热学第零定律.ppt

1 1热力学系统的平衡态 1 2温度与温度计 1 3理想气体状态方程 第1章温度 热力学研究的对象称热力学系统 简称系统 系统以外的一切物质称为外界或环境 二 宏观描述与微观描述 宏观量 能反映系统的整体性质 并且可以由实验操作来测定 如气体用 三个参量来描述 一 热力学系统 第一节热力学系统的平衡态 微观量 描述系统中粒子个体行为的某些物理量 如粒子的坐标 动量 能量等 平衡态 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 三 平衡态与非平衡态 稳恒态 存在自由热源或离子流情况下 各处宏观状态均不随时间变化的状态 讨论 稳恒态不是平衡态 如金属棒两端分别与冰水混合物及沸水相接触 经足够长时间后 热流达到某一稳定不变的数值 这时金属棒各处温度不随时间变化 但各处温度不同 所以整个系统 金属棒 仍处于非平衡态 正确判别 平衡态 与 非平衡态 的方法应该是是否存在热流与粒子流 在自然界中平衡态是相对的 局部的与暂时的 不平衡才是绝对的 普遍的 全局的和经常的 热力学系统的平衡条件热学平衡条件 系统内部的温度处处相等力学平衡条件 系统内部各部分之间 系统与外界之间应达到力学平衡 化学平衡条件 在无外场作用下系统各部分的化学组成处处相等的 四 热力学平衡 系统处于平衡态时 可用确定的物理量来表征其属性 描述系统状态的物理量称为状态参量 常用四种状态参量 几何参量 力学参量 化学参量 电磁参量 对简单系统 如气体 可以用 P V T 来描述 一般 可用三个宏观量 描述的系统 称为简单系统 五 状态参量 假设两个热力学系统 和 使两系统相接触 这种接触叫热接触 后达到一个共同的平衡态 即 彼此达到热平衡 一 热力学第零定律 第二节温度与温度计 假设三个热力学系统 C 结论 如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡 则它们彼此也处于热平衡 热力学第零定律 热力学第零定律的物理意义 第零定律指出了判别温度是否相同的方法 温度的数值表示法叫温标 建立一种温标需要包含三个要素 选择某种测温物质 测定它的测温属性 选定固定点 进行分度 即对测温属性随温度的变化关系作出规定 二 温标 互为热平衡的物体之间必存在一个相同的宏观特征 这个决定系统热平衡的宏观特征称为温度 一切互为热平衡的物体都具有相同的温度 表1 1几种常见的温度计 摄氏温标由瑞典天文学家摄耳修斯 Celsicus 于 年建立 以冰的正常熔点为 以水的沸点为100 问题 用各种不同的摄氏温度计测量同一对象时 所得结果是否相同呢 右图绘出了几种摄氏温度计在0 100 的实验结果 由图可见 用不同测温物质 或同一物质的不同测温属性 所建立的摄氏温标 除冰点和汽点外 其它温度并不严格一致 要义在于 不同物质或同一物质的不同属性随温度的变化关系不同 三 理想气体温度计 玻意耳定律 温度不变 1954年以后 国际上规定只用一个固定点建立标准温标 这个固定点选的是水的三相点 并严格规定它的温度为T3 273 16k 则 气体温度计分两种 定容气体温度计和定压气体温度计 如图为定容气体温度计 若保持一定质量的理想气体的体积不变 则 其中T3 P3分别是一定质量的理想气体在水的三相点状态下的温度和压强 实验表明 用不同的气体所确定的定容温标 除根据规定对水的三相点的读数相同外 对其它温度读数则有一定差别 但差别不大 当气体极稀薄 即P3 时 这些差别消失 同样 通过测量气体的体积也可测得它的温度 相应的温度计叫定压气体温度计 对理想气体需加一极限条件P3 这以极限温标叫作理想气体温标 定义式为 P3 T p 373 15k 在热力学第二定律的基础上引入一种温标 它完全不依赖于任何一种测温物质及其测温属性 这种温标称热力学温标 也称绝对温标或开尔文温标 用这种温标所确定的温度叫热力学温度 用 表示 单位 在理想气体温标所能确定的温度范围内 理想气体温标和热力学温标是完全一致的 四 热力学温标 五 摄氏温标和华氏温标 摄氏温标所确定的温度用 表示 定义为 单位 摄氏温标和华氏温标的关系 水的三相点温度t3 0 01 t T 273 15 例1 某定容气体温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时 其中气体的压强为50 0mmHg问 1 用温度计测300K温度时 测温泡内气体的压强 2 当测温泡内气体的压强为68 0mmHg时待测的温度 解 对于定容气体温度计 对固定的系统 处于平衡态的各热力学参量之间存在确定的函数关系 例如化学纯的气体 液体 固体的温度 i都可分别由各自的压强 i和体积 i表示 即 i i i i 或fi i i i 0其中i分别表示气 液 固 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状态方程 一 理想气体状态方程 第三节理想气体状态方程 二 理想气体的状态方程 理想气体 实验发现 理想气体严格遵循玻意耳定律 查理定律和盖吕萨克定律在此基础上得到 标准状态下 T 273k P 1 013 105Pa Vmol 22 4L 可算得 R 8 31J mol 1 k 1 0 082atm l k 1mol 1R 普适气体常数 若气体不是 mol 而是Mkg 则摩尔数 M 理想气体状态方程可写为 三 混合理想气体物态方程 道尔顿 Dalton 分压定律 混合气体的压强等于各组分的分压强之和 数学表达式 P P P Pn 由理想气体状态方程和道尔顿分压定律可得 令混合理想气体的摩尔数为 则 则混合理想气体的状态方程为 PV RT 则混合理想气体状态方程 玻 马定律PV constant 盖 吕萨克定律V T constant 查理定律P T constant 理想气体状态方程PV RT PV T R 根据状态方程 系统的压强 体积 温度中任两个量一定 就可确定系统的状态 因此常用P V图中的一条曲线来表示系统的准静态过程 曲线上任一点都表示气体的一个平衡态 这种图叫状态图 阿伏伽德罗常数 玻耳兹曼常数 设 分子质量为m 气体分子数为N 分子数密度n 理想气体状态方程的另一形式 理想气体状态方程 标准状态下的分子密度 即在标准状态 压强为1大气压 温度为273 15K 下 单位体积的任何气体包含的分子数为洛喜密脱数 例题1 一容器内盛有氧气0 100kg 其压强为1 013 10 6Pa 温度为320K 因容器开关缓慢漏气 稍后测得压强减为原来的5 8 温度降低到300K 求 1 容器的体积 2 在两次观测之间漏掉多少氧气 氧气摩尔质量为Mmol 3 2 10 2Kg mol 解 1 由理想气体状态方程 得容器的体积为 2 设漏气后剩余氧气为M2 由 所以漏掉的氧气质量为 例2 一个长L 0 50m的圆柱形容器被一质量M 5 0kg的绝热活塞隔成两部分 一部分里有质量M1 6g的氢气 另一部分有M2 56kg的氮气 两部分气体的温度均为T1 300K 活塞无摩擦沿容器壁滑动 厚度可忽略 试求 平衡时