热学-李偆版-绪论课件.ppt

热学 1 主讲 李佳 热学内容图析 2 总论 量热与量温 热传递的一般规律 热力学平衡态的特征及充要条件 热力学第零定律 温度和温标 理想气体定律和状态方程 热学发展规律简史 研究对象及方法 热力学基础 宏观理论 分子运动论 微观理论 热学理论的应用 物性学 1 热力学第一定律 2 热力学第二定律 3 热机 1 分子运动论的实验基础及基本论点 2 理想气体分子运动的规律 平衡态 3 理想气体内迁移规律 非平衡态 1 实际气体 液体 固体的基本性质 2 一级相变特征及基本规律 主要参考书目 3 成绩考核 平时作业10 课堂讨论10 期中占20 期末占60 秦允豪 热学 高等教育出版社赵凯华等 热学 高等教育出版社黄淑清等 热学教程 高等教育出版社李椿等 热学 高等教育出版社肖国平 热学 高等教育出版社吴瑞贤等 热学教程 四川大学出版社徐行 热学 高等教育出版社张玉民等 热学 高等教育出版社李洪芳 热学 复旦大学出版社顾建中 热学教程 高等教育出版社D 哈理德等 物理学 第二册 科学出版社 绪论 4 1热学的研究对象及其特点 一 热学的研究对象及其特点 热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学 热现象 这些与温度有关的物理性质的变化 热学研究对象 与热相联系的现象 特点 热物理学研究的是由数量很大的微观粒子所组成的系统 大数粒子 我们把数量级达到宏观系统量级的粒子 二 宏观描述方法与微观描述方法 5 1 宏观描述方法 热力学方法 热力学 由观察和实验总结出来的热现象规律 构成热现象的宏观理论 叫做热力学 热力学方法的优点 热力学基本定律是自然界中的普适规律 只要在数学推理过程中不加上其它假设 这些结论也具有同样的可靠性与普遍性 热力学的局限性 1 它只适用于粒子数很多的宏观系统 2 它主要研究物质在平衡态下的性质 它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程 3 它把物质看成为连续体 不考虑物质的微观结构 2 微观描述过程 统计物理学 6 统计物理学则是热物理学的微观描述方法 它从物质由大数分子 原子组成的前提出发 运用统计的方法 把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定 由此找出微观量与宏观量之间的关系 微观描述方法的局限性 在于它在数学上遇到很大的困难 由此而作出简化假设 微观模型 后所得的理论结果与实验不能完全符合 3 热物理学 热力学基础统计物理学的初步知识液体 固体 相变等物性学 宏观方法与微观方法相辅相成 互相促进 热学 7 一条主线 两个方面 热是什么 宏观微观 三个阶段 第一阶段 远古 十八世纪毕达哥拉斯土火水气老子金木水土火柏拉图火是一种运动的表现形式 2 热学研发展简史 8 第二阶段 十八世纪 十九世纪末测温量热拉瓦锡卡诺热 无质量的液体热素说伦福德焦耳第三阶段 十九世纪末 至今普朗克量子说 9 伽利略温度计16世纪 明 从钻木取火到商周的青铜器 10 11 瓦特早期蒸气机 清初 12 1823年道光3年 13 1807年嘉庆12年 14 1892年同治18年 仿哥窑五彩 15 1 官窑 南宋 2 定窑 宋 河北曲阳 3 汝窑 宋 河南宝丰 4 哥窑 南宋 浙江龙泉 5 均窑 宋 河南禹县 五大名窑 第1章温度和气体动理论 1 1平衡态状态参量 1 3理想气体的状态方程 1 2温度 1 1平衡态状态参量 17 一 热力学系统 热力学系统 简称系统 被确定为研究对象的物体或物体系 孤立系统 与外界既不交换物质又不交换能量的系统 外界 系统边界外部 封闭系统 与外界不交换物质但可交换能量的系统 开放系统 与外界既交换物质又交换能量的系统 热力学与力学的区别 热力学参量 压强 体积 温度等 热力学的目的 基于热力学的基本定律 力学的目的 基于牛顿定律 力学参量 18 热学 二 平衡态 孤立系统 在不受外界条件影响下 经过足够长时间后系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态 19 热学 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 例如 粒子数 说明 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 平衡态是一种热动平衡 20 热学 1 理想化 2 动态平衡 1 单一性 处处相等 2 物态的稳定性 与时间无关 3 自发过程的终点 4 热动平衡 有别于力平衡 21 热学 三 状态参量 几何参量 体积 电磁参量 电场强度 电极化强度 磁化强度 力学参量 压强 热学参量 温度 