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1、第1章 温度本讲稿第一页，共二十二页第一章第一章 温温 度度Temperature本讲稿第二页，共二十二页本章主要内容本章主要内容1-11-1 平衡态平衡态1-21-21-21-2 温度的概念温度的概念1-31-3 理想气体温标理想气体温标1-41-41-41-4 理想气体状态方程理想气体状态方程本讲稿第三页，共二十二页第一章第一章 温度温度第一章第一章 温温 度度系统系统外界外界热热学学研研究究宏宏观观物物体体（大大量量分分子子原原子子系系统统，热热力力学学系系统统）与热现象有关的性质和规律。与热现象有关的性质和规律。与热现象相关的宏观物体称与热现象相关的宏观物体称为为热力学系统热力学系统热
2、力学系统热力学系统。系统以外的物体。系统以外的物体称为称为外界外界外界外界。如何描述和研究？如何描述和研究？热现象的本质？热现象的本质？大量粒子无规则热运动。大量粒子无规则热运动。热力学热力学 统计力学统计力学核心概念：核心概念：温度温度本讲稿第四页，共二十二页1-1 1-1 平衡态平衡态Equilibrium State本讲稿第五页，共二十二页1-1 平衡态平衡态描述宏观系统状态的物理量称为描述宏观系统状态的物理量称为宏观量宏观量宏观量宏观量，也称，也称状态参量状态参量。如：。如：气体的状态参量有气体的状态参量有压强压强、体积体积和和温度温度。宏观量与微观量宏观量与微观量宏观量与微观量宏观量
3、与微观量AvogadroAvogadro常数常数：NA=6.0221023/mol（1mol任何物质的分任何物质的分子数）。一般分子的限度在子数）。一般分子的限度在10-9m以下。因此，一个热力学系统包以下。因此，一个热力学系统包含含大量大量的微观粒子。的微观粒子。描述分子原子运动状态的物理量称为描述分子原子运动状态的物理量称为微观量微观量微观量微观量。如：分子的运动。如：分子的运动速率、动量、动能等。速率、动量、动能等。“宏观小微观大宏观小微观大”是指当宏观量（如体积）取很小值时，仍包含大是指当宏观量（如体积）取很小值时，仍包含大量的微观粒子，大到仍可以用量的微观粒子，大到仍可以用统计方法统
4、计方法处理。处理。宏观量往往相对稳定，而微观量相对随机；宏观量可以用微观量宏观量往往相对稳定，而微观量相对随机；宏观量可以用微观量的统计平均值来表示。的统计平均值来表示。本讲稿第六页，共二十二页1-1 平衡态平衡态气体的状态参量有气体的状态参量有压强压强、体积体积和和温度温度。定义：。定义：平衡态平衡态压强压强压强压强气体对单位面积容器壁的作用力。气体对单位面积容器壁的作用力。单位：单位：Pa体积体积体积体积气体占据空间（容器）的体积。气体占据空间（容器）的体积。单位：单位：m3温度的概念下节讨论温度的概念下节讨论平衡态平衡态在不受外界影响的条件下，经过足够长的时间后，一在不受外界影响的条件下
5、，经过足够长的时间后，一个系统的宏观性质不随时间改变的状态。个系统的宏观性质不随时间改变的状态。(如气体的压强、体积和温度不随时如气体的压强、体积和温度不随时间变间变)严严格格定定义义：对对于于一一个个孤孤立立系系统统，系系统统的的无无序序程程度度最最大大（最最混混乱乱）的的状态，称为平衡态。状态，称为平衡态。平衡态判据：平衡态判据：系统内部温度系统内部温度、压强均匀、压强均匀本讲稿第七页，共二十二页例例.平衡态和稳定态平衡态和稳定态平衡态平衡态T1 T1稳定态稳定态 T1 T2稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。哪个是平衡态？哪个是平衡态？T1T2不受外界
6、影响是指系统与外界不受外界影响是指系统与外界不不通过做功或传热的方式通过做功或传热的方式交换能量。交换能量。两头分别处于冰水、沸水中的金属棒是一两头分别处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态；种稳定态，而不是平衡态；本讲稿第八页，共二十二页1-1 平衡态平衡态 气体的状态方程气体的状态方程实验表明，气体处于平衡态时，三个状态参量实验表明，气体处于平衡态时，三个状态参量 p、V、T 中，中，只有两个是独立的，状态参量之间必定满足一个函数只有两个是独立的，状态参量之间必定满足一个函数气体的气体的状状状状态方程态方程态方程态方程。理论上常用（理论上常用（p,V）来表示某平衡）来表示某平衡
