大学物理课件-第8章 温度 (temperature)

鞍山科技大学 姜丽娜,1,第8章温度和气体动理论（ temperature and kinetic theory of gases）,鞍山科技大学 姜丽娜,2,概 述,一、热学的研究对象 冷热 - 温度与温度有关的物理规律热学的意义：1)大量存在 2)能量转化,对象的特征：大量无规运动的粒子组成,可用四个字表述：小、多、快、乱。,超人,与宇宙同时出生,(150亿年前),每秒数10个分子,数到现在才数了,鞍山科技大学 姜丽娜,3,地球上全部大气约有1044个分子一个人每次呼吸气体大约是1022个分子比值接近1个摩尔的数值有什么关系吗？一个成年人每天呼吸2万多次，吸入空气15-20立方米，消耗氧气约0.75公斤,呼出二氧化碳约0.9公斤.也就是每人每天需吸入氧气750克，排除二氧化碳900克.,鞍山科技大学 姜丽娜,4,二、研究热现象的两大分支1. 热力学 宏观 实验 能量 可靠,2. 统计物理微观理论模型,相辅相成、相互补充,普物的任务,开门、见识,物理的绿洲,经典粒子量子粒子,牛顿力学规律量子力学规律,先经典、后量子,概念、方法相通,鞍山科技大学 姜丽娜,5,统计物理的基本思想 宏观上的一些物理量是组成系统的大量分子 进行无规运动的一些微观量的统计平均值 宏观量 实测的物理量 如 P T E 等 微观量 组成系统的粒子(分子、原子、或其它) 的质量、动量、能量等等,无法直接测量的量,第一 气体分子系统的统计分布,鞍山科技大学 姜丽娜,6,解决问题的一般思路从单个粒子的行为出发大量粒子的行为- 统计规律,统计的方法,模式：假设 结论 验证 修正 理论,例如：微观认为宏观量P 是大量粒子碰壁的平均作用力,先看一个碰一次,再看集体,鞍山科技大学 姜丽娜,7,统计方法：,一个粒子的多次行为多个粒子的一次行为,结果相同,如：掷硬币 看正反面出现的比例 比例接近1/2统计规律性：大量随机事件从整体上表现出来的规律性 量必须很大(魔术师)统计规律性具有涨落性质(伽耳顿板演示）,鞍山科技大学 姜丽娜,8,分布曲线,飞镖,鞍山科技大学 姜丽娜,9,小球落入其中一,分布服从统计规律,大量小球在空间的,格是一个偶然事件,伽耳顿板演示,鞍山科技大学 姜丽娜,10,什么叫统计规律？在一定的宏观条件下 大量偶然事件在整体上表现出确定的规律统计规律必然伴随着涨落什么叫涨落？对统计规律的偏离现象涨落有时大 有时小 有时正 有时负例如：伽耳顿板实验中 某坐标x附近x区间内分子数为N 涨落的幅度：,鞍山科技大学 姜丽娜,11,涨落的百分比：,如,什么概念呢？某次测量落在这个区间的分子数是：,鞍山科技大学 姜丽娜,12,如果在这个区间的分子数是：,涨落幅度和涨落百分比,结论：分子数愈多 涨落的百分比愈小,涨落实例：微电流测量时电流的涨落电子器件中的“热噪声”,鞍山科技大学 姜丽娜,13,第二 热力学基础,从实验归纳总结,定律,热力学第一定律热力学第二定律基础定律,地位：相当于力学中的牛顿定律,-能量转化-过程方向性,鞍山科技大学 姜丽娜,14,三、 本课程中研究对象的理想特征,1.对象,理想气体,宏观定义：严格遵守气体三定律 实际气体理想化：P 不太高 T 不太低,微观上也有定义理论框架主体是理想气体,1) 在理想气体理论基础上加以修正,2) 经验,鞍山科技大学 姜丽娜,15,2.状态,平衡态,定义：在不受外界影响的条件下 对一个孤立系统 经过足够长的时间后 系统达到一个宏观性质不随时间变化的状态,用一组宏观量描述某时的状态,非平衡态,鞍山科技大学 姜丽娜,16,实际上的处理：1)是否可看作平衡态？ 足够长2)实在不行 - 分小块3)远离平衡态 - 非线性 耗散结构,本课的主体：平衡态介绍： 远离平衡态,注意区分平衡态和稳定态,鞍山科技大学 姜丽娜,17,每一时刻系统都处于平衡态实际过程的理想化-无限缓慢(准)“无限缓慢”：系统变化的过程时间驰豫时间例1 气体的准静态压缩,过程时间 1 秒,3.过程,准静态过程,鞍山科技大学 姜丽娜,18,实际过程太迅速了 怎么办？ 1)修正原理论 2)更普遍的理论或经验 本课介绍 气体分子动理论 平衡态下 理想气体的状态量与微观量的关系热力学基础 实验的总结-必定涉及过程 结论是普适的（对象 过程不限） 但 具体的理论计算 必是理气、准静态过程,鞍山科技大学 姜丽娜,19,通过本课程：明确 理论的建立过程 理论的指导作用,鞍山科技大学 姜丽娜,20,热学研究的是自然界中物质与冷热有关的性质及这些性质变化的规律。大量分子（原子）的无规则运动导致了物质冷热现象的产生。即热学研究的是物质的分子（原子）热运动。,一、热学的研究对象:,热现象:,物质受温度影响，其物理性质发生变化的现象统称热现象。,热运动：,宏观物体内大量微观粒子一种永不停息的无规则运动。,热学概述,如物体的热胀冷缩，固、液、气三态的相互转变；软钢淬火变硬；硬钢退火变软等。上述现象是宏观现象。,从微观来看，热现象就是系统大量分子、原子热运动的集体表现。