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1、热学第零定律第1页，共32页，编辑于2022年，星期日热力学研究的对象称热力学研究的对象称热力学系统热力学系统（简称（简称系统系统）；系统）；系统以外的一切物质称为外界或环境。以外的一切物质称为外界或环境。二宏观描述与微观描述二宏观描述与微观描述二宏观描述与微观描述二宏观描述与微观描述宏观量宏观量：能反映系统的整体性质，并且可以由实：能反映系统的整体性质，并且可以由实验操作来测定。如气体用验操作来测定。如气体用、三个参量来三个参量来描述。描述。一热力学系统一热力学系统一热力学系统一热力学系统第一节热力学系统的平衡态第一节热力学系统的平衡态第2页，共32页，编辑于2022年，星期日微观量：微观量
2、：描述系统中粒子个体行为的某些物理量，描述系统中粒子个体行为的某些物理量，如粒子的如粒子的坐标、动量、能量坐标、动量、能量等。等。平衡态：平衡态：在不受外界条件影响下，经过足够长时间后，在不受外界条件影响下，经过足够长时间后，系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态。系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态。三平衡态与非平衡态三平衡态与非平衡态三平衡态与非平衡态三平衡态与非平衡态第3页，共32页，编辑于2022年，星期日稳恒态：稳恒态：存在自由热源或离子流情况下，各处宏观状存在自由热源或离子流情况下，各处宏观状态均不随时间变化的状态态均不随时间变化的状态讨论：讨论：稳恒态不是平衡态稳恒
3、态不是平衡态，如金属棒两端分，如金属棒两端分别与冰水混合物及沸水相接触经足够长时间后，别与冰水混合物及沸水相接触经足够长时间后，热流达到某一稳定不变的数值，这时金属棒各处温热流达到某一稳定不变的数值，这时金属棒各处温度不随时间变化，但各处温度不同，所以整个系统度不随时间变化，但各处温度不同，所以整个系统（金属棒）仍处于非平衡态。（金属棒）仍处于非平衡态。AB热热冷冷冰水冰水沸水沸水金属棒金属棒第4页，共32页，编辑于2022年，星期日正确判别正确判别“平衡态平衡态”与与“非平衡态非平衡态”的方法应该的方法应该是是是否存在热流与粒子流是否存在热流与粒子流在自然界中平衡态是相对的、局部的与暂时的，
4、在自然界中平衡态是相对的、局部的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的热力学系统的平衡条件热力学系统的平衡条件热学平衡条件热学平衡条件：系统内部的温度处处相等：系统内部的温度处处相等力学平衡条件力学平衡条件：系统内部各部分之间、系统与外：系统内部各部分之间、系统与外界之间应达到力学平衡界之间应达到力学平衡化学平衡条件化学平衡条件：在无外场作用下系统各部分的化：在无外场作用下系统各部分的化学组成处处相等的学组成处处相等的四热力学平衡四热力学平衡四热力学平衡四热力学平衡第5页，共32页，编辑于2022年，星期日 系统处于平衡态时，可用确定的物理量
5、来表征其属性。系统处于平衡态时，可用确定的物理量来表征其属性。描述系统状态的物理量称为状态参量描述系统状态的物理量称为状态参量常用四种状态参量：常用四种状态参量：几何几何参量、参量、力学力学参量、参量、化学化学参量、参量、电磁电磁参量参量对简单系统，如气体，可以用（对简单系统，如气体，可以用（P P、V V、T T）来描述。）来描述。一般，可用三个宏观量（一般，可用三个宏观量（、）描述的系统，）描述的系统，称为称为简单系统简单系统五状态参量五状态参量五状态参量五状态参量第6页，共32页，编辑于2022年，星期日假设两个热力学系统和，使两系统相假设两个热力学系统和，使两系统相接触（这种接触叫热接
