热学课件完整版本

§1.热力学系统的平衡态和状态参量一、热力学系统作为研究对象的在给定范围内由大量微观粒子组成的体系称为热力学系统（简称系统)。与之相对，能够对所研究的系统发生相互作用的其他体系称为外界（或环境）。

这种相互作用可理解为存在作功、热量传递和粒子数交换。系统的分类：根据系统与外界的关系，可分为开放系（有能量、有物质交换），封闭系（有能量、无物质交换），绝热系，孤立系（无能量、无物质交换）；根据系统的组成成分，可分为单元系，多元系；根据系统组成的均匀性，可分为单相系（均匀系）复相系（非均匀系）。Ch1:平衡态与状态参量热力学和力学的区别:

热学研究方法与其它学科的宏观描述方法不同。例如力学中我们把位置、时间、质量及这三者的组合（如速度、动量、角速度、角动量等）中的某几个独立参数称为物体的力学坐标。利用力学坐标可描述物体任一时刻的整体的运动状态。经典力学的目的就在于找出与牛顿定律相一致的、存在于各力学坐标之间的一般关系。热力学的注意力却指向系统内部:我们把与系统内部状态有关的宏观物理量（诸如压强、体积、温度等）称为热力学参量，也称热力学坐标。热力学的目的就是要求出与热力学各个基本定律相一致的,存在于各热力学参量间的一般关系。热学中一般不考虑系统作为一个整体的宏观的机械运动。若系统在作整体运动，则常把坐标系建立在运动的物体上。例如，对于在作旋转运动的系统，其坐标系取在旋转轴上。二、平衡态与非平衡态系统的状态由系统的热力学参量（压强、温度等）来描述。一般它隐含着这样的假定——系统的各个部分的压强与温度都是处处相等的。隔板刚抽走的瞬间系统处于非平衡态。但是经过并不很长的时间，容器中的气体压强趋于均匀，且不随时间变化，它已处于平衡态。例1：自由膨胀实验:隔板抽走前的平衡态隔板抽走后达到的新平衡态应注意，这里一定要加上“没有外界影响”的限制。非平衡态：在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质可以自发地发生变化的状态。

对平衡态的定义：在没有外界影响的条件下，系统的各个部分的宏观性质在长时间里不发生任何变化的状态。例2：热传导实验

？讨论：这种状态下的金属棒处于平衡态吗？热力学系统为金属棒。有热流不断地从沸水端流向冰水端，经足够长时间，金属棒各处温度不再随时间变化，但在水平方向，各点温度不相等。热流（单位时间流过的热量）虽然不随时间变化，但它始终存在；这种状态下的金属棒仍处于非平衡态。因为热流是由外界影响所致。只要把热流切断就可以排除外界影响，(例如使金属棒不与沸水接触)，金属棒各处温度就要变化。我们把在外界扰动（有热流或粒子流交换）下，宏观性质长期不变的状态称为稳恒态,也称稳态或定（常）态。是否空间各处压强、粒子数密度等不均匀的状态，就一定是非平衡态呢？未必。例如重力场中的等温大气处于平衡态。

不能单纯把是否“宏观性质不随时间变化”或是否“空间分布是否处处均匀一致”看作平衡态与非平衡态的判别标准。

正确判别平衡态的方法应该看是否存在热流与粒子流。因为热流和粒子流都是由系统状态变化或系统受到外界影响引起的。

在自然界中平衡是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。非平衡现象千姿百态、丰富多彩，但也复杂得多，无法精确地予以描述或解析。平衡态才是最简单的、最基本的。三、热力学平衡

