热现象及理想气体.ppt

热力学基础,物体和环境有冷热之分；如冰与水物质变化过程中伴随着热的变化；如水结成冰放热，冰融成水吸热以及各类化学反应物质的相互作用；电流通过导体，物体受到光辐射,一.生活中的热现象：,描述热现象物理参量,体积V压强P1atm=760mmHg=1.01325X105pa温度T单位：开尔文（k）1.经验温标：摄氏温标2.热力学温标：T=t+273.16,例1.有一支没有刻度的水银温度计，当玻璃泡放在冰水混合物中时，水银柱的长度为4cm；当玻璃泡放在标准气压下的沸水中时，水银柱的长度为24cm。（1）当室温为22时，水银柱的长度为多少厘米？（2）用这支温度计测某液体温度时，水银柱长度为25.4cm，则该液体的温度是多少？,8.4cm107.0,理想气体温标,固定点：水的三相点，即纯冰、纯水和水蒸气的三相平衡点，规定该点温度273.16（理想气体）定容气体温标T(P)=273.16定压气体温标T(V)=273.16,例2：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50mmHg(1)用该温度计测量300K的温度时，气体的压强是多少?(2)当气体的压强为68mmHg时，待测的温度是多少?,54.9mmHg371.50k,热平衡,冷水热水混合最后温度会相同、气体扩散、饱和水蒸气等。一个不受外界影响的系统，各种宏观性质不随时间变化的状态叫做平衡态热动平衡（动态的平衡）,热力学第零定律,如果两个热力学系统中每一个都与第三个热力学系统处于热平衡态，则它们彼此间也必定处于平衡态,二.理想气体状态方程,阿伏伽德罗定律在同温同压下，相同体积的任何气体含有相同分子数。1mol的数值就是NA,记为阿伏伽德罗常数6.0221415（10）X1023在标况下，即0、压强1atm时，1mol不同种类的气体都有相同的体积约为22.4L,玻意耳定律,一定质量的某种气体，在温度不变的情况下压强与体积成反比。PV=C1,例3.一个粗细均匀的U形玻璃管在竖直平面内放置(如图所示),U形管左端封闭,右端通大气,大气压为.管内装入水银,两边水银面的高度差为h.左管内空气柱的长度为L.如果让该管在原来竖直平面内自由下落.求两边水银面的高度差.,盖吕萨克定律,对于一定质量的某种气体，当压强保持不变时，它的体积随温度线性变化。V=C2T,查理定律,对于一定质量的气体当体积保持不变时，它的压力随温度线性变化。P=C3T,理想气体状态方程,其中R为普适气体常量，这个方程也叫克拉伯龙方程,试试求R的数值已知标准状态下，每摩尔理想气体的体积都是22.41383L,1atm=1.013X10-3Pa，T=273.16k,理想气体状态方程,R=8.314510（J/molK）如果气体的分子数为N，则PV=NKT,其中K=R/NA称作玻尔兹曼常量k=1.3806505（24）X10-23J/K,例4：（第2届全国中学生物理竞赛预赛试题）试估算在室温下,真空度达到10108mmHg时，容器内空气分子间的平均距离_（取1位有效数字）,例5：有一两端封闭的、横截面积均匀的U形玻璃管,两臂管内分别有适量的氢气1和氦气2,一段水银柱把两种气体隔开,如图所示,将此U形管两端朝上竖直立起,两臂中气柱的长度分别为LA1=12cm,LB1=18cm;两端朝下竖直立起时,气柱的长度分别为LA2=6cm,LB2=24cm.问将此U形管平放在水平桌面上时,两臂中气柱的长度和各是多少?设U形管两臂的长度相等,水银柱不断裂,没有发生气体从一臂通过水银逸入另一臂中的情况,不考虑温度的变化.,10cm；20cm,道尔顿定律,体积为V的混合气体所产生的压强，等于其中各成分气体在体积为V时单独产生压强之和。,三.