形式主义倾向 形式主义倾向 另外牛顿另外牛顿 不臆造假说不臆造假说 的思想还很有影响 的思想还很有影响 大多数物理学家不愿接受当时还看不见摸不着的大多数物理学家不愿接受当时还看不见摸不着的 比较复杂的分子运动假说 比较复杂的分子运动假说 5 1 热的本质热的本质 热功当量热功当量 作机械功改变系统作机械功改变系统 状态的焦耳实验状态的焦耳实验 作电功改变系统作电功改变系统 状态的实验状态的实验 A V 6 1 热的本质热的本质 热功当量热功当量 n热功当量热功当量 从从1843年开始不断改进实验 到年开始不断改进实验 到1878年最后一次年最后一次 发表实验结果 焦耳发表实验结果 焦耳测定测定热功当量热功当量的的实验实验持续了持续了30多多 年 采用不同原理和方法先后进行了年 采用不同原理和方法先后进行了400多次的实验 多次的实验 测得测得热功当量的值为热功当量的值为4 152 焦耳焦耳 卡卡 现代公认的标准值为现代公认的标准值为 1卡卡 4 186焦耳焦耳 热功当量的精确测定为热的运动学说提供了可靠的热功当量的精确测定为热的运动学说提供了可靠的 实验依据 实验依据 7 2 温度温度 温度计温度计 温标温标 n温度 温度 物体的冷热程度物体的冷热程度 n温度计 温度计 某种某种物物质质某一物理性质随温度有单调 某一物理性质随温度有单调 显著显著的的变化 变化 就就选择选择它作为温度计的测温物质 它作为温度计的测温物质 n温标 温标 标记温度数值的方法 标记温度数值的方法 n建立一种温标的三要素 建立一种温标的三要素 测测温物质 测温属性温物质 测温属性 和固定标准点和固定标准点 8 人类在很早就有懂得了用感觉来比较冷热 人类在很早就有懂得了用感觉来比较冷热 比如在中国古代冶铁中要掌握比如在中国古代冶铁中要掌握 火候火候 即温度 即温度 的高低 直到今天用感觉判断温度的方法还用的高低 直到今天用感觉判断温度的方法还用 在手工业铸造中 随着科学技术的发展 人们的在手工业铸造中 随着科学技术的发展 人们的 生活领域不断扩大 需要对冷热程度给出精确的生活领域不断扩大 需要对冷热程度给出精确的 定量描述 于是刺激了计温学的发展 即温度计定量描述 于是刺激了计温学的发展 即温度计 的制作 的制作 1 1 测温物质 测温物质 如水银 酒精 气体 如水银 酒精 气体 2 2 测温属性 测温属性 物质热物质热胀胀冷缩的规律 冷缩的规律 3 3 固定标准点 固定标准点 如规定标准大气压下冰水如规定标准大气压下冰水 混合物温度为混合物温度为0 0 沸腾的水的为 沸腾的水的为100100 温度的测定温度的测定 9 16531653年意大利的一位公爵年意大利的一位公爵费迪费迪 南二世南二世制造了一个所谓的温度计 制造了一个所谓的温度计 在玻璃管中装入酒精 管壁刻上度在玻璃管中装入酒精 管壁刻上度 数 上端封口 数 上端封口 16591659年法国的天文学家年法国的天文学家伊斯伊斯 梅尔梅尔 博里奥博里奥制造了第一个用水银制造了第一个用水银 做测温物质的温度计 还做了气温做测温物质的温度计 还做了气温 记录 记录 早在早在15931593年年伽利略伽利略利用热利用热 胀的性质制成了世界上第一个胀的性质制成了世界上第一个 显示冷热变化的仪器显示冷热变化的仪器 示温仪 示温仪 伽利略的测温仪伽利略的测温仪 10 德国格里凯格里凯最早提出在温度计的刻度上标出定 点的人之一 他以马德堡市初冬和盛夏为定点温度 1688 1688年年道伦斯道伦斯提出以冰的温度和黄油溶解时提出以冰的温度和黄油溶解时 的温度为固定点 的温度为固定点 1694 1694年年惠更斯惠更斯提出以水结冰和沸腾时的温度提出以水结冰和沸腾时的温度 为固定点等 为固定点等 法国物理学家法国物理学家阿蒙顿阿蒙顿 1663 17051663 1705 改进了伽 改进了伽 利略的温度计 建立了气压的改变正比于温度差利略的温度计 建立了气压的改变正比于温度差 的定律 的定律 11 22 1 1 pt pt 11 1709 1709年荷兰的玻璃工人年荷兰的玻璃工人华伦海特华伦海特 1688 17361688 1736 制造出世界上第一个温度计 他选水 冰 食盐 制造出世界上第一个温度计 他选水 