系统处于平衡态时应不存在热流与粒子流。热流由系统内部温度不均匀而产生，故可把温度处处相等看作是热学平衡建立的标准。由此得到第一个平衡条件—热学平衡条件：即系统内部的温度处处相等。粒子流有两种:一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子流。这是由气体内部存在压强差异而使粒子群受力不平衡所致。故气体不发生宏观流动的第一个条件是系统内部各部分的受力应平衡。第二个平衡条件—力学平衡条件:即系统内部各部分之间、系统与外界之间应达到力学平衡。在通常情况下（例如在没有外场等），力学平衡反映为压强处处相等。第二种粒子流，它不存在由于成群粒子定向运动所导致的粒子宏观迁移。例3：扩散现象如图所示:氧气氧氮混合气氮气对于非化学纯物质，仅有温度压强这两个参量不能全部反映系统的宏观物征，还应加上化学组成这一热力学参量，扩散就是因为空间各处化学组成不均匀所致。第三个平衡条件—化学平衡条件:系统要建立平衡，还需满足化学平衡条件。

只有在外界条件不变的情况下同时满足力学、热学、化学平衡条件的系统，才不会存在热流与粒子流，才能处于平衡态。化学平衡条件是指：在无外场作用下系统各部分的化学组成也应是处处相同的。平衡态的性质:

处于平衡态的系统，可以用不含时间的宏观坐标（即热力学参量）来描述它。只有处于平衡态的物理上均匀的系统，才可能在以热力学参量为坐标轴的状态图（p-V图、p-T图）上以一个确定的点表示它的状态。处于非平衡态的系统无法用处处均匀的温度T、压强p及化学组成来描述整个系统。总结：热力学平衡条件1、宏观与微观的差别。例：恒温溶液。宏观：系统温度一致；微观：分子不断运动，每个分子的运动速度不同，能量经过碰撞达到动态平衡。标志：动能分布不变。力学平衡：无宏观运动；化学平衡：浓度、物相不变；热学平衡：无能量流动。3、驰豫时间：热力学系统由初始状态达到平衡态

所经历的时间。如果驰豫时间远小于外界变化的时间尺度，可以做平衡态近似。例：活塞运动：<10m/s，气体运动速率：~500m/s。注意：2、只有在系统处于平衡态的条件下，状态参量才有确定的数值和意义。四、状态参量定义：确定热力学系统状态的物理量称为系统的状态参量。几何状态参量：广延量(extensive)：长度(m)，面积(m2,A)，体积(m3,V)；强度量(intensive)：单位物质所占的体积(Vm)。力学状态参量：广延量：重量(Kg),牛顿(N,Kgm/s2)；强度量：密度(r=Kg/m3)，压强(p=N/m2)。新概念热力学状态参量：分子无序运动的剧烈程度的量度。广延量：热量：系统分子总动能的一个量度；强度量：温度：单个分子动能的一个量度。化学状态参量：广延量：分子数(N)，mole:12g12C所含有的原子6.022x1023个；强度量：单位体积所占有的分子个数(mole/m3),物理化学常用：M=mole/dm3。电磁状态参量：电场强度和电极化强度；磁感应强度和磁化强度。一、温度的概念直观定义:

标记物体冷热程度的物理量称为温度。两个处于热平衡的物体冷热程度是相同的，它们的温度也是相同的。本质：温度是组成物体的大量分子无规则运动剧烈程度的表现。这个直观定义并没有揭示温度的本质。热学中最核心的概念是“温度”与“热量”。在科学史上长期以来这些基本概念是混淆不清的（有兴趣可以了解关于量热学的历史）。“但是一经辨别清楚，就使得科学得到飞速的发展。”（爱因斯坦）。§2温度特点：热物理学中最核心的概念是温度和热量。(1)温度是热物理学中特有的物理量；(2)温度是状态参量，(3)温度的高低表示热的程度(强度量），不是热的数量。特点：二、热力学第零定律(1)绝热壁与导热壁

(B)中左边活塞的运动总是不会使右边活塞移动，隔板是绝热壁。(C)中左边活塞的运动可以使右边活塞移动，隔板是导热壁。导热壁绝热壁活塞不动活塞移动（B）（C）夹板（A）