6、触）后达到一个共接触（这种接触叫热接触）后达到一个共同的平衡态，即、彼此达到热平衡。同的平衡态，即、彼此达到热平衡。A AB B绝热壁绝热壁真空真空一一一一.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第二节温度与温度计第二节温度与温度计第7页，共32页，编辑于2022年，星期日假设三个热力学系统、假设三个热力学系统、C CC CBAC CB BA结论结论：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系：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，则它们彼此也处于热平衡。统处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。-热力学热力学第零定律第零定律热力学第零定律的物理意义：热
7、力学第零定律的物理意义：第8页，共32页，编辑于2022年，星期日（）第零定律指出了判别温度是（）第零定律指出了判别温度是否相同的方法。否相同的方法。AB温度的数值表示法叫温度的数值表示法叫温标温标建立一种温标需要包含建立一种温标需要包含三个要素：三个要素：v选择某种测温物质，测定它的测温属性；选择某种测温物质，测定它的测温属性；v选定固定点；选定固定点；v进行分度，即对测温属性随温度的变化关系作出规定。进行分度，即对测温属性随温度的变化关系作出规定。二温标二温标二温标二温标（）互为热平衡的物体之间必存在一个相同的宏观特征。这个决定系（）互为热平衡的物体之间必存在一个相同的宏观特征。这个决定系
8、统热平衡的宏观特征称为统热平衡的宏观特征称为温度温度。一切互为热平衡的物体都具有相同的温一切互为热平衡的物体都具有相同的温度。度。第9页，共32页，编辑于2022年，星期日温度计测温属性定容气体温度计压强定压气体温度计体积铂电阻温度计电阻铂铑热电偶温度计热电动势液体温度计液柱长度表表表表1-11-11-11-1几种常见的温度计几种常见的温度计几种常见的温度计几种常见的温度计摄氏温标由瑞典摄氏温标由瑞典天文学家摄耳修天文学家摄耳修斯（斯（CelsicusCelsicus）于年建立于年建立。以冰的正常熔点。以冰的正常熔点为为，以水的沸，以水的沸点为点为100100问题：问题：用各种不同的摄氏温度计
9、测量同一对象时，所得用各种不同的摄氏温度计测量同一对象时，所得结果是否相同呢？结果是否相同呢？第10页，共32页，编辑于2022年，星期日右图绘出了右图绘出了几种摄氏温几种摄氏温度计在度计在00100100的实验的实验结果结果 由图可见，用不同测温物质（或同一物质的不同测温属由图可见，用不同测温物质（或同一物质的不同测温属性）所建立的摄氏温标，除冰点和汽点外，其它温度并不严性）所建立的摄氏温标，除冰点和汽点外，其它温度并不严格一致。格一致。要义在于要义在于：不同物质或同一物质的不同属性随温度的不同物质或同一物质的不同属性随温度的变化关系不同变化关系不同第11页，共32页，编辑于2022年，星期
10、日三理想气体温度计三理想气体温度计玻意耳定律玻意耳定律(温度不变温度不变)19541954年以后，国际上规定只用一个固定点建年以后，国际上规定只用一个固定点建立标准温标，这个固定点选的是水的三相立标准温标，这个固定点选的是水的三相点，并严格规定它的温度为点，并严格规定它的温度为T3=273.16k。则：则：第12页，共32页，编辑于2022年，星期日气体温度计分两种：定容气体温度计和定压气体温度计气体温度计分两种：定容气体温度计和定压气体温度计如图为定容气体温度计如图为定容气体温度计若保持一定质量的理想气体若保持一定质量的理想气体的体积不变，则的体积不变，则 其中其中 T3、P3 分别是一定质
11、量的理想分别是一定质量的理想气体在水的三相点状态下的温度和气体在水的三相点状态下的温度和压强。压强。第13页，共32页，编辑于2022年，星期日实验表明实验表明：用不同的气体所确定的定容温标，除根据规定：用不同的气体所确定的定容温标，除根据规定对水的三相点的读数相同外，对其它温度读数则有一定对水的三相点的读数相同外，对其它温度读数则有一定差别，但差别不大，当气体极稀薄（即差别，但差别不大，当气体极稀薄（即P P3 3）时，这些）时，这些差别消失。差别消失。同样，通过测量气体的体积也可测得它的温度，同样，通过测量气体的体积也可测得它的温度，相应的温度计叫定压气体温度计相应的温度计叫定压气体温度计
