热学现象的宏观规律

1、AB导热板导热板A A、B B 两系统达到两系统达到 热平衡热平衡 时，两系统具有一个共同时，两系统具有一个共同的宏观性质的宏观性质 温度温度 。温度（温度（T）：互为热平衡的系统所具有的的一个共互为热平衡的系统所具有的的一个共同的宏观性质，称为系统的温度同的宏观性质，称为系统的温度 。温标：温标：温度的定量表示。温度的定量表示。摄氏温标：摄氏温标：t（0C）热力学温标：热力学温标：T（K）15.273Tt热学热学 - 研究物质热现象和热运动规律研究物质热现象和热运动规律1什么是热学什么是热学宏观物体是由大量的微观粒子宏观物体是由大量的微观粒子(分子、原子等分子、原子等)所组所组成的。成的。微

2、观粒子的无规则的运动，称为微观粒子的无规则的运动，称为热运动热运动(thermal motion) 。热学是研究热运动的规律及其对物质宏观性质的热学是研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响，以及与物质其他运动形态之间的转化的物理影响，以及与物质其他运动形态之间的转化的物理学分支。学分支。2热学的分类热学的分类按照研究方法的不同，热学可分为两门学科，即按照研究方法的不同，热学可分为两门学科，即热热力学力学和和统计物理学统计物理学。 热力学热力学是研究物质热运动的是研究物质热运动的宏观宏观规律，从能量的规律，从能量的观点出发，以热力学实验定律为基础，应用数学观点出发，以热力学实验定律为基础，应用

3、数学方法，通过逻辑推理和演绎，来研究热现象的宏方法，通过逻辑推理和演绎，来研究热现象的宏观规律及其应用。观规律及其应用。 优点：优点：结论具有很高的可靠性和普遍性；结论具有很高的可靠性和普遍性； 缺点：缺点：热力学理论不涉及物质的微观结构和粒子热力学理论不涉及物质的微观结构和粒子的运动，把物质看成是连续的，因此不能解释宏的运动，把物质看成是连续的，因此不能解释宏观性质的涨落。观性质的涨落。热力学热力学(thermodynamics) 统计物理学统计物理学是研究物质热运动的微观理论，从是研究物质热运动的微观理论，从“宏观物质系统是由大量微观粒子组成的宏观物质系统是由大量微观粒子组成的”这一这一基

4、本事实出发，认为物质的宏观性质是大量微观基本事实出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子运动的集体表现，认为宏观量是微观量的统粒子运动的集体表现，认为宏观量是微观量的统计平均值。计平均值。 优点优点：它可以把热力学的几个基本定律归结于一：它可以把热力学的几个基本定律归结于一个基本的统计原理，阐明了热力学定律的统计意个基本的统计原理，阐明了热力学定律的统计意义义(揭示了热现象的微观本质揭示了热现象的微观本质)； 缺点：缺点：由于对物质的微观结构所作的往往只是简由于对物质的微观结构所作的往往只是简化的模型假设，因而所得得理论结果往往只是近化的模型假设，因而所得得理论结果往往只是近似的似的(可靠性、普

5、遍性差可靠性、普遍性差)。 气体动理论：气体动理论：以气体为研究对象。以气体为研究对象。统计物理学统计物理学(statistical physics) 1系统系统 外界外界热力学系统热力学系统二、平衡态的几何表式二、平衡态的几何表式1.定义定义2、说明、说明（1）平衡态是一个理想状态，它不同于）平衡态是一个理想状态，它不同于定态定态；（2）平衡态是一种动态平衡；）平衡态是一种动态平衡；（3）对于平衡态，可以用）对于平衡态，可以用p-V 图上的一个点来表示图上的一个点来表示。把用来描述系统宏观状态的物理量称为把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量状态参量。 气体的宏观状态可以用体积气体的宏观

6、状态可以用体积V、压强、压强P和温度和温度T来来描述描述体积体积V 几何参量几何参量压强压强p力学参量力学参量温度温度T热力学参量热力学参量三、状态参量三、状态参量 常用的状态参量有四类：常用的状态参量有四类：1、几何参量，如气体的体积；、几何参量，如气体的体积；2、力学参量，如气体的压强、力学参量，如气体的压强p；3、化学参量、化学参量4、电磁参量、电磁参量1. 气体状态状态参量：压强(P)、体积(V)、温度(T) 压强（压强（p）：作用于容器壁上单位面积的力。作用于容器壁上单位面积的力。体积（体积（V）分子热运动所能达到的空间，即容器体积分子热运动所能达到的空间，即容器体积. 单位：单位：

