热学-第一章-热力学系统的平衡态与温度

第四篇热学基础第一章热力学系统的平衡态与温度第三章热力学第二定律第四章气体分子动理论第二章热力学第一定律主要内容：

热运动:

构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规则运动。单个分子:无序、具有偶然性、遵循力学规律。整体(大量分子):服从统计规律。研究对象外界：热力学系统以外的物体。---------热力学系统

由大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。系统

热现象:自然界中与物体冷热程度有关的现象。

热现象的本质是热运动，即微观粒子的热运动决定了宏观物体的热现象。

例如：物体受热，体积膨胀，电阻变大，固体受热会融化成液体等等。热运动可与其它运动形式的转化热运动电磁运动机械运动电动机蒸汽机电磁炉

研究方法由观察和实验总结出来的热力学规律，不考虑宏观物体内大量微观粒子的微观结构，从能量观点直接研究宏观物体的性质与规律。——热力学方法

从物质的微观结构出发，依据每个分子所遵循的力学规律，用统计的方法研究宏观物体的性质。——统计物理学方法宏观描述微观描述

统计物理学基本原理是：宏观量是相应微观量的统计平均值。

宏观量:表示大量分子集体特征的物理量(可直接测量)，如压强p、体积V、温度T

等等。

微观量:描述个别分子运动状态的物理量(不可直接测量)，如分子的质量、速度、动量、能量等。宏观量微观量统计平均

热力学对热现象给出普遍而可靠的结果，并可用来验证微观理论的正确性。统计物理学给出热现象的本质，得到决定宏观观测量的微观因素，为控制物质性质技术与实验提供理论指导作用。第一章热力学系统的平衡态与温度§1.1宏观物体的微观模型§1.2热力学系统的平衡态§1.3温度

一、宏观物体由大量微观粒子组成§1.1宏观物体的微观模型1mol任何物质包含的分子数为：

NA=6.022045×1023

标准条件下：

1cm3气体中包含1019个分子；1cm3固体和液体中包含1022---1023个分子；

空气中强光束背景下可观察的尘埃微粒线度约为10-4---10-5

，

1cm3气体中包含1011个微粒；二、宏观物体内的分子在不停地运动并与温度有关

在显微镜下观察悬浮在液体中的小颗粒永不停息地运动着，其中任何一个运动都是无规则的或无序的。--------布朗运动布朗运动

1827年，布朗（英国植物学家）

布朗运动的无规则性，反映了液体内部分子运动的无规则性。布朗粒子布朗运动

布朗粒子运动加剧与温度有关，这反映出分子无规则运动的剧烈程度与温度有关。

温度越高，分子的无规则运动就越强烈。这是分子无规则运动的一种规律性。

由于分子的无规则运动与物体的温度有关，所以通常就把这种运动称为分子的热运动。当时，合力为零，称为平衡位置。三、分子之间有相互作用力两个分子之间的相互作用力------分子力。半经验公式：为正，代表排斥力为负，代表吸引力模型：假设分子之间的相互作用具有球对称性。

两个分子之间距离较近，分子力表现为吸引；两个分子之间距离很近，分子力表现为斥力。分子力为保守力

在平衡位置r=r0处，势能有极小值，这个能量称为结合能。

当r<r0时，势能曲线斜率为负，分子力表现为斥力；

当r>r0时，势能曲线斜率为正，分子力表现为引力；

表明：将处于平衡距离的两个分子拆散所需的最少能量。§1.2热力学系统的平衡态一、热力学系统的分类系统分类（按系统与外界交换特点）：系统分类（按系统所处状态）：孤立系统：与外界既无能量又无物质交换封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换开放系统：与外界既有能量交换又有物质交换平衡态系统非平衡态系统

一个不受外界影响的系统，不管它开始的状态如何，经过一定时间后，系统的各种宏观性质不再随时间变化的状态----平衡态。气体状态（p,V,T）就是指平衡态。二、平衡态

平衡条件:(1)系统与外界在宏观上无能量和物质的交换，

(2)系统的宏观性质不随时间改变。非平衡态:

不具备两个平衡条件之一的系统。

状态１到状态２是一个状态变化的过程过程进行的足够缓慢，那么这个过程中每一状态都可近似看作平衡态。

箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越界线，但两侧粒子数相同。例如：粒子数

处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间改变。（2）平衡态是一种热动平衡。说明：（1）

平衡态是一种理想状态。三、状态参量状态参量：描述系统平衡态宏观性质的物理量。常用的状态参量包括以下四类:

几何参量，如体积和应变等；力学参量，如压强和应力等；电磁参量，如电场和磁场强度、电极化与磁化等；化学参量，如组成系统各化学组份的质量、物质的量。物态方程:

理想气体平衡态宏观参量间的函数关系。为系统状态参量若则

只需要体积和压强两个状态参量就能够确定热力学系统的平衡态，这样的系统称之为简单系统。

当热力学系统在外界影响下，从一个状态到另一个状态的变化过程，称为热力学过程，简称过程。热力学过程非静态过程准静态过程

四、热力学过程

在过程进行当中，系统的状态不断发生变化。状态的变化必然要破坏原来的平衡，原来的平衡态被破坏后需要经过一段时间才能达到新的平衡态。这段时间称为弛豫时间。

准静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，如果过程中所有中间态都可以近似地看作平衡态的过程。

非静态过程：系统从一平衡态到另一平衡态，过程中所有中间态为非平衡态的过程。气体等温膨胀气体自由膨胀例：例：气体活塞砂子12

在准静态过程中，系统连续经过的每个中间状态都近似看成平衡态，所以系统每时每刻都有确定的状态参量值。一个准静态过程可用P-V图上一条曲线表示。§1.3温度一、热力学第零定律A、B两体系达到冷热程度相同的状态，即达到共同的热平衡状态AB导热板末态

ABC若A

和

B、B和C分别热平衡，则A和C必定处于热平衡（热力学第零定律）二、温度

处在相互热平衡状态的系统拥有某一共同的宏观物理性质，这个性质称为温度。三、温标温标：温度的数值表示法。经验温标

一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与其它系统处于热平衡。常用温标理想气体温标热力学温标1、经验温标

经验温标的建立，需要三个要素：测温物质、测温属性、规定固定点。其中与无关摄氏温标常用经验温标华氏温标

经验温标规定：标示温度变化的状态参量x，与温度满足线性关系2、理想气体温标（1）玻意耳定律：（2）查理定律：（3）盖-吕萨克定律在温度不太低，压强不太大时，

t为摄氏温标，p0、V0是t=0℃时的值。是气体的压强系数和体积膨胀系数。当气体压强趋于零时引入新的温标T则查理定律和盖-吕萨克定律变为（用理想气体作测温物质）理想气体

规定：纯水、纯冰和水蒸气三相共存的平衡态的温度值为Ttr=273.16，单位为开尔文,用符号K表示。设用ptr和Vtr表示在水的三相点时的值，则

不管是哪种气体，当压强趋于零时，所建立的温标都趋于相同的极限值——理想气体温标3、热力学温标