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1、 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022平衡态理想气体状态方程热力学第零定律 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022第十二章第十二章 气体动理论气体动理论 Kinetic theory of gases12-5
2、能量均分定理能量均分定理 理想气体内能理想气体内能 Equipartition theorem of energy Internal energy of ideal gas12-6 麦克斯韦气体分子速率分布定律麦克斯韦气体分子速率分布定律 The Maxwell distribution law of speed of gas molecule 12-7 玻耳兹曼能量分布定律玻耳兹曼能量分布定律 The Boltzmann distribution law12-8 分子平均碰撞次数和平均自由程分子平均碰撞次数和平均自由程 Mean collision times and mean free p
3、ath of molecular 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/202212-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律一、气体的状态参量一、气体的状态参量1.状态参量状态参量（State parameter）描描述述系系统统状状态态的的变变量量称称为为状状态态参参量量。状状态态参参量量分分为宏观量与微观量为宏观量与微观量。2.宏观量宏观量（macroscopic variable）从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。从整体上描述系统的状态量，一
4、般可以直接测量。(1)广延量广延量如如:质量质量M、体积、体积V 等等,可以累加。可以累加。(2)强度量强度量如如:压强压强P、温度、温度T 等，等，不可累加。不可累加。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/20223.微观量微观量（microcosmic variable）描描述述系系统统内内微微观观粒粒子子的的物物理理量量。如如分分子子的的质质量量m、直径直径 d、速度、速度v、能量、能量 等。等。4.宏观量和微观量的关系宏观量和微观量的关系 宏宏观观量量与与微微观观量量有有一一定定的的内内在在
5、联联系系。气气体体是是一一个个宏宏观观的的热热力力学学系系统统。组组成成气气体体的的分分子子或或原原子子都都是是微微观观粒粒子子，它它们们构构成成了了很很多多不不同同的的微微观观状状态态。即即宏宏观观的的热热力学系统包含了大量不同的微观状态力学系统包含了大量不同的微观状态。例例如如，气气体体的的压压强强是是大大量量分分子子撞撞击击器器壁壁的的平平均均效果，它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。效果，它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/20225.气体的状态参量
6、气体的状态参量（State parameter of gas）对对于于一一定定质质量量(M)的的气气体体，它它的的状状态态一一般般可可以以用用下列三个量来表示。下列三个量来表示。(1)气体所占的体积气体所占的体积V 是是气气体体分分子子所所能能达达到到的的空空间间,与与气气体体分分子子本本身身体体积的总和是完全不同的；积的总和是完全不同的；(2)压强压强P 气气体体作作用用在在容容器器壁壁单单位位面面积积上上的的指指向向器器壁壁的的垂垂直作用力，是气体分子对器壁碰撞的宏观表现；直作用力，是气体分子对器壁碰撞的宏观表现；大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程
7、热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022(3)温度温度T 与与物物质质分分子子运运动动密密切切相相关关，温温度度的的不不同同反反映映物物质质内部分子运动剧烈程度的不同。内部分子运动剧烈程度的不同。6.状态参量描述的状态状态参量描述的状态 只只有有平平衡衡态态才才可可用用状状态态参参量量来来描描述述，否否则则，非非平平衡衡态态中中的的各各个个状状态态参参量量都都在在不不断断变变化化，无无法法用用统统一一的的参量来描述系统的状态。参量来描述系统的状态。我们我们主要研究平衡态的热学规律主要研究平衡态的热学规律。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气
8、体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022二、理想气体状态方程二、理想气体状态方程 State equation of ideal gas1.理想气体理想气体 在在任任何何条条件件下下都都严严格格遵遵守守三三条条实实验验定定律律(波波义义耳耳定定律律、盖盖吕吕萨萨克克定定律律和和查查理理定定律律)的的气气体体，称称为为理理想想气气体。是一种理想化的物理模型。体。是一种理想化的物理模型。2.实际气体实际气体 压压强强不不太太大大(与与大大气气压压相相比比)，温温度度不不太太低低(与与室室温温相比相比)的条件下的条件下,可近似地看成理想气体可近似地看成理想气体。
9、3.气体的状态方程气体的状态方程 反反映映气气体体的的压压强强、体体积积和和温温度度之之间间的的关关系系式式称称为为气体的状态方程气体的状态方程。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022 v气体的摩尔数；气体的摩尔数；摩尔质量，摩尔质量，R摩尔气体常量，摩尔气体常量，R=8.31J/molK。4.理想气体的状态方程理想气体的状态方程5.理想气体的等温线理想气体的等温线 当当气气体体的的温温度度一一定定，P、V 之之间间的的关关系系曲曲线线称称为为理理想想气气体体的的等等温温线线。是是一一条等轴