冰 食盐 氨水混合平衡时的温度为零度 水的冰点为氨水混合平衡时的温度为零度 水的冰点为3232度 度 水在常压下沸点为水在常压下沸点为212212度 又在冰点与沸点之间分度 又在冰点与沸点之间分 为为180180等份 一等份为等份 一等份为1 1度 这就是世界上第一个度 这就是世界上第一个 温标温标 华氏温标 其单位用华氏温标 其单位用 表示 表示 这是热学这是热学 发展的一个重要标志 发展的一个重要标志 正是阿蒙顿的研究为后来的物理学家 化学家正是阿蒙顿的研究为后来的物理学家 化学家 盖盖 吕萨克吕萨克和和道耳顿道耳顿对气体性质的研究做出了先例 对气体性质的研究做出了先例 波意耳波意耳和牛顿也曾研制过温度计 和牛顿也曾研制过温度计 波意耳波意耳在在 16651665年发表的年发表的 热的力学原理热的力学原理 的论文中 已经确的论文中 已经确 信一切物体的熔点都是常数 信一切物体的熔点都是常数 12 在华氏温度计出现的同时 法国人列缪尔在华氏温度计出现的同时 法国人列缪尔 1683 1757 也设计制造了一种温度计 他认为水也设计制造了一种温度计 他认为水 银的膨胀系数太小 不宜做测温物质 他专心研银的膨胀系数太小 不宜做测温物质 他专心研 究用酒精作为测温物质的优点 他反复实践发现 究用酒精作为测温物质的优点 他反复实践发现 含有含有1 5水的酒精 在水的结冰温度和沸腾温度之水的酒精 在水的结冰温度和沸腾温度之 间 其体积的膨胀是从间 其体积的膨胀是从1000个体积单位增大到个体积单位增大到 1080个体积单位 因此他把水的冰点和沸点之间个体积单位 因此他把水的冰点和沸点之间 分成分成80份 规定水的冰点为份 规定水的冰点为0度 水的沸点为度 水的沸点为80 度 这就是列氏温度计 其单位为度 这就是列氏温度计 其单位为 R 13 华氏温度计制成后又经过华氏温度计制成后又经过30多年 瑞典人摄尔修多年 瑞典人摄尔修 斯于斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度 他把年改进了华伦海特温度计的刻度 他把 水的沸点定为水的沸点定为0度 把水的冰点定为度 把水的冰点定为100度 后来度 后来 他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来 他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来 就成了现在的百分温度 即摄氏温度 用就成了现在的百分温度 即摄氏温度 用 表示 表示 剧统计 到剧统计 到1779年约有年约有19种温标 现在常用的只种温标 现在常用的只 有有3种 即华氏 摄氏 列氏 英 美用华氏最种 即华氏 摄氏 列氏 英 美用华氏最 多 列氏在德国用的最多 法国摄氏占优势 而多 列氏在德国用的最多 法国摄氏占优势 而 科学界普遍采用摄氏 科学界普遍采用摄氏 14 现在国际单位制中规定的温标是热力学温标 现在国际单位制中规定的温标是热力学温标 它规定纯水 纯冰和纯水蒸气平衡共存的温度它规定纯水 纯冰和纯水蒸气平衡共存的温度 为为273 16K n热力学温度热力学温度 与摄氏温度与摄氏温度 之间的换算关系之间的换算关系 n华氏温度华氏温度 与摄氏温度与摄氏温度 的换算关系的换算关系 Tt K73 15C2KTt ft 5 32 F C F 9 tf 用热力学温度表述理想气体物态方程 则形式用热力学温度表述理想气体物态方程 则形式 很简洁 很简洁 pVRT 15 温度概念的基础温度概念的基础 彼此处于热平衡状态的系统存在一彼此处于热平衡状态的系统存在一 个相同的状态参量 这个状态参量个相同的状态参量 这个状态参量 就是温度 就是温度 希腊数学家喀喇氏 喀喇赛奥多瑞 希腊数学家喀喇氏 喀喇赛奥多瑞 发现 这一结论的理论基础是一条发现 这一结论的理论基础是一条 叫做叫做热力学第零定律热力学第零定律的规律 如果的规律 如果 热力学系统热力学系统A和和B都恰好与热力学系都恰好与热力学系 统统C处于热平衡 那么处于热平衡 那么A和和B也恰好也恰好 处于热平衡 处于热平衡 16 以焦耳测定的热功当量为基础 以焦耳测定的热功当量为基础 