7、态的状态，因此可以用图上的实点来代表态的状态，因此可以用图上的实点来代表确定的平衡态。确定的平衡态。一个平衡态到另一个平衡态的变化过程称为一个平衡态到另一个平衡态的变化过程称为热力学过程热力学过程。准静态过程准静态过程 非准静态过程非准静态过程.(p,V)本讲稿第九页，共二十二页系统从某状态开始经历一系列的中间状态系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。到达另一状态的过程。热力学过程热力学过程2 21 1准静态过程准静态过程在过程进行的每一时刻，系统都无限在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。地接近平衡态。每一微小过程均是平衡过程每一微小过程均是平衡过程非准静态过程非准
8、静态过程系统经历一系列非平衡态的过程系统经历一系列非平衡态的过程“准静态过程准静态过程”平衡态平衡态本讲稿第十页，共二十二页1-2 1-2 温度的概念温度的概念Concept of Temperature本讲稿第十一页，共二十二页1-2 温度的概念温度的概念温度是热学特有的物理量温度是热学特有的物理量而压强和体积不是而压强和体积不是（力学量和几何量）（力学量和几何量）。（当两个具有相同压强和体积的气体，但它们的热力学性质并不。（当两个具有相同压强和体积的气体，但它们的热力学性质并不完全相同。）完全相同。）因此因此,必须引入新的描述气体热力学性质的物理量，即温度。必须引入新的描述气体热力学性质的
9、物理量，即温度。温度是平衡态的温度是平衡态的参量和量度参量和量度，是区别平衡态的重要标志。因此，是区别平衡态的重要标志。因此先引入热平衡概念：先引入热平衡概念：热平衡的概念热平衡的概念热平衡的概念热平衡的概念两个孤立系统分别达到了平衡态，相互接触（容器的导热面接触，可相两个孤立系统分别达到了平衡态，相互接触（容器的导热面接触，可相互交换能量），各自的状态会发生变化，经足够长时间又达到新的平衡态，互交换能量），各自的状态会发生变化，经足够长时间又达到新的平衡态，称这两个系统处于称这两个系统处于热平衡热平衡热平衡热平衡。抽去绝热隔板抽去绝热隔板绝热板绝热板导热板导热板导热板导热板本讲稿第十二页，共
10、二十二页1-2 温度的概念温度的概念 热力学第零定律与温度热力学第零定律与温度定律定律：如果系统：如果系统A与系统与系统C处于热平衡，同时处于热平衡，同时B系统也与系统系统也与系统C处处于热平衡，则系统于热平衡，则系统A与系统与系统B也处于热平衡。也处于热平衡。定律表明，任意两个系统处于热平衡，意味着它们具有某种共同定律表明，任意两个系统处于热平衡，意味着它们具有某种共同热力学性质，可以引入一个物理量来描述这种物理性质，即：热力学性质，可以引入一个物理量来描述这种物理性质，即：温度温度决定一个系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质。决定一个系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质。说明：说明：借
11、助热力学第零定律引入温度概念，这是宏观上对借助热力学第零定律引入温度概念，这是宏观上对 温度的温度的定性定义定性定义。处于热平衡的诸个系统具有相同的温度。处于热平衡的诸个系统具有相同的温度。温度的测量也是基于热力学第零定律实现的。温度的测量也是基于热力学第零定律实现的。本讲稿第十三页，共二十二页1-3 1-3 理想气体温标理想气体温标Temperature Scale of an Ideal Gas本讲稿第十四页，共二十二页1-3 理想气体温标理想气体温标为对温度定量测量，就必须用数值来表示温度。标定温度数值的方法为对温度定量测量，就必须用数值来表示温度。标定温度数值的方法称为称为温标温标。理
12、想气体温标是其中的一种。理想气体温标是其中的一种。Boyle定律定律定律定律：当压强很小时，对于一定量气体，在温度不变：当压强很小时，对于一定量气体，在温度不变的条件下，它的压强与体积成反比，即的条件下，它的压强与体积成反比，即pV=常量常量(定值，定值，T 不变不变)BoyleBoyle定律和理想气体定律和理想气体理想气体理想气体理想气体理想气体严格遵从严格遵从Boyle定律的气体，是一种理想模型定律的气体，是一种理想模型。（p 0 时实际气体的近似时实际气体的近似）。）。理想气体温标理想气体温标对于理想气体，可以对于理想气体，可以规定规定：pV T(定值），于是有定值），于是有常量常量 本