热力学微观机制,气体分子间距大，相互作用很小，每个分子是独立的单元固态物质中，原子大多数由较强的化学键（离子键、共价键、金属键）结合起来，因此固体中往往没有独立的分子。液态物质中，每个分子中原子间以化学键结合，但分子间结合要弱很多。,热平衡微观过程,固体温度高的地方，分子振动强烈，振幅较大，会逐渐带动附近的分子振动。（绝缘材料通过振动传递热量，金属导体可通过自由移动的电子传递，导热快）液体，分子可在较大范围内运动，分子之间会相互碰撞传递热量。气体，分子间通过碰撞传递能量使各系统间每部分分子具有相同的平均动能。,分子动理论,1、物质是由大量分子组成的（注意分子体积和分子所占据空间的区别）2、物质内的分子永不停息地作无规则运动固体分子在平衡位置附近做微小振动（振幅数量级为10-10m），少数可以脱离平衡位置运动。液体分子的运动则可以用“长时间的定居和短时间的迁移”来概括，这是由于液体分子间距较固体大的结果。气体分子基本“居无定所”，不停地迁移（常温下，速率数量级为102m/s）。,无论是振动还是迁移，都具备两个特点：a、偶然无序（杂乱无章）和统计有序（分子数比率和速率对应一定的规律如麦克斯韦速率分布函数，如图所示）；b、剧烈程度和温度相关。,麦克斯韦分子速率分布规律,气体分子速率麦克斯韦分布,三种分子速率,方均根速率,平均速率,最可几速率,统计规律之分子速率,气体的性质,规律,图象,微观解释,T升高，每次碰撞冲量大但V增大单位面积碰撞少,T升高，每个分子碰撞次数及每次碰撞冲量增加,V减小，单位面积碰撞分子及每个分子碰撞数增加,分子间存在相互作用力（注意分子斥力和气体分子碰撞作用力的区别），而且引力和斥力同时存在，宏观上感受到的是其合效果。分子力是保守力，分子间距改变时，分子力做的功可以用分子势能的变化表示，分子势能EP随分子间距的变化关系如图所示。分子势能和动能的总和称为物体的内能。,a,vz,vx,vy,设想在如图所示边长为a的立方体内盛有质量为m、摩尔质量为M的单原子分子理想气体，设气体的温度为T，气体分子平均速率为v，它在x、y、z三维方向速度分量以vx、vy、vz表示，对大量分子而言，这三个方向速率大小是均等的，则由,观察分子x方向的运动,每个分子每对器壁的一次碰撞中有,气体压强是大量气体分子对器壁的持续碰撞引起的，即,气体压强统计意义,实际气体状态方程,范德瓦尔斯方程,四.热量的传递,热量的测量质量为m的某种物质，温度改编与吸收或放出热量是简单的线性关系C表示单位质量温度变化1所吸收或放出的热量，称为这个物质的比热容。,例6.如图所示,在一内径均匀的绝热的环形管内,有三个薄金属片制成的活塞将管隔成三部分,活塞的导热性和封闭性良好,且可无摩擦地在圆环内运动.三部分中盛有同一种理想气体.容器平放在水平桌面上,起始时,、三部分气体的压强都是P0,温度分别是t1=3,t2=47,t3=27,三个活塞到圆环中心连线之间的夹角分别是1=90，2=120，3=150。(1)试求最后达到平衡时,三个活塞到圆环中心的连线之间的夹角各是多少?(2)已知一定质量的理想气体的内能的变化量与其温度的变化量成正比(与压强、体积的变化无关),试求达到平衡时气体的温度和压强.,p=p0，T=297.9K，99.3，111.7，149,热传递方式,对流,热量沿柱体长度方向传递,传导,辐射,辐射定律,黑体单位表面积的辐射功率,斯忒藩常数5.6710-8W/m2K4,牛顿冷却定律,热传递方式:,传导！,暖气管与房间之间:,街与房间之间:,例7：一临街房间由暖气管供热，设暖气管的温度恒定已知如果街上的温度为-20，测得房间的温度为+20；如果街上的温度为-40，测得房间的温度为+10求房间里暖气管的温度T,热传递方式:,辐射！,探测器是黑体,故有:,探测器加黑体防护罩后,探测器表面除完全吸收能源的热,同时完全吸收由防护罩内侧辐射的能源的热,在将这两热完全辐射时,设此时探测器表面温度