热学弟1章导论～2.ppt

1 4温度与温度计 第一章导论 1 热交换 传热但不交换粒子 一 热力学第零定律 2 热平衡 两个系统在热交换的条件下会达到一个共同的平衡态 称为热平衡 温度是表示物体冷热程度的物理量 热物理学中最核心的概念是温度和热量 3 热力学第零定律 实验表明 则A与B热平衡 分别与第三个热力学系统处于同一热平衡态的两个系统必然也处于热平衡 热力学第零定律 热平衡定律 物理意义 1 温度的定义 处于同一热平衡的热力学系统具有共同的宏观性质 表征这一性质的物理量称为温度 2 为温度的的测量提供了依据 一切处于同一热平衡态的系统有相同的温度 温度的概念 宏观 热平衡系统所具有的共同宏观性质热平衡 温度相同微观 温度是分子热运动剧烈程度的量度 温度计 作为标准的合适的热平衡系统 二 温标 temperaturescale 温度的数值表示方法 1 经验温标 经验温标的三要素 测温物质和测温属性 固定标准点 进行分度 即规定测温参量随温度的变化关系 温标的建立 以液体 摄氏温标为例 1 水银 测温物质 体积随温度变化 测温属性 2 1atm水冰点 0摄氏度 水沸点 100摄氏度 3 确定测温属性随温度的变化关系 对固定的温度间隔做出标度 经验温标的缺陷 测温依赖于测温物质和测温属性 2 理想气体温标 以气体为测温物质 利用理想气体状态方程中体积 或压强 不变时压强 或体积 与温度成正比关系所确定的温标称为理想气体温标 气体温度计分为定容及定压气体温度计 图1 2定体气体温度计 定体气体温度计 由理想气体定律知T p pV0 R ap 1 1 标准温度固定点 1954年国际规定 水的三相点 水 冰和水蒸汽共存时的平衡态温度 Ttr 273 16K 分度 Ptr为该气体温度计在水的三相点时的压强 理想气体温标分度公式 实验表明 时 四条线会聚于一点 对应相同的数值373 15k 优点 测温不依赖于测温物质与测温属性的个性 缺点 有一定的适用范围 3 摄氏温标 华氏温标与兰氏温标 4 热力学温标 是一种完全不依赖于测温物质和测温属性的温标 5 国际实用温标 实用温度计简介 膨胀测温法 玻璃液体温度计 双金属温度计 压力测温法 压力表式温度计 蒸汽压温度计 电磁学测温法 电阻温度计 温差热电偶温度计 半导体温度计 频率温度计 辐射测温法 光学高温计 比色高温计 辐射高温计 声学测温法 声学温度计 噪声温度计 开尔文 可以证明 在理想气体温标有效范围内 两种温标一致 是建立在热力学第二定律基础上的理想温标 M m 例1 图示为在低温测量中常用的压力表式气体温度计 A是测温泡 B是压力计 两者通过导热性能差的毛细管C相连通 细管容积比A B的容积VAVB小得多可忽略 测量时先把温度计在室温T0下充气到压强P0加以密封 再将A与待测温系统热接触 而B保持室温不变 若测得此时B的压强读数为p 求待测温度T 解 解得 VA VB T0 T0 T 1 5物质的微观模型 宏观物体都是不连续的 并由大量不停息地运动着的 彼此有相互作用的分子或原子组成 利用扫描隧道显微镜技术把一个个原子排列成IBM字母的照片 现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大小以及它们在物体中的排列情况 例如X光分析仪 电子显微镜 扫描隧道显微镜等 一 物质由大数分子组成 且分子间有间隙 Si单晶的原子像 透射电子显微镜照片 对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加以研究时 必须用统计的方法 宏观物体都是不连续的 分子或原子间存在空隙 有很多现象能说明这一特征 例如气体易被压缩 水在40000atm的压强下 体积减为原来的1 3 等等 二 分子运动的观点 组成物质的分子在永不停息地作无规则的热运动 1 扩散 diffusion 气体和液体中的扩散现象是分子热运动所致 