12、 第14页，共32页，编辑于2022年，星期日对理想气体需加一极限条件对理想气体需加一极限条件P P3 3，这以极限温标叫作这以极限温标叫作理想气体温标理想气体温标。定义式为：定义式为：P P P P3 33 3T(p)373.15kT(p)373.15kT(p)373.15kT(p)373.15k第15页，共32页，编辑于2022年，星期日 在热力学第二定律的基础上引入一种温标，它完全不依在热力学第二定律的基础上引入一种温标，它完全不依赖于任何一种测温物质及其测温属性，这种温标称赖于任何一种测温物质及其测温属性，这种温标称热力学温热力学温标标，也称，也称绝对温标或开尔文温标绝对温标或开尔文温
13、标。用这种温标所确定的温度叫用这种温标所确定的温度叫热力学温度热力学温度，用，用表示，单位：表示，单位：在理想气体温标所能确定的温度范围内，理想气体在理想气体温标所能确定的温度范围内，理想气体温标和热力学温标是完全一致的温标和热力学温标是完全一致的四热力学温标四热力学温标四热力学温标四热力学温标第16页，共32页，编辑于2022年，星期日五五五五.摄氏温标和华氏温标摄氏温标和华氏温标摄氏温标和华氏温标摄氏温标和华氏温标摄氏温标所确定的温度用表示，定义为：摄氏温标所确定的温度用表示，定义为：单位：单位：摄氏温标和华氏温标的关系：摄氏温标和华氏温标的关系：水的三相点温度水的三相点温度 t3=0.0
14、1 t=T273.15第17页，共32页，编辑于2022年，星期日例例1 1、某定容气体温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时某定容气体温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时,其中气体的压强为其中气体的压强为50.0 mmHg 问：问：(1)(1)用温度计测用温度计测300K温度时温度时,测温泡内气体的压强测温泡内气体的压强 (2)(2)当测温泡内气体的压强为当测温泡内气体的压强为68.0mmHg时待测的温度时待测的温度.解：解：对于定容气体温度计对于定容气体温度计第18页，共32页，编辑于2022年，星期日 对固定的系统，处于平衡态的各热力学参量之间存对固定的系统，处于平衡态的各热力学参量之间存在确
15、定的函数关系。例如化学纯的气体、液体、固体在确定的函数关系。例如化学纯的气体、液体、固体的温度的温度i 都可分别由各自的压强都可分别由各自的压强i 和体积和体积i 表示，即：表示，即：ii(i，i)或或fi(i，i，i)0其中其中i分别表示气、液、固分别表示气、液、固 处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、温度）之间所满足的函数关系称为该物质的温度）之间所满足的函数关系称为该物质的物态方程物态方程或或状态方程。状态方程。一理想气体状态方程一理想气体状态方程一理想气体状态方程一理想气体状态方程第三节理想气体状态方程第三节理想气体状态方程第
16、19页，共32页，编辑于2022年，星期日二理想气体的状态方程二理想气体的状态方程二理想气体的状态方程二理想气体的状态方程理想气体理想气体实验发现，理想气体严格遵循玻意耳定律、查理定律和实验发现，理想气体严格遵循玻意耳定律、查理定律和盖吕萨克定律在此基础上得到：盖吕萨克定律在此基础上得到：标准状态下，标准状态下，T=273k，P=1.013105Pa，Vmol=22.4 L，可算，可算得：得：R=8.31J.mol-1.k-1=0.082atm.l.k-1mol-1 R R：普适气体常数：普适气体常数若气体不是若气体不是molmol，而是，而是M kg，则摩尔数，则摩尔数M/M/，理想，理想气
17、体状态方程可写为：气体状态方程可写为：第20页，共32页，编辑于2022年，星期日三混合理想气体物态方程三混合理想气体物态方程三混合理想气体物态方程三混合理想气体物态方程道尔顿（道尔顿（DaltonDalton）分压定律：）分压定律：混合气体的压强等于各组分混合气体的压强等于各组分的分压强之和。的分压强之和。数学表达式：数学表达式：P=P+P+Pn由理想气体状态方程和道尔顿分压定律可得：由理想气体状态方程和道尔顿分压定律可得：令混合理想气体的摩尔数为令混合理想气体的摩尔数为，则：，则：则混合理想气体的状态方程为：则混合理想气体的状态方程为：PV=RT第21页，共32页，编辑于2022年，星期日