13、讲稿第十五页，共二十二页1-3 理想气体温标理想气体温标规定一个规定一个标准温度定点标准温度定点纯水的三相点，即：冰、水、汽共纯水的三相点，即：冰、水、汽共存的系统所达到的平衡态。统一规定三相点的温度为存的系统所达到的平衡态。统一规定三相点的温度为:Ttr 273.16K设有一定量理想气体，它在水的三相点温度下的压强和体设有一定量理想气体，它在水的三相点温度下的压强和体积分别为积分别为ptr和和Vtr，则有，则有(定值定值)定体温度计定体温度计 V=Vtr定压温度计定压温度计 p=ptr 理想气体温标存在一个最低温度的极限。如选择氦气理想气体温标存在一个最低温度的极限。如选择氦气He最低最低极
14、限为极限为1K。本讲稿第十六页，共二十二页1-3 理想气体温标理想气体温标 热力学温标热力学温标 摄氏和华氏温标摄氏和华氏温标 气体温标虽不依赖于气体的个性，但毕竟依赖于某种测温物气体温标虽不依赖于气体的个性，但毕竟依赖于某种测温物质，而温度本身并不要求如此。质，而温度本身并不要求如此。在热力学第二定律的基础上，可以引入一种不依赖于任何测温在热力学第二定律的基础上，可以引入一种不依赖于任何测温物质特性的温标，即物质特性的温标，即热力学温标热力学温标热力学温标热力学温标（也称（也称Kelvin温标）温标），用此温标确，用此温标确定的温度称为定的温度称为热力学温度热力学温度热力学温度热力学温度。单
15、位：单位：K（Kelvin）1K=水的三相点的热力学温度的水的三相点的热力学温度的1/273.16。可以证明，理想气体温标在其所能确定的温度范围内，与热力可以证明，理想气体温标在其所能确定的温度范围内，与热力学温标完全一致。学温标完全一致。都用都用T 表示、表示、K 作单位。作单位。摄氏温标摄氏温标 (Celsius)：华氏温标华氏温标(Fahrenherit)：本讲稿第十七页，共二十二页1-4 1-4 理想气体状态方程理想气体状态方程Equation of State of an Ideal Gas本讲稿第十八页，共二十二页1-4 理想气体状态方程理想气体状态方程对理想气体（对理想气体（p
16、0），取标准状态（），取标准状态（p0,T0）为参考：）为参考：AvogadroAvogadro定律定律定律定律：在一定的：在一定的压强和温度下（压强趋于零），压强和温度下（压强趋于零），1mol1mol任何气体的体积都相同。任何气体的体积都相同。普适气体常数普适气体常数（水的冰点温度）（水的冰点温度）由由Avogadro定律可知，标准状态的摩尔体积定律可知，标准状态的摩尔体积Vmol,0是是普适普适的：的：，于是令，于是令理想气体状态方程理想气体状态方程：本讲稿第十九页，共二十二页1-4 理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体状态方程还可以表示为：理想气体状态方程还可以表示为：引入引入分子
17、数密度分子数密度分子数密度分子数密度：和和BoltzmannBoltzmann常数常数常数常数：理想气体状态方程也使用于理想气体状态方程也使用于混合气体混合气体，如空气。，如空气。平均摩尔质量平均摩尔质量平均摩尔质量平均摩尔质量本讲稿第二十页，共二十二页 例例 一容器内贮有氧气一容器内贮有氧气0.100kg，压强为，压强为10atm，温度为，温度为47C。因容器漏气，过一。因容器漏气，过一段时间后，压强减到原来的段时间后，压强减到原来的5/8，温度降到，温度降到27C。若把氧气近似看作理想气体，问：。若把氧气近似看作理想气体，问：（1）容器的容积为多大？（）容器的容积为多大？（2）漏出了多少氧气？）漏出了多少氧气？解：氧气的摩尔质量为解：氧气的摩尔质量为 M=32.0 10-3 kg/mol。设原来状态为设原来状态为(p,V,T)，后来的，后来的状态为状态为(p,V,T)。（1）由）由理想气体状态方程：理想气体状态方程：（2）漏气后剩下的氧气质量为）漏气后剩下的氧气质量为m漏出的氧气质量为漏出的氧气质量为本讲稿第二十一页，共二十二页本章结束本章结束The End of This Chapter本讲稿第二十二页，共二十二页