,鞍山科技大学 姜丽娜,21,热力学着重阐明热现象的宏观规律它 是以大量实验事实为基础,从能量的观点出发,分析研究热功转换的关系和条件,以及消耗能量作功等 一系列技术问题，二者相辅相成缺一不可。,两者虽然都是研究物质热现象和热运动规律的学科，但方法不同。,气体动理论着重阐明热现象的微观本质，针对所研究的大量微观粒子的运动运用统计的方法进行概率性的描述。,二、气体动理论和热力学的研究方法:,鞍山科技大学 姜丽娜,22,第8章 温度 （Temperature）,8.1 平衡态,8.2 温度的概念,8.3 理想气体温标,8.4 理想气体状态方程,鞍山科技大学 姜丽娜,23,基本概念：,系统、外界、宏观、微观、平衡状态、温度,状态方程：,理想气体状态方程,8.1 平衡态,基本概念：,1. 热力学系统（系统）：,热学中的研究对象。,2.外界：,系统之外并与系统相关联的物体。,3.宏观描述：,对系统的状态从整体上加以描述。,4.宏观量：,宏观描述系统状态和属性的物理量。,宏观量可以直接用仪器测量，而且通常能够被人的感官所察觉。,如体积V、温度T、压强P、浓度等 。,注意：,第8章 温度 (Temperature),鞍山科技大学 姜丽娜,24,5.微观粒子：,分子和原子的统称。,注意：微观粒子的线度大约是10-910-10米。,6.微观描述：,通过对微观粒子运动状态的说明而对系统状态的描述。,7.微观量：,描述一个微观粒子运动状态的物理量。,8.平衡态：,例：一定质量的气体在一定容器内具有一定的体积V，不管气体内各部分原有的温度和压强如何，经过相当长时间后，气体内各部分终将达到相同的温度和压强。如果它与外界没有能量交换、内部没有任何形式的能量转换（例如没有发生化学变化或原子核的变化等）、也没有外场作用，则此后温度和压强将不随时间变化。,在不受外界影响的条件下，一个系统的宏观性质不随时间改变的状态。,鞍山科技大学 姜丽娜,25,由于气体中热运动的存在，气体的热力学平衡状态叫做热动平衡状态。通过气体分子的热运动和相互碰撞，在宏观上表现为气体各部分的密度均匀、温度均匀和压强均匀的热动平衡状态。一定质量的气体的平衡状态，可用状态参量P、V、T的一组参量值来表示。,3.平衡态是一个理想的概念，是在一条件下对实际情况的概括和抽象。,注意：,1.从微观角度来看系统处于动态平衡。,2.在平衡态下，宏观状态参量满足一定的关系。,鞍山科技大学 姜丽娜,26,10.平衡过程：,当气体的外界条件改变时，它的状态就发生变化。气体从一个状态不断地变化到另一个状态，所经历的是个状态变化的过程。过程进展的速度可以很快，也可以很慢。实际过程常是比较复杂的。如果过程进展得十分缓慢，使所经历的一系列中间状态，都无限接近平衡状态，这个过程就叫做平衡过程。,9.热平衡：,刚性导能板隔开的(或相互接触的)两个(或多个)系统所达到的共同的平衡状态。,鞍山科技大学 姜丽娜,27,11.状态方程：,8.2 温度的概念,一、热平衡状态：,鞍山科技大学 姜丽娜,28,二、热力学第零定律：,如果系统A和系统B分别与系统C的同一状态处于热平衡，那么当A和B接触时，它们也必定处于热平衡。,三 、温度：,两个或多个热力学系统处于同一平衡状态时，它们所共同具有的宏观性质称为系统的温度。,8.3 理想气体温标,一、温标：,温度的数值表示 方法。,二、玻意耳定律：,一定质量的气体在一定的温度下，其压强P 和体积V的乘积是个常量。,注意：气体压强越小时此定律符合得越好。,PV=常量,鞍山科技大学 姜丽娜,29,三、理想气体：,在各种压强下都严格遵守玻意耳定律的气体。,注意：它是各种气体在压强趋于零时的极限情况，是一种理想模型。,理想气体PV,水的三相点温度：,3283.16K,P34.58mmHg609 Pa,理想气体温标：,四、理想气体温标,保温瓶,冰水混合物,温度计阱,冰衣,纯水,水汽,水的三相点装置图,鞍山科技大学 姜丽娜,30,定体气体温度计,定体（体积保持不变）气体温度计测量：,鞍山科技大学 姜丽娜,31,注意：稀薄的实际气体接近理想气体，温度很低时气体将液化，气体温度计失效。气体温度计所能测量的最低温度为0.5K(这时用3He气体),热力学温标与任何物质特性无关，但与理想气体温标等价。,五、热力学温标（绝对温标）：,热力学温标与理想气体温标一致，符号T，单位是 K。,摄氏温标：,热力学温度T和摄氏温度的关系是：,摄氏温标记 t,单位是C,t=T-283.15,鞍山科技大学 姜丽娜,32,1.4 理想气体状态方程,实验表明，表示平衡态的三个参量P、V、T之间存在着一定的关系。把反映气体的P、V、T之间的关系叫做气体的状态方程。一般气体，在密度不太高、压强不太大（与大气压比较）和温度不太低（与室温比较）的实验范围内，遵守玻意耳定律、盖吕萨克定律和查理定律。,注意：对于不同气体，这三条定律的适用范围不同，不易液化的气体，如氮、氧、氢，氦等适用的范围比较大。,实际上在任何情况下都服从上述三条实验定律的气体是没有的。,六、热力学第三