实验证实验证 明 使系统从平衡态明 使系统从平衡态A 出发变化到平衡态出发变化到平衡态B 可以采用做功和传热的方法 不管经过什么样可以采用做功和传热的方法 不管经过什么样 过程 只要始 末状态确定 外界对系统所做过程 只要始 末状态确定 外界对系统所做 的功的功W 和所传递的热量和所传递的热量Q之和是保持不变的 之和是保持不变的 1 内能内能 状态量 状态量 二二 热力学第一定律热力学第一定律 17 2 A B 1 p V o 0 2121 ABAABA QW BABABABA QWQW 2211 2 A B 1 p V o 18 定义系统内能定义系统内能 的增量等于外界对系统的增量等于外界对系统 作的功作的功 与系统从外界吸收的热量与系统从外界吸收的热量 的的 总和 总和 2 A B 1 p V o BA EEWQ E W Q 内能是系统的状态参内能是系统的状态参 量 两个状态的内能量 两个状态的内能 之差与从一个状态到之差与从一个状态到 另一个状态经历的过另一个状态经历的过 程无关 程无关 19 2 热力学第一定律热力学第一定律 1 2 p V o 1 V 2 V 根据根据 得得 21 EEWQ 21 QEE W 在准静态过程中 系统对外界做的功在准静态过程中 系统对外界做的功 与外与外 界对系统作的功界对系统作的功 绝对值相等而符号相反 绝对值相等而符号相反 即即 W W W W W W 20 WEEQ 12 它表明 系统从外界吸收它表明 系统从外界吸收 的热量 一部分使系统的的热量 一部分使系统的 内能增加 另一部分使系内能增加 另一部分使系 统对外界做功统对外界做功 1 2 p V o 1 V 2 V WEWEEQ 12 所以所以 这就是热力学第一定律这就是热力学第一定律 21 WEEQ 12 如果系统经历一个循环 那么如果系统经历一个循环 那么E2 E1 0 于是 于是 Q W 它表明每经历一次循环 系统对外界 它表明每经历一次循环 系统对外界 所做的功等于系统从外界吸收的热量 所做的功等于系统从外界吸收的热量 过去人们企图制造这样一种机器 它循环动过去人们企图制造这样一种机器 它循环动 作 对外做功 但是不需从外界吸热 作 对外做功 但是不需从外界吸热 这种这种 机器叫做永动机机器叫做永动机 热力学第一定律告诉人们 永动机是不可能热力学第一定律告诉人们 永动机是不可能 实现的 实现的 22 后来人们又企图制造这样一种机器 它循环后来人们又企图制造这样一种机器 它循环 动作 从单一热源吸热 对外做功 而不需动作 从单一热源吸热 对外做功 而不需 要向低温热源放热 根据热力学第一定律 要向低温热源放热 根据热力学第一定律 这种机器能够把从外界吸收的热量全部用来这种机器能够把从外界吸收的热量全部用来 对外界做功 这种机器叫做对外界做功 这种机器叫做第二类永动机第二类永动机 1851年 英国物理学家开尔文做出明确的表年 英国物理学家开尔文做出明确的表 述 这种机器也是不可能实现的 述 这种机器也是不可能实现的 3 热力学第二定律热力学第二定律 23 3 热力学第二定律热力学第二定律 热力学第二定律的开尔文说法热力学第二定律的开尔文说法 不可能制造出这样一种循环工作的热机 不可能制造出这样一种循环工作的热机 它只从单一热源吸热来做功 而不放出热它只从单一热源吸热来做功 而不放出热 量给其它物体 或者说不使外界发生任何量给其它物体 或者说不使外界发生任何 变化变化 24 3 热力学第二定律热力学第二定律 热力学第二定律的克劳修斯说法热力学第二定律的克劳修斯说法 热量不可能从低温物体热量不可能从低温物体自动自动传到高温物体传到高温物体 而而不不引起外界的变化引起外界的变化 比开尔文早一年 比开尔文早一年 1850年 德国物理学家年 德国物理学家 克劳修斯发表了热力学第二定律的另一种克劳修斯发表了热力学第二定律的另一种 表述 表述 25 注注 意意 1 热力学第二定律是大量实验和经验热力学第二定律是大量实验和经验 的总结的总结 3 热力学第二定律可有多种说法 每热力学第二定律可有多种说法 每 种说法都反映了自然界过程进行的方向性种说法都反映了自然界过程进行的方向性 2 热力学第二定律开尔文说法与克劳热力学第二定律开尔