9-1基本概念理想气体状态方程

大学物理 2 热学 光学 量子物理 2 普通物理学 1 3 程守洙 第五版 高等教育出版社 1 大学物理学 毛骏健顾牡高教出版社 3 光学教程 姚启钧高等教育出版社 参考书目 热学 前言 一 热学的研究对象及内容 对象 宏观物体 大量分子原子系统 或物体系 热力学系统 内容 与热现象有关的性质和规律 例如汽缸 二 热学的研究方法 热力学 thermodynamics 宏观基本实验规律 热现象规律 特点 普遍性 可靠性 统计力学 statisticalmechanics 对微观结构提出模型 假设 热现象规律 特点 可揭示微观本质 但受模型局限 前言 第九章 热力学基础 1 掌握自然界的基本规律 热力学第一定律 能量守恒热力学第二定律 自然过程的方向2 热能是重要的能源 也是维持生命的主要来源 学习热力学的意义 教学基本要求 1 掌握气体的状态参量 平衡态和准静态过程等一些基本概念 掌握描述状态参量之间关系的理想气体状态方程 了解热力学第零定律 4 掌握热力学第一定律 能分析 计算理想气体在等体 等压 等温和绝热过程中的功 热量和内能的改变量 了解多方过程 5 理解循环的意义和循环过程中的能量转换关系 会计算卡诺循环和其他简单循环的效率 了解热机和制冷机的工作原理 2 理解准静态过程的特点 会用p V图来描述准静态过程 3 掌握理想气体内能 功和热量的概念 6 了解可逆过程和不可逆过程的含义及自然界过程进行的方向性 理解热力学第二定律的两种不同表述 常见的一些现象 1 一壶水开了 水变成了水蒸气 2 温度降到0 以下 液体的水变成了固体的冰块 3 气体被压缩 产生压强 4 物体被加热 物体的温度升高 热现象 9 1热力学的基本概念 9 1 1热力学系统 在热力学中把要研究的宏观物体 气体 液体 固体 称为热力学系统简称系统 外界 系统以外与系统有着相互作用的环境 孤立系统 与外界不发生任何能量和物质交换的热力学系统 封闭系统 与外界只有能量交换而没有物质交换的系统 状态参量 描述热力学系统状态的物理量 描述气体的状态参量 压强 体积和温度 垂直作用在单位容器壁面积上的气体压力 压强 P 国际单位 帕斯卡 Pa N m2 1标准大气压 atm 1 01325 105Pa 760mmHg 体积 V 气体分子自由活动的空间 国际单位 米3 m3 温度 T 温度是表征在热平衡状态下系统宏观性质的物理量 温标 温度的数值表示法 摄氏温标 t 热力学温标 TK 水的冰点 0 水的沸点 100 冰点和沸点之差的百分之一规定为1 绝对零度 T 0Kt 273 15 水三相点 气态 液态 固态的共存状态 273 16K 热平衡 两热力学系统相互接触 而与外界没有热量交换 当经过了足够长的时间后 它们的冷热程度不再发生变化 热力学第零定律 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡 则这两个系统彼此也处于热平衡 温度 表征系统热平衡时宏观状态的物理量 微观量 每个分子的质量 速度 动量 能量等 宏观量 系统的体积 压强 温度 热容等 总结描述热现象的参量 表征大量分子的集体特征 表征个别分子特征 9 1 2平衡态准静态过程 平衡态 一个孤立系统 其宏观性质在经过充分长的时间后保持不变 即其状态参量不再随时间改变 的状态 微观上应理解为动态平衡 注意 如果系统与外界有能量交换 即使系统的宏观性质不随时间变化 也不能断定系统是否处于平衡态 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 区别力平衡 一组态参量 一个平衡态 一定质量的气体 某一系统 的平衡态可用p V T表示 热力学过程 热力学系统的状态随时间发生变化的过程 p1 V1 T1 p2 V2 T2 非平衡过程或非静态过程 平衡过程或准静态过程 理想过程 准静态过程 状态变化过程进行得非常缓慢 以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态 非准静态过程 准静态过程 统一于 无限缓慢 矛盾 平衡即不变 过程即变化 准静态过程的过程曲线可以用P V图来描述 图上的每一点都表示系统的一个平衡态 PC VC TC 9 1 3理想气体状态方程 理想气体 在任何情况下都严格遵守 波 马定律 盖 吕定律 以及 查理定律 的气体 质量不变 标准状态 m为气体的总质量 M为气体的摩尔质量 其中 理想气体状态方程 令 R称为 摩尔气体常量 代入 设一定量理想气体的分子质量为m0 气体分子数为N 分子数密度n 阿伏伽德罗常数 玻耳兹曼常量 标准状态下的分子密度 称为洛喜密脱数 标准状态 一般气体在密度不太高 压强不太大 温度不太低时也遵守理想气体状态方程 例1理想气体体积为V 压强为p 温度为T 一个分子的质量为m k为玻尔兹曼常量 R为摩尔气体常量 则该理想气体的分子数为 A B C D 解 例2 计算喷气发动机推力时 需要知道每秒从喷口喷出多少气体 设喷气发动机喷口的截面积S 0 5m2 高温气体喷射速度 500m s 1 喷出的气体主要是空气 M 2 89 10 2kg mol 1 喷口处压强p 1 18 105Pa 温度T 873K 求每秒喷出多少气体 解 把每秒喷出的气体看作一系统 体积为 例3 一个封闭的圆筒内部被一个导热而不漏气的可移动活塞隔为两部分 圆筒的横截面积为S 开始时活塞位于圆筒的中央 左右两边分别充有p1 105Pa T1 680K和p2 2 105Pa T2 280K的相同气