7、帕斯卡（帕斯卡（Pa）、大气压（）、大气压（atm）、）、 毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）51atm1.013 10 Pa单位：单位：立方米（立方米（m3）、升（）、升（L）=760mmHg1mmHg=133.3PaAB导热板导热板A A、B B 两系统达到两系统达到 热平衡热平衡 时，两系统具有一个共同时，两系统具有一个共同的宏观性质的宏观性质 温度温度 。温度（温度（T）：表征在热平衡物态下系统宏观性质的表征在热平衡物态下系统宏观性质的物理量。物理量。热力学第零定律热力学第零定律 热力学第零定律：热力学第零定律： 如果系统如果系统A、B同时和系统同时和系统C达到热平衡，则系统达到热平衡，则

8、系统A和和B也处于热平衡也处于热平衡热平热平衡的传递性。衡的传递性。达到热平衡的系统具有共同的内部属性达到热平衡的系统具有共同的内部属性温度温度CBA温度的宏观定义：温度的宏观定义：表征系统热平衡时宏观性质的物理量。表征系统热平衡时宏观性质的物理量。温标温标 温度的数值表示法温度的数值表示法。五、温度计及温标五、温度计及温标：1.温标温标：系统冷热程度的数值表示称为温标。2. 经验温标经验温标： 以具体物质的某一特性确定的温标.(摄氏温标） 例如：利用水银的体积随温度的单调变化、金属丝的电阻随温度的变化特性表示温度。 选择选择水银柱长水银柱长随温随温度变化指示温度。度变化指示温度。 水银温度计

9、水银温度计2.2.用水的用水的冰点冰点作为摄作为摄 氏氏零度零度。沸点为沸点为 100度。度。 01020303. 将它们之间分为将它们之间分为100等等 份，每一份为份，每一份为1度。度。 确定温标。确定温标。3.理想气体温标理想气体温标：用理想气体的体积或压强 随温度的单调变化确立的 温标。 定容气体温度计定容气体温度计和和定压气体温度计定压气体温度计分别用压分别用压强和体积来表示温度强和体积来表示温度.0()2 7 3 .1 6limtriiPtrPTPP0()2 7 3 .1 6limtriiPtrVT VV用定容气体温度计或定压气体温度计来实现用定容气体温度计或定压气体温度计来实现t

10、riiPPPT16.273)(T90=t90+273.15 K4.热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）：由卡诺定理：由卡诺定理引进的温标（它不依赖于任何具体物质的引进的温标（它不依赖于任何具体物质的特性。与理想气体温标一致。特性。与理想气体温标一致。热力学温标与摄氏温标的关系热力学温标与摄氏温标的关系摄氏温标：摄氏温标：t 水的冰点水的冰点 0 水的沸点水的沸点 100冰点和沸点之差的百冰点和沸点之差的百分之一规定为分之一规定为1 。 绝对零度：绝对零度： T = 0 K t = - 273.15 水三相点（气态、液态、固态的共存状态）水三相点（气态、液态、固态的共存状态）273.16

11、 KC/tKTC/15.273K/tT2 理想气体物态方程理想气体物态方程 物态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数物态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数关系关系 .222111TVpTVp对一定质量对一定质量的同种气体的同种气体RTMmpV 理想气体理想气体物态方程物态方程理想气体宏观定义理想气体宏观定义：遵守三个实验定律的气体：遵守三个实验定律的气体 .K)J/(mol31. 8 RRTRTMmpVmol 摩尔数摩尔数气体普适常量气体普适常量气体质量气体质量( (kg)气体气体摩尔摩尔质量质量p(atm) ,V(升升)，T（K）K)atm.L/(mol102 . 8-2 Rp(Pa) ,

12、V(m3)，T（K）2 公式适用条件公式适用条件国际单位国际单位气体压强不太大，温度不太低，密度不太高气体压强不太大，温度不太低，密度不太高准静态过程准静态过程111iii2221(,)(,)2(,)p V Tp V Tp V T 热力学过程热力学过程1112221(,)2(,)p V Tp V T系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程系统的热力学过程进行得系统的热力学过程进行得无限缓慢无限缓慢，以致于每一，以致于每一个中间状态都可视为平衡态个中间状态都可视为平衡态p 四、热力学过程四、热力学过程一个点：一个点：表示一个表示一个平衡态平衡态),(111