把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量 化学参量 摩尔数 浓度 质量 22 热学 表征系统宏观性质的物理量 如系统的体积V 压强P 温度T等可直接测量分为广延量和强度量广延量有累加性 如质量M 体积V 内能E等强度量无累加性 如压强P 温度T等 描写单个微观粒子运动状态的物理量 一般只能间接测量如分子的质量m 大小d 速度v等 1 气体的体积V气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间 对于密闭容器中的气体 容器的体积就是气体的体积 单位 m3 2 压强p压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的 它等于容器壁上单位面积所受到的正压力 p F S单位 1Pa 1N m 2标准大气压1atm 76cm Hg 1 013 105Pa 气体的物态参量及其单位 宏观量 3 华氏温标F 单位0F320F 水的三相点温度2120F 水的沸腾点温度关系 T 273 15 tF 9t 5 32 25 热学 1 2温度 一 热力学第零定律 热交换 传热但不交换粒子 热平衡 两个系统在热交换的条件下达到了一个共同的平衡态 在不受外界影响的情况下 只要A和B同时与C处于热平衡 即使A和B没有接触 它们仍然处于热平衡状态 这种规律被称为热力学第零定律 A B两体系互不影响各自达到平衡态 A B两体系的平衡态有联系达到共同的热平衡状态 热平衡 A B两体系有共同的宏观性质 称为系统的温度 处于热平衡的多个系统具有相同的温度 温度测量 设A和B B和C分别热平衡 则A和C一定热平衡 热力学第零定律 A和B热平衡 TA TB B A A改变很小 TA基本是原来体系A的温度 热胀冷缩特性 标准状态下 冰水混合 B上留一刻痕 水沸腾 又一刻痕 之间百等份 就是摄氏温标 Co 酒精或水银 28 1 日常生活中 常用温度来表示冷热的程度 2 在微观上 则必须说明 温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的度量温度相同是系统处于热平衡的充分且必要条件 处于热平衡的系统温度温度相同的系统一定处于热平衡 为了描绘一个系统与另外一个系统处于热平衡需要一个物理量 温度 29 热学 热力学第零定律的物理意义 互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征 即它们的温度是相同的 第零定律不仅给出了温度的概念 而且指出了判别温度是否相同的方法 温度计 30 热学 二 温标 经验温标的三要素 温度的数值表示法叫做温标 选择测温物质和测温参量 属性 选定固定点 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 测温度体积随温度变化 测温属性 2 1atm水冰点 0摄氏度沸点 100摄氏度 3 确定测温属性随温度的变化关系 31 热学 三 气体温度计 定容气体温度计 气体的体积保持不变 压强随温度改变 定压气体温度计 气体的压强保持不变 体积随温度改变 V0不变 Ptr为该气体温度计在水的三相点 气 液 固三相共存 时的压强 体积不变 四 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 压强 不变时压强 体积 与温度成正比关系所确定的温标称为理想气体温标 33 热学 由气体温度计所定出的温标称为理想气体温标 34 热学 五 热力学温标 是一种不依赖于测温物质和测温属性的温标 单位 K Kelvin 规定 T3 273 16K 在理想气体温标有效范围内二者一致 体积保持不变 摄氏温度t与理想气体温度T的关系t T 273 15 稀薄的实际气体接近理想气体 温度很低时气体液化 气体温度计失效 热力学温标与任何物质特性无关 但与理想气体温标等价 36 热学 六 摄氏温标 华氏温标与兰氏温标 t是摄氏温标 TR是兰 金 氏温标 37 热学 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 声学测温法 声学温度计 开尔文 38 热学 1 3气体的状态方程 物态方程 平衡态 把处于平衡态的某种物质的热力学参量 如压强 体积 温度 之间所满足的函数关系称为该物质的物态方程或称状态方程 一 理想气体物态方程 1 玻意耳定律 一定质量的气体 温度不变PV C注意 1 温度不变 PV为一常数 温度改变 常数也要改变 2 P不太大 T要不太低时适用 P越低 遵守得越好 39 热学 2 理想气体状态方程 3 普适气体常数R 1摩尔理想气体在压强为1atm 温度为273 15K时 Mm为气体的摩尔质量 m为气体的