10、的双曲线。条等轴的双曲线。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022三三、热力学第零定律热力学第零定律1.热力学系统热力学系统(Thermodynamics system)在在热热力力学学中中，一一般般把把所所研研究究的的物物体体或或物物体体组组称称为为热力学系统热力学系统，简称为，简称为系统系统。2.外界外界 热力学系统以外的物体称为热力学系统以外的物体称为外界外界。3.热力学系统的分类热力学系统的分类(1)孤立系统孤立系统 与与外外界界没没有有任任何何联联系系(即即没没有有任任何何能能量量或
11、或物物质质的的交交换换，或或者者联联系系微微弱弱，影影响响可可以以忽忽略略不不计计)的的热热力力学学系系统统称为称为:孤立系统孤立系统。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022(2)封闭系统封闭系统 与与外外界界只只有有能能量量的的交交换换而而没没有有物物质质的的交交换换的的热热力力学学系系统统称为称为:封闭系统封闭系统。(3)开放系统开放系统 与外界既有能量交换又有物质交换的热力学系统称为与外界既有能量交换又有物质交换的热力学系统称为:开放系统开放系统。4.热力学的平衡态热力学的平衡态(1)
12、热力学的平衡状态热力学的平衡状态 一一个个孤孤立立的的热热力力学学系系统统，无无论论其其初初始始的的情情况况多多么么复复杂杂，只只要要经经过过足足够够长长的的时时间间，系系统统都都会会达达到到某某种种特特定定的的状状态态，在在这这种种状状态态下下孤孤立立系系统统的的宏宏观观性性质质(温温度度、压压强强、体体积积)在在长长时时间内不会发生任何变化。这种状态称为间内不会发生任何变化。这种状态称为热力学的平衡状态热力学的平衡状态。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022(2)热动平衡热动平衡 热热力
13、力学学的的平平衡衡状状态态又又称称为为热热动动平平衡衡。因因为为组组成成系系统统的的分分子子或或原原子子仍仍在在作作永永不不停停息息的的热热运运动动，而而且且因因为为碰碰撞撞，每每个个分分子子的的速速度度经经常常在在变变，但但是是系系统统的的宏宏观观量量不随时间改变。宏观上表现为平衡态。不随时间改变。宏观上表现为平衡态。5.热力学的平衡态的特点热力学的平衡态的特点(1)系统的宏观性质系统的宏观性质(温度、压强等温度、压强等)不随时间变化。不随时间变化。(2)组成系统的分子或原子在平衡态时仍然处在不停的组成系统的分子或原子在平衡态时仍然处在不停的 运动中。运动中。(3)不同的热力学平衡系统，具有
14、不同的宏观物理性质不同的热力学平衡系统，具有不同的宏观物理性质 (温度、压强等温度、压强等)。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/20226.热平衡与平衡过程热平衡与平衡过程(1)绝热和透热绝热和透热 如果被某器壁隔开的两个热力学系统之间，在不如果被某器壁隔开的两个热力学系统之间，在不发生物质交换和力的相互作用的前提下，发生物质交换和力的相互作用的前提下，两个系统的两个系统的状态可以独立的变化状态可以独立的变化，称这两个系统之间是，称这两个系统之间是绝热的绝热的，否则就是否则就是透热透热的。的。(
15、2)热接触热接触 两个通过两个通过透热物体透热物体(透热壁透热壁)而相互接触的系统称而相互接触的系统称为为热接触热接触。(3)热平衡热平衡(系统之间的热平衡系统之间的热平衡)大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/2022(4)平衡过程平衡过程 从一个状态到另一个状态的变化过程如果进展的从一个状态到另一个状态的变化过程如果进展的十分缓慢十分缓慢，所经历的一系列中间状态都，所经历的一系列中间状态都无限接近平衡无限接近平衡态态，这个过程就称为，这个过程就称为平衡过程，又称准静态过程平衡过程，又称准静态过程
16、。(5)实际过程实际过程 在在实实际际问问题题中中，除除了了一一些些进进行行极极快快的的过过程程(如如爆爆炸炸过过程程)外外，大大多多数数情情况况下下都都可可把把实实际际过过程程近近似似看看成成是是准准静态过程。静态过程。大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/20227.热平衡定律热平衡定律(热力学第零定律热力学第零定律)同时与同时与第三个第三个系统达到热平衡的系统达到热平衡的两个系统两个系统也必处于也必处于热平衡状态之中。这一经验规律称为热平衡状态之中。这一经验规律称为热平衡定律热平衡定律，也称，
17、也称为为热力学第零定律。热力学第零定律。热平衡定律是热力学中的一条重要的基本规律热平衡定律是热力学中的一条重要的基本规律。如果如果A 和和C 处处于热平衡状态于热平衡状态B 和和C 也处于也处于热平衡状态热平衡状态则则A 和和B 也处也处于热平衡状态于热平衡状态 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 11/12/20228.温度温度 根根据据热热平平衡衡定定律律可可以以证证明明：热热力力学学系系统统存存在在一一个个可可以以由由系系统统状状态态决决定定的的函函数数，对对于于处处于于热热平平衡衡条条件件下下的的两两个个热热力力学学系系统统，该该函函数数值值相相等等。这这个个由由系系统统状状态态所所决决定定的函数被称为的函数被称为温度温度。从从热热力力学学的的角角度度讲讲：温温度度是是可可以以用用来来标标志志两两个个热热力力学系统是否达到热平衡的物理量学系统是否达到热平衡的物理量。9.温标温标 在热力学中，把温度的数值表示法称为温标。在热力学中，把温度的数值表示法称为温标。