13、TVp),(222TVp1V2V1p2ppVo12p V 图上图上注意注意一条曲线：一条曲线：表示一个表示一个准静态过程准静态过程往往往往 1无摩擦的准静态过程的功无摩擦的准静态过程的功体积变化的功体积变化的功 以气缸内活塞的运动为例。设缸内气体的以气缸内活塞的运动为例。设缸内气体的压强为压强为P、体积为、体积为V，活塞的面积为，活塞的面积为S，则气，则气体通过作用在活塞上的力体通过作用在活塞上的力F=PS而膨胀，当而膨胀，当系统发生无限小膨胀的准静态过程时，活塞系统发生无限小膨胀的准静态过程时，活塞发生微小位移发生微小位移dx，气体对外作的元功为：，气体对外作的元功为：pdVpsdxFdxA

14、2121VVpdVAA注意：注意：作功与过程有关作功与过程有关 .210VVA210VVA系统对外界作系统对外界作正功正功系统对外界作系统对外界作负功（外负功（外界对系统作正功）界对系统作正功）2功的几何意义功的几何意义P-V图中曲线下的面积为功图中曲线下的面积为功A 1系统与外界作用的两种方式系统与外界作用的两种方式2.热量热量QQ0，系统从外界吸热；，系统从外界吸热； Q0，系统向外界放热，系统向外界放热1T2T21TT Q4. 热容量热容量（1）热容的定义热容的定义 dTQTQCT0lim当系统的质量为单位质量时，它的热容量叫比热容或者比热，用小写当系统的质量为单位质量时，它的热容量叫比

15、热容或者比热，用小写 c 表示表示 当系统的物质的量为当系统的物质的量为1mol时，它的热容量叫摩尔热容，用时，它的热容量叫摩尔热容，用 表示表示 mC（2）定体摩尔热容与定压摩尔热容定体摩尔热容与定压摩尔热容 VVmVdTQCC)(11,ppmpdTQCC)(11,dTCQmVV,)(dTCQmPP,)(有有则系统吸收的热量为不变，温度变化为等体过程，,TCmV则系统吸收的热量为不变，温度变化为等压过程，,TCmpTCQmVV,TCQmpp,1 1、系统与外界绝热隔离、系统与外界绝热隔离 焦耳实验说明，焦耳实验说明，绝热功绝热功与实施绝热过程的途径与实施绝热过程的途径无关，而由状态无关，而由

16、状态1和状态和状态2完全决定。而完全决定。而内能就是内能就是表征某一状态的函数。表征某一状态的函数。系统从平衡态系统从平衡态1经经绝热绝热过程到到平衡态过程到到平衡态2, 内能的内能的增加量为增加量为aAUU12CU BA*pVo021BAUB12A*pVo( , )U UV T( )2iU UTRT 能 量 均 分2 2、系统与外界、系统与外界未未绝热隔离绝热隔离12UUAQ+12UU 系统放热系统放热内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功QA二、热力学第一定律二、热力学第一定律AUUQ12无限小过程无限小过程 dQUW 永永 动动 机机 的

17、的 设设 想想 图图 计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础RTMmRTpV1、（理想气体的（理想气体的共性共性）AUQ)(dd微小变化过程VpUQ2、解决过程中能解决过程中能量转换的问题量转换的问题0dVCTpQU 02121VVpdVAATCQmVV,TCUmV,)(TUU 0dPCTVTCUmV,)()(121221TTRVVppdVARTpVVV)()(1212,TTRTTCAUQmV)(12,TTCQmp又,p mv mCCR,p mv mCC0,TCUmVRTpV21VVpdVA2121VVVVVdVRTVdVRTA12lnVVRTA（1）

18、（2）2112lnlnppRTVVRTA)(12,TTCQmTTmTC,mTC,)(12,TTCQmTTTCUmV,AUQ0AUAUTCUAmV,RCTTRAmV,12)(RTpVRCCmVmP,mVmPmVCCCVPVPA,2211)(mVC,1)(2211,2211VPVPCCCVPVPAmVmPmVRTpV121TTRAAAdUmVC,mVC,mVC,p mv mCCR,p mv mCCmVmVmPCCC, 例例1 设有设有 5 mol 的氢气，最初的压强为的氢气，最初的压强为 温度为温度为 ，求在下列过程中，把氢气压缩为原体积的，求在下列过程中，把氢气压缩为原体积的 1/10 需作的功需作的功: 1）等温过程，）等温过程，2）绝热过程）绝热过程 . 3）经这）经这两过程后，气体的压强各为多少？两过程后