固体中的扩散现象通常不大显著 只有高温下才有明显效果 因温度越高 分子热运动越剧烈 因而越易挤入分子之间 标准状况下 2 布朗 Brown 运动 1827年布朗从显微镜中看到悬浮在液体中的花粉作无规则的杂乱运动 图为直径为10 4cm悬浮水中的藤黄颗粒作布朗运动的情况 1877年德耳索指出这是由于微粒受到周围液体分子碰撞不平衡而引起的 温度越高 布朗运动越剧烈 微粒越小 布朗运动越明显 3 涨落现象 fluctuationphenomena 随机地偏离统计平均值的现象称为涨落现象 是统计规律的一种基本特征 涨落 宏观量的实际测量值与统计平均值的偏差 可以证明 在粒子可自由出入的某空间范围内的粒子数的相对涨落反比于系统中粒子数N的平方根 粒子数越少 涨落现象越明显 其相对均方根偏差称为相对涨落 在数值上 1 引力 1 能说明分子间存在吸引力的现象 汽化热 锯断的铅柱加压可黏合 玻璃熔化可接合 胶水 浆糊的黏合作用 2 分子吸引力作用半径 三 分子力观点 分子间有相互作用力 此力为短程力 引力 斥力视距离而定 2 排斥力 1 能说明排斥力的现象 固体 液体能保持一定体积而很难压缩 气体分子经过碰撞而相互远离 2 排斥力作用半径 两分子刚好 接触 时两质心间的距离 对于同种分子 它就是分子的直径 3 分子力与分子热运动 分子力使分子空间排列呈有序性 分子热运动却使分子尽量相互散开呈无序性 分子力是一种电磁相互作用力 故它是一种保守力 它应该有势能 称为分子作用力势能 讨论 1 5 2试估计水的分子互作用势能的数量级 可近似认为此数量级与每个分子所平均分配到的汽化热数量级相同 再估计两个邻近水分子间的万有引力势能的数量级 判断分子力是否可能来自万有引力 已知 水的汽化热为 它的两最邻近分子质量中心之间的距离为 它的摩尔汽化热为 每个分子平均分摊到的汽化热 即水分子互作用势能的数量级 每个分子所平均分摊到的万有引力势能的数量级为 1 6理想气体微观描述的初级理论 1 分子线度比分子间距小得多 可忽略不计 一 理想气体微观模型 实验证实对理想气体可作如下基本假定 1 洛施密特常量 标准状况下1m3理想气体中的分子数 以n0表示 2 标准状况下气体分子间平均距离 每个分子平均分配到自由活动体积为1 n0 m 3 氮分子半径 已知液氮 温度为77K 压强为0 10Mpa 密度为 0 8 103kg m3 氮的摩尔质量Mm 28 10 3kg 设n为液氮分子数密度 氮分子质量为m 若认为液氮是由球形氮分子紧密堆积而成 且不考虑分子间空隙 则1 n 4 3 r3其中r是氮分子半径 于是得 nm Mm NAm 4 比较分子之间平均距离和分子直径 2 除碰撞瞬间外 分子间互作用力可忽略不计 3 处于平衡态的理想气体 分子之间及分子与器壁间的碰撞是完全弹性碰撞 4 分子的运动遵从牛顿力学的规律 分子在两次碰撞之间作自由的匀速直线运动 常温常压下 理想气体分子两次碰撞间平均走过的路程是分子大小200倍左右 碰撞只改变分子运动的方向 不改变速率和动能 理想气体模型 无分子力的弹性质点模型 处于平衡的气体均具有各向同性 即气体在各方向上的物理性质都相同 反之称为各向异性 二 平衡态理想气体分子的统计假设 2 分子沿各方向运动的概率相同 运动无择优取向 1 无外场时 平衡态下气体分子均匀分布 分子在各处出现的概率相同 三 单位时间内碰在单位面积器壁上平均分子数 虽然单个分子在何时相碰 碰在何处是随机的 但处于平衡态下大数分子所组成的系统应遵循一定统计规律 气体分子碰撞碰壁数 处于平衡态下的理想气体在单位时间内碰撞在单位面积上的平均分子数 设气体分子数密度为n 每一分子均以平均速率运动 作业 1 4 2 1 5 1 1 6 2 四 理想气体的压强公式 2 公式推导 设边长分别为x y及z的长方体中有N个全同的质量为m的气体分子 计算壁面所受压强 单个分子遵循的力学规律 x方向动量变化 分子施