18、则混合理想气体状态方程则混合理想气体状态方程第22页，共32页，编辑于2022年，星期日玻马定律PV=constant盖吕萨克定律V/T=constant查理定律P/T=constantT不变P不变V不变理想气体状态方程PV=RTPV/T=R =1mol第23页，共32页，编辑于2022年，星期日P0V等温线等温线根据状态方程，系统的压强、体积、温度中任两个量一根据状态方程，系统的压强、体积、温度中任两个量一定，就可确定系统的状态，因此常用定，就可确定系统的状态，因此常用P-V 图中的一条曲线来图中的一条曲线来表表示系统的准静态过程示系统的准静态过程，曲线上任一点都表示气体的一个，曲线上任一点
19、都表示气体的一个平平衡态衡态，这种图叫状态图。，这种图叫状态图。第24页，共32页，编辑于2022年，星期日阿伏伽德罗常数：阿伏伽德罗常数：玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数设：分子质量为设：分子质量为 m，气体分子数为，气体分子数为N，分子数密度，分子数密度 n。理想气体状态方程的另一形式理想气体状态方程的另一形式:第25页，共32页，编辑于2022年，星期日理想气体状态方程：理想气体状态方程：标准状态下的分子密度：标准状态下的分子密度：即在标准状态即在标准状态即在标准状态即在标准状态(压强为压强为压强为压强为1 1大气压大气压大气压大气压,温度为温度为温度为温度为273.15K)273.15K)27
20、3.15K)273.15K)下下下下,单位体积的任何气体包含的分子数为单位体积的任何气体包含的分子数为单位体积的任何气体包含的分子数为单位体积的任何气体包含的分子数为 洛喜密脱数：洛喜密脱数：洛喜密脱数：洛喜密脱数：第26页，共32页，编辑于2022年，星期日例题例题1、一容器内盛有氧气一容器内盛有氧气 0.100kg，其压强为，其压强为1.01310-6 Pa ,温度为温度为320 K，因容器开关缓慢漏气，稍，因容器开关缓慢漏气，稍后测得压强减为原来的后测得压强减为原来的5/8，温度降低到，温度降低到300 K。求（。求（1）容）容器的体积；（器的体积；（2）在两次观测之间漏掉多少氧气。（氧
21、气摩尔）在两次观测之间漏掉多少氧气。（氧气摩尔质量为质量为Mmol=3.210-2 Kg/mol）解：解：（1）由理想气体状态方程）由理想气体状态方程得容器的体积为得容器的体积为：（2）设漏气后剩余氧气为）设漏气后剩余氧气为M2，由，由 第27页，共32页，编辑于2022年，星期日所以漏掉的氧气质量为所以漏掉的氧气质量为第28页，共32页，编辑于2022年，星期日例例2 2、一个长一个长L0.500.50m的圆柱形容器被一质量的圆柱形容器被一质量M M5.05.0kg的绝的绝热活塞隔成两部分，一部分里有质量热活塞隔成两部分，一部分里有质量M M1 16g6g的氢气，另一部的氢气，另一部分有分有
22、M M2 25656kg的氮气，两部分气体的温度均为的氮气，两部分气体的温度均为T T1 1300K300K活塞活塞无摩擦沿容器壁滑动，厚度可忽略。无摩擦沿容器壁滑动，厚度可忽略。试求：试求：（）平衡时，容器两部分的长度）平衡时，容器两部分的长度L和和LH H2 2M M1 1T T1 1M M2 2T T1 1N N2 2L LL L1 1L L2 2解解(1):(1):平衡时两部分气体压平衡时两部分气体压强相等设截面积为强相等设截面积为（）现将容器竖直放置，装有氢气的部分位于上方，若使活（）现将容器竖直放置，装有氢气的部分位于上方，若使活塞正好位于容器的中央，应将氮气加热到多少？塞正好位于
23、容器的中央，应将氮气加热到多少？第29页，共32页，编辑于2022年，星期日H H2 2N N2 2M M1 1T T1 1P P1 1M M2 2T T2 2P P2 2（2 2）：设竖直放置后，氢气压强为）：设竖直放置后，氢气压强为P P1 1，氮气的压强为氮气的压强为P P2 2对于对于N N2 2第30页，共32页，编辑于2022年，星期日对于对于H2，温度不变温度不变(1)(2)(3)将（）（）代入（）中得；将（）（）代入（）中得；H2N2M1T1P1M2T2P2第31页，共32页，编辑于2022年，星期日数据代入上式得数据代入上式得：T2=415K第32页，共32页，编辑于2022年，星期日