(2）热力学第零定律

如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。热力学第零定律的表述:在不受外界影响的情况下，只要A和B同时与C处于热平衡，即使A和B没有热接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律也被称为热平衡定律。热力学第零定律是从大量实验事实中总结出来的。它不是不言而喻的大实话，为什么？例：A球队赢了B球队，B球队赢了C球队，但A球队未必能赢C球队，还要用实验来发现A队和C球之间的关系。热平衡定律是否勒（Fowler）于1939年提出的。它的出现比热力学第一、第二定律晚，出于公理化的要求，它是两个定律的前提。因为它独立于热力学第一、第二、第三定律，但是它又不能被列在这三个定律之后，故称它为热力学第零定律。三、温标(2)经验温标任何物质的任何属性，只要它随冷热程度发生单调的、较显著的改变，就可用这种属性来计量温度。

温标——温度的数值表示法。1.温标的建立、经验温标(1)要定量地确定温度的数值，还必须给出例p=C，气体或液体的体积随T

↑→V↑V=C，气体或液体的压强随T↑→p↑金属丝的电阻随T↑→R↑光强的亮度随温度T↑→亮度↑所以可有各种各样的温度计，也可有各种各样的温标。这类温标称为经验温标。经验温标包含三个要素：1）测温物质和测温属性：选定作为标准的物质，如：气体、固体；选定测温物质的某物理量作为标记温度的属性。如：气体的体积、压强，固体的电阻、发光强度。要求：与温度有单值的显著的函数关系的物理量，并包括测温曲线。测温曲线一般是直线：（例如水银的体积随温度变化）；2）固定标准点：规定标准点的状态及其温度值。SI:水的三相点为标准点，定为273.16K。对于水银温度计，若选用摄氏温标，则以冰的正常熔点定为0℃，水的正常沸点定为100℃。3)进行分度，即对测温属性随温度的变化关系作出规定（摄氏温标规定0℃到100℃间等分为100小格，每一小格为1℃）。选择不同测量物质或不同测温属性所确定的经验温标并不严格一致。

两种常用的经验温标：摄氏温标、华氏温标在摄氏温标建立之前，1714年德国物理学家华伦海脱（Fahrenhit）也是利用了水银体积随温度变化的属性，建立了华氏温标（“tF”表示），这是世界上第一个经验温标。他把氯化氨、冰、水混合物的熔点定为0℉，冰正常熔点定为32℉，并作均匀分度，由此定出水的正常沸点为212℉。a.华氏温标测温物质：水银测温属性：水银柱长度X定标点：水的冰点：32°F水的沸点：212°F变化关系：b.摄氏温标1742年，摄尔西斯摄氏温标与华氏温标t间的换算关系为选定1atm下水的冰点和沸点为标准点，规定为0℃和100℃

2.理想气体温标

以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积不变时压强与温度成正比关系所确定的温标称为理想气体温标。理想气体温标是根据气体在极低压强下所遵从的普遍规律来确定的，是利用气体温度计来定标的。气体温度计分为定体气体温度计及定压气体温度计两种。常用的是定体气体温度计。定体气体温度计:测温物质：气体测温属性：气体压强固定点：水的三相点关系：

测温泡毛细管保持在同一水平，目的使测温泡中气体的体积不变假设当p=ptr

时，273.16=aptr

则常数a的确定：定压气体温标：T(V)=aV实验发现当时，气体温度计的行为与物质无关。理想气体：分子有质量无体积的体系为理想体系。理想气体的性质与物质无关。无限稀薄的气体是理想气体。无论何种气体，无论是定体还是定压所建立的温标，在气体压强趋于零时,都趋于一共同的极限值,这个极限值的温标为理想气体温标:气体的液化点以下和高温1000℃以上不适用最低温度为1K,用氦为测温质课堂问题：(可以同学之间讨论）1.给出热力学平衡态的定义。并请选择：A.课前你对本问题了解：0%,30%，50%，80%，100%？B.现在你对本问题了解：0%,30%，50%，80%，100%？2.判断平衡态的方法是什么？简述热力学平衡条件。并请选择：A.课前你对本问题了解：0%,30%，50