太原理工大学物理李孟16751热力学平衡的基本概念

1、太原理工大学物理系太原理工大学物理系 热学是研究自然界中物质与冷热有关的性质及热学是研究自然界中物质与冷热有关的性质及这些性质变化的规律。这些性质变化的规律。 第二篇第二篇 热学热学一、研究对象一、研究对象由大量分子或原子组成的宏观物体由大量分子或原子组成的宏观物体对象的特征：对象的特征：大量无规运动的粒子组成。大量无规运动的粒子组成。研究对象：研究对象：热力学系统热力学系统系统外的物体称系统外的物体称外界外界 molna/10023. 623阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数太原理工大学物理系太原理工大学物理系一个人每次呼吸气体大约是一个人每次呼吸气体大约是1022个分子。个分子。地球上全部大气约

2、有地球上全部大气约有1044个分子。个分子。宇宙年龄为宇宙年龄为160160亿年。亿年。1 1年年 = = 36586400秒秒107秒。秒。160亿亿年年 1017秒。秒。 “宇宙人宇宙人”1 1秒数秒数100100个分子个分子1017秒秒数数1019个分子个分子不够人呼吸一次不够人呼吸一次热力学系统内分子数量巨大，例热力学系统内分子数量巨大，例“宇宙人宇宙人”数分子数分子太原理工大学物理系太原理工大学物理系 微观描述方法从物质的微观结构出发，微观描述方法从物质的微观结构出发，用用统计平均统计平均的方法，研究热现象及规律的微的方法，研究热现象及规律的微观本质。观本质。 1.1.微观描述方法微

3、观描述方法-统计物理方法统计物理方法 描述一个微观粒子运动状态的物理量称微观量。描述一个微观粒子运动状态的物理量称微观量。如分子质量、速度、位置、能量如分子质量、速度、位置、能量微观量一般不能直接用仪器测量微观量一般不能直接用仪器测量二、热学的研究方法二、热学的研究方法太原理工大学物理系太原理工大学物理系 对于一个系统的状态从整体上加以描述的方法对于一个系统的状态从整体上加以描述的方法称为称为宏观描述宏观描述。2.2.宏观描述方法宏观描述方法-热力学方法热力学方法3.3.宏观方法和微观方法的关系宏观方法和微观方法的关系1 1）宏观量和微观量之间的关系）宏观量和微观量之间的关系宏观量可以直接用仪

4、器测量宏观量可以直接用仪器测量如体积、压强、温度、内能如体积、压强、温度、内能 表征系统状态和属性的物理量称表征系统状态和属性的物理量称宏观量。宏观量。 太原理工大学物理系太原理工大学物理系例气体的压强例气体的压强-单位面积上的正压力单位面积上的正压力 微观上：微观上：单位时间内作用在单位面积上的冲量，单位时间内作用在单位面积上的冲量，千变万化。千变万化。 宏观上：宏观上：有确定的测量值。有确定的测量值。2 2）宏观方法和微观方法之间的关系）宏观方法和微观方法之间的关系 两种方法相辅相成、互相补充。两种方法相辅相成、互相补充。宏观量是相应的微观量的统计平均值宏观量是相应的微观量的统计平均值太原

5、理工大学物理系太原理工大学物理系一、平衡态一、平衡态 在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不在不受外界影响的条件下，系统宏观性质不随时间改变的状态随时间改变的状态( (热动平衡热动平衡) )。5-1 5-1 热力学平衡的基本概念热力学平衡的基本概念第五章第五章 气体分子动理论气体分子动理论二、状态参量二、状态参量 确定热力学系统状态的物理量称为系统的确定热力学系统状态的物理量称为系统的状状态参量。态参量。 系统处于平衡态时，可以用体积系统处于平衡态时，可以用体积v、压强、压强p、温、温度度t这几个宏观状态参量来描述这几个宏观状态参量来描述.太原理工大学物理系太原理工大学物理系1.体积体积v 气

6、体分子无规则热运动能达到的空间称为气体气体分子无规则热运动能达到的空间称为气体的体积的体积.在在si中中,单位是立方米单位是立方米. 1l=10-3m3在在si中中,单位单位:帕斯卡帕斯卡(pa)1pa=1nm-21 atm = 1.013 105pa = 760mmhg2.压强压强p 大量气体分子与器壁碰撞大量气体分子与器壁碰撞,器壁单位面积所受器壁单位面积所受的正压力的正压力.太原理工大学物理系太原理工大学物理系3.温度温度 气体的温度，宏观上表现为气体的冷热程度，气体的温度，宏观上表现为气体的冷热程度，而微观上看它表示的是分子热运动的剧烈程度。而微观上看它表示的是分子热运动的剧烈程度。两

7、物体冷热程度不同两物体冷热程度不同过一段时间能量传递终止过一段时间能量传递终止达到一个共同的平衡态达到一个共同的平衡态-热平衡态热平衡态qab温度的数值表示叫温度的数值表示叫温标温标.太原理工大学物理系太原理工大学物理系摄氏温标与华氏温标的关系摄氏温标与华氏温标的关系15.273tt摄氏温标与热力学温标的关系摄氏温标与热力学温标的关系)c(5932)f(00ttf热力学零度是不可能达到的。热力学零度是不可能达到的。平衡态下状态参量不随时间变化平衡态下状态参量不随时间变化. .太原理工大学物理系太原理工大学物理系三、理想气体状态方程三、理想气体状态方程 实验结果表明：对于一实验结果表明：对于一定

8、的系统，在平衡态下，状定的系统，在平衡态下，状态参量满足一定的关系。这态参量满足一定的关系。这个关系称个关系称状态方程。状态方程。 0),(vptf1. 1. 状态方程的概念状态方程的概念气体的状态方程气体的状态方程pvo),(111tvp),(222tvp太原理工大学物理系太原理工大学物理系玻意耳玻意耳- -马略特定律马略特定律pv=constant盖盖吕萨克定律吕萨克定律v/t=constant查理定律查理定律p/t=constantt不变不变p不变不变v不变不变实验定律实验定律2 2. 理想气体的状态方程理想气体的状态方程理想气体：理想气体：遵守三个实验定律的气体遵守三个实验定律的气体

9、. .太原理工大学物理系太原理工大学物理系设理想气体的质量为设理想气体的质量为m，摩尔质量为，摩尔质量为mmol由三条实验定律导出理想气体的状态方程由三条实验定律导出理想气体的状态方程rtmmpvmolr r称摩尔气体常量，称摩尔气体常量，sisi制中制中j/k.mol318.r 设设m质量的气体包含质量的气体包含 n个分子，每个分子质量个分子，每个分子质量 mnmm 气体质量气体质量太原理工大学物理系太原理工大学物理系可得到理想气体状态方程的另一形式可得到理想气体状态方程的另一形式nktp mnmamol气体的气体的摩尔质量摩尔质量anrk j/k1038. 123 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数vnn 分子数密度分子数密度 太原理工大学物理系太原理工大学物理系 热力学过程：热力学过程：热力学系统从一个状态变化到另一热力学系统从一个状态变化到另一个状态个状态 ,称为热力学过程。称为热力学过程。平衡态平衡态1 1 非平衡态非平衡态平衡态平衡态2 2太原理工大