热力学平衡态.pdf

2 3 第第6章 热力学平衡态章 热力学平衡态 6 1 热力学引言 热力学引言 6 2热力学与平衡态基本问题热力学与平衡态基本问题 SKIP1 SKIP2 4 6 1热力学引言热力学引言 热物理学热物理学是研究与热现象有关的规律的科学 是研究与热现象有关的规律的科学 热现象热现象是物质中大量分子是物质中大量分子无规则运动无规则运动的集体表现 大量分子的无规则运动称为 的集体表现 大量分子的无规则运动称为热运动热运动 热物理学的研究方法 热物理学的研究方法 1 宏观法宏观法 最基本的实验规律 逻辑推理最基本的实验规律 逻辑推理 运用数学运用数学 称为称为热力学热力学 Thermodynamics 2 微观法微观法 物质的微观结构物质的微观结构 统计方法统计方法 称为称为统计力学统计力学 其初级理论称为其初级理论称为气体分子运动论气体分子运动论 Kinetic Theory of Gases 微观法揭示了热现象的微观本质 如温度 压强的物理意义 热力学过程的不可逆性等 微观法揭示了热现象的微观本质 如温度 压强的物理意义 热力学过程的不可逆性等 END 5 热力学研究的对象热力学研究的对象 热力学系统热力学系统 它包含极大量的分子 以它包含极大量的分子 以阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数 NA 6 02 1023计 计 热力学系统以外的物体称为热力学系统以外的物体称为外界外界 若汽缸内气体为系统 其它为外界 若汽缸内气体为系统 其它为外界 6 2 热力学与平衡态基本问题热力学与平衡态基本问题 一 热力学系统与外界一 热力学系统与外界 6 对热力学系统的两种描述方法 对热力学系统的两种描述方法 1 宏观量宏观量 从整体上描述系统的状态量 一般可以直接测量 如 从整体上描述系统的状态量 一般可以直接测量 如 M V E 等等 可以累加 称为可以累加 称为广延量广延量 P T 等等 不可累加 称为不可累加 称为强度量强度量 2 微观量微观量 描述系统内微观粒子的物理量 如分子的质量描述系统内微观粒子的物理量 如分子的质量m 直径 直径 d 速度 速度 v 动量 动量 p 能量 能量 等 等 二 宏观量与微观量二 宏观量与微观量 例如 气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果 它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关 例如 气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果 它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关 微观量与宏观量有一定的内在联系 微观量与宏观量有一定的内在联系 7 在不受外界影响 如作功 传热 物质交换等 的条 件下 孤立 系统的宏观性质不随时间改变的状态 在不受外界影响 如作功 传热 物质交换等 的条 件下 孤立 系统的宏观性质不随时间改变的状态 称为 热力学 称为 热力学 平衡态平衡态 注意有外力场存在时的情况 三 平衡态与过程 注意有外力场存在时的情况 三 平衡态与过程 1 平衡态 平衡态 平衡态 平衡态如 如 AB 热接触 热平衡 8 说明两个概念 说明两个概念 动态平衡动态平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运动 而且因为碰撞 每个分子的速度经常在变 但是系统的宏观量不随时间 改变 这称为 处在平衡态的大量分子仍在作热运动 而且因为碰撞 每个分子的速度经常在变 但是系统的宏观量不随时间 改变 这称为动态平衡动态平衡 箱子假想分成两相同体积 的部分 达到平衡时 两 侧粒子有的穿越界线 但 两侧粒子数相同 箱子假想分成两相同体积 的部分 达到平衡时 两 侧粒子有的穿越界线 但 两侧粒子数相同 粒子数是宏观量粒子数是宏观量 9 涨落涨落 处在平衡态的系统的宏观量 如压强处在平衡态的系统的宏观量 如压强P 不随时间改变 但不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样 这称为 不随时间改变 但不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样 这称为涨落涨落现象 现象 分子数越多 涨落就越小分子数越多 涨落就越小 上例中两侧粒子数不可能 严格相同 这里的偏差也 就是 上例中两侧粒子数不可能 严格相同 这里的偏差也 就是涨落涨落 布朗运动布朗运动是可观测的涨落现象之一 是可观测的涨落现象之一 10 布朗运动布朗运动 11 2 热力学过程 热力学过程 AB 热力学过程 Q 当过程进行当过程进行 无限缓慢无限缓慢 时 系统在过程的每一步都可以 近似地看作处于平衡态时 时 系统在过程的每一步都可以 近似地看作处于平衡态时 准静态过程 准静态过程 状态1 状态2 12 四 状态参量四 状态参量 加热加热 2 保持压强保持压强P 不变 气体体积不变 气体体积V 增大 增大 1 保持气体体积保持气体体积V 不变 压强不变 压强P 增大 气体体积 增大 气体体积V 压强 压强P是可以独立变化 是可以独立变化 V P描述气体的状态 描述气体的状态 状态参量状态参量 O P V P1 V1 P2 V2 准静态过程准静态过程 13 五 温度五 温度 A B A B 绝热板绝热板 导热板导热板 A B 两系统互不影响 各自达到平衡态 两系统互不影响 各自达到平衡态 A B 两系统的平衡态有联系 达到共同的 两系统的平衡态有联系 达到共同的热平衡热平衡状态 状态 A B 两系统有共同的宏观性质 两系统有共同的宏观性质 称为系统的称为系统的温度温度 用来描述物体的冷热程度 用来描述物体的冷热程度 14 热力学第零定律热力学第零定律 15 A B C 设设 A 和和 B B 和和 C 分别热平衡 则 分别热平衡 则 A 和和 C 一定热平衡 一定热平衡 热力学第零定律热力学第零定律 热力学第零定律热力学第零定律 16 热力学第零定律热力学第零定律 中 温中 温 35 C 高 温高 温 50 C 低 温低 温 5 C 左手左手 右手右手 17 中 温中 温 35 C 高 温高 温 50 C 低 温低 温 5 C 热力学第零定律热力学第零定律 左手左手 右手右手 18 温度测量与温标温度测量与温标 A B A 和和 B 热平衡 热平衡 TA TB B A A 改变很小 改变很小 TA 基 本是原来系统 基 本是原来系统 A 的温度 热胀冷缩特性 标准状态下 冰水混合 的温度 热胀冷缩特性 标准状态下 冰水混合 B 上留一刻痕上留一刻痕 0 水沸腾 又一刻痕 水沸腾 又一刻痕 100 之间百等份 就是 之间百等份 就是摄氏温标摄氏温标 Co 酒精或水银酒精或水银 热力学温标理想气体温标热力学温标理想气体温标 热力学第零定律热力学第零定律 19 六 状态方程六 状态方程 VPfT 对于一定量的气体 只有两个独立的状态参量对于一定量的气体 只有两个独立的状态参量 状态方程状态方程 注意 对理想气体 注意 对理想气体 P V T中的任意两个都可以 作为独立的状态参量来描述气体的状态 中的任意两个都可以 作为独立的状态参量来描述气体的状态 理想气体状态方程 理想气体状态方程 1 mol 理想气体理想气体 0 00 T VP T PV 标准 状态 标准 状态 K 15 273 Pa 10013 1 0 5 0 T P Kmol J 31 8 0 00 T VP R 普适气体恒量普适气体恒量 RTPV mol m 1041 22 3 3 0 V 20 RT M m PV M 摩尔质量摩尔质量 K J