物理第9章-热力学1xue.ppt

1、热学（Heat）,热学是研究与热现象有关的规律的科学。,由于物体温度的变化而引起物体性质、形态的变化。 热现象是物质中大量分子无规则运动即热运动的集体表现。,水的三态（？）的变化，在1atm下O2在90K的温度下液化，N2的77K的温度下液化，液态H2的温度是20K,一度被视为“永久气体”的氦（He)在4k的温度下也变成了液体。,热运动：,物体中大量分子或原子无规则的运动,热现象：,热现象的例子：热胀冷缩、相变、高温退磁、超导现象。,相变的例子,电磁铁具有很强的磁场，但当其温度超过一定值时，其磁场就消失了。因此在某些应用场合，要注意电磁铁的工作环境的温度。,1911年，荷兰科学家昂纳斯发现了一

2、个意想不到的现象，就是当温度下降到4.2K以下时，水银（Hg）的电阻消失了，物质进入了一种新的物态，称之为超导。,高温退磁,超导现象,除了化学成分外，在物理方面，温度是影响物质性能的主要因素，因此温度是热学中最核心的概念。 太阳中心的温度是107K,这是热核聚变所需的起码温度。太阳表面的温度是6000K,与之对应的辐射光谱，其峰正好在可见光波段。 金星表面的温度为460C,铅和锌将被熔化。 地球表面的平均温度为15 C,109种生物大分子可以在这样的环境生存。,热学的研究方法：,1.宏观法 最基本的实验规律逻辑推理(运用数学) -称为热力学。 优点：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质。,2.微

3、观法. 物质的微观结构 + 统计方法 -称为统计力学 其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论) 优点：揭示了热现象的微观本质。 缺点：可靠性、普 遍性差。,在热学研究中宏观法与微观法相辅相成。,当代科学实验里能产生的最高温度是108K，最低温度是210-8K, 上下跨越了16个数量级。,第九章,热力学基础,常见的一些现象：,1、一壶水开了，水变成了水蒸气。,2、温度降到0以下，液体的水变成了固体的冰块。,3、气体被压缩，产生压强。,4、物体被加热，物体的温度升高。,热现象,9-1 热力学的基本概念,9-1-1 热力学系统,在热力学中把要研究的宏观物体（气体、液体、固体）称为热力学系统 简称系

4、统。如一杯水，汽缸内气体 .,.,系统内它包含极大量的分子、原子。 以阿佛加德罗常数 NA= 61023计。,外界：系统以外与系统有着相互作用的环境,孤立系统：与外界不发生任何能量和物质的热力学系统。,封闭系统： 与外界只有能量交换而没有物质交换的系统。,对热力学系统的两种描述方法：,1. 宏观量 从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。,2. 微观量 描述系统内微观粒子的物理量。 如分子的质量m、 直径 d 、速度 v、动量 p、能量 等。 微观量与宏观量有一定的内在联系。 例如，气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果， 它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。,如 M、V、E 等-可以累

5、加，称为广延量。 P、T 等-不可累加，称为强度量。,状态参量：描述热力学系统状态的物理量。,描述气体的状态参量：压强、体积和温度,垂直作用在单位容器壁面积上的气体压力。,压强（P）：,国际单位：,帕斯卡（Pa = N/m2）,1标准大气压 = 1.01325105（Pa）,= 760 mmHg,体积（V ）：,气体分子自由活动的空间，与分子本身体积的总和完全不同。,国际单位：,米3（m3 ）(注意与毫升的换算）,温度（T）：,温度是表征在热平衡状态下系统宏观性质的物理量。,两热力学系统相互接触，而与外界没有热量交换，当经过了足够长的时间后，它们的冷热程度不再发生变化，则我们称两系统达到了热平

6、衡。,热力学第零定律： 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也处于热平衡。,温度的宏观定义：,表征系统热平衡时宏观性质的物理量。,温标 温度的数值表示法。,摄氏温标：,t ,热力学温标： T K,水的冰点 0 ,水的沸点 100,冰点和沸点之差的百分之一规定为1 。,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）273.16 K,摄氏温标与热力学温标的换算关系：,9-1-2 平衡态 准静态过程,平衡态：一个孤立系统，其宏观性质在经过充分长的时间后保持不变（即其状态参量不再随时间改变）的状态。,注意：如果系统与外界有能量交换，即

7、使系统的宏观性质不随时间变化，也不能断定系统是否处于平衡态。,说明：热平衡是动态平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而因为碰撞， 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。这称为动态平衡。,粒子数是宏观量，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。,热力学过程：热力学系统的状态随时间发生变化的过程。,准静态过程：,状态变化过程进行得非常缓慢，以至于过程中的每一个中间状态都近似于平衡态。,准静态过程的过程曲线可以用P -V 图来描述，图上的每一点都表示系统的一个平衡态。,( PC,VC,TC ),9-1-3 理想气体状态方程,理想气体：在

8、任何情况下都严格遵守“波-马定律”、“盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。,理想气体状态方程：,或摩尔气体常量,标准状态：,标准状态下的分子密度：,称为洛喜密脱数,例：求大气压强随高度 h 变化的规律，设空气的温度不随高度变化。,解：如图，在高度为h处有一薄空气层，在重力和上下压力作用下处于平衡状态。,设空气 为理想气体，则可以得出下式,代入上式,例：求大气压强随高度h 变化的规律，设空气的温度不随高度变化。,h,h,h+dh,dmg,Ps,(P+dP)S,上式称为恒温气压公式，h2Km,说明：珠峰h=8848m,T=273K,P0=1atm 由上式求得P=0.33atm.实际小于此值，原因

9、是温度是变化的且随高度降低。,例2：在较高的范围内大气温度T随高度h的变化可近似地取下述线性关系：T=T0-h 其中T0 为地面温度， 为一常数。试求大气压强随高度变化的关系。,h,h,h+dh,dmg,Ps,(P+dP)S,解：,利用上题,取,例3：求上升到什么高度时，大气压强减到地面的75%，设空气的温度为00C，空气的摩尔质量为0.0289kg/mol。,解：,例4：一个大热气球的容积为2.0104 m3,气球本身和负载质量共4.5103 kg.若其外部空气温度为200C,要想使气球上升，其内部空气最低要加热到多少度？,解：,以0表示标准状况下空气的密度0 =1.29kg/ m3,以1 和2 分别表示热气球外、内空气的密度，则由于热气球外、内压强相等（取1atm),有：,同理：,设此时所需的温度为T2min,具体数据代入上式得,由热气球所受的浮力与负载重量平衡得：,则,例5:一个人呼吸时，若每吐出一口气都在若干时间内（比如几年）均匀地混合到全部大气中去，另一个人吸入的一口气中有多少个分子是那个人在那口气中吐出的？设一个人呼吸一口气的体积为1升，在标准状态下求解。,解：,平方米地面