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1、热学热学 热学热学是研究与热现象有关的规律的科学。是研究与热现象有关的规律的科学。热现象：热现象：与温度有关的现象与温度有关的现象 是物质中大量分子无规则运动的集体表现。是物质中大量分子无规则运动的集体表现。大量分子的无规则运动称为大量分子的无规则运动称为热运动。热运动。研究对象：研究对象：宏观物体宏观物体热力学系统热力学系统研究内容：研究内容：宏观物体的冷热性质以及冷热变化规律宏观物体的冷热性质以及冷热变化规律研究方法：研究方法：根据根据热力学系统热力学系统状态的状态的描述方法，描述方法，热学研究分为两个分支热学研究分为两个分支热力学热力学统计物理学统计物理学热力学热力学统计物理学统计物理学
2、采取宏观描述方法，根据实验确定的基本规律，采取宏观描述方法，根据实验确定的基本规律，运用逻辑推理运用逻辑推理(运用数学运用数学)来研究热力学系统的规律来研究热力学系统的规律 -称为称为热力学热力学。优点：可靠、普遍。优点：可靠、普遍。缺点：未揭示微观本质缺点：未揭示微观本质。采取微观描述方法，从物质的微观结构出发，采取微观描述方法，从物质的微观结构出发，运用统计方法来研究热力学系统的规律运用统计方法来研究热力学系统的规律 -称为称为统计力统计力学学 优点：揭示了热现象的微观本质。优点：揭示了热现象的微观本质。缺点：可靠性、普遍性差。缺点：可靠性、普遍性差。（其初级理论称为（其初级理论称为气体分
3、子运动论气体分子运动论）第一章第一章 温度温度1.1 宏观与微观宏观与微观(热力学系统的状态描述热力学系统的状态描述)一热力学系统一热力学系统 二热力学系统状态的描述二热力学系统状态的描述 三平衡态三平衡态 四状态参量四状态参量 1.2 温度的概念温度的概念1.3 理想气体的温标理想气体的温标1.4 理想气体状态方程理想气体状态方程 一理想气体一理想气体 二理想气体状态方程二理想气体状态方程作业：作业：1.5、1.7、1.91.1 宏观与微观宏观与微观(热力学系统的状态描述热力学系统的状态描述)一热力学系统一热力学系统把把热学研究的对象热学研究的对象宏观物体称作宏观物体称作热力学系统热力学系统
4、 简称简称系统系统特征：特征：由由大量大量运动着的分子和原子组成运动着的分子和原子组成分类：分类：物态物态热力学系统与外界关系热力学系统与外界关系气体、液体、固体气体、液体、固体以以阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数 NA=6.2210 23 计计按热力学系统与外界关系分类按热力学系统与外界关系分类孤立系统：孤立系统：封闭系统：封闭系统：开放系统：开放系统：系统与外界无质量和能量交换系统与外界无质量和能量交换系统与外界无质量交换但有能量交换系统与外界无质量交换但有能量交换系统与外界既有质量又有能量交换系统与外界既有质量又有能量交换外界：外界：热力学系统以外的物体称为外界。热力学系统以外的物体称为外界
5、。例如：例如：汽缸内气体为系统，汽缸内气体为系统，其它为外界其它为外界二热力学系统状态的描述二热力学系统状态的描述为了研究系统的性质和变化，为了研究系统的性质和变化，首先看看如何描述系统的状态首先看看如何描述系统的状态1.宏观描述方法宏观描述方法2.用一些可以直接测量的量来描述系统的宏观性质。用一些可以直接测量的量来描述系统的宏观性质。3.如宏观物体的如宏观物体的体积、压强、温度、质量体积、压强、温度、质量等等.4.这些物理量称作这些物理量称作宏观量宏观量;热力学采取的就是热力学采取的就是宏观描述方法宏观描述方法,用用宏观量宏观量描述的热力学系统的状态称为描述的热力学系统的状态称为宏观态宏观态
6、.2.微观描述方法微观描述方法3.给出系统中每个分子的力学物理量。给出系统中每个分子的力学物理量。4.如分子的如分子的质量质量m、直径直径 d、速度速度 v、5.动量动量 p、能量能量 等等 这些物理量称作这些物理量称作微观量微观量，一般是无法测量的。，一般是无法测量的。统计物理采取的是统计物理采取的是微观描述方法微观描述方法 用大量分子的用大量分子的微观量微观量的集合的集合 来描述热力学系统的状态来描述热力学系统的状态 称为称为微观态微观态微观量与宏观量有一定的内在联系：微观量与宏观量有一定的内在联系：宏观量是微观量的统计平均值宏观量是微观量的统计平均值 例如：例如：气体的压强是大量分子撞击
7、器壁的平均效果，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。它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。一般的情况下，由于外界对系统的影响总是存在的，一般的情况下，由于外界对系统的影响总是存在的，系统的状态随时间变化。系统的状态随时间变化。研究一种理想状态研究一种理想状态平衡态平衡态三平衡态三平衡态在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间改变的状态，称为不随时间改变的状态，称为平衡态平衡态。1.平衡态的定义平衡态的定义说明：说明：v “不受外界影响不受外界影响”处于平衡态的系统不与外界发生质量和能量交换，处于平衡态的系统不
8、与外界发生质量和能量交换，描述的热力学系统的状态的描述的热力学系统的状态的宏观量宏观量不随时间而变化，空间上处处相同不随时间而变化，空间上处处相同v 平衡态只是一种宏观上的寂静状态，平衡态只是一种宏观上的寂静状态，在微观上系统并不是静止不变的。在微观上系统并不是静止不变的。在平衡态下，组成系统的大量分子还在不停地运动着，在平衡态下，组成系统的大量分子还在不停地运动着，这些微观运动的效果也随时间不停地急速地变化着，这些微观运动的效果也随时间不停地急速地变化着，只不过大量分子总效果不随时间变化罢了。只不过大量分子总效果不随时间变化罢了。因此从微观统计的角度讲，平衡态应理解为因此从微观统计的角度讲，
9、平衡态应理解为动态平衡动态平衡这里有一充满气体的箱子，箱子假想分成体积这里有一充满气体的箱子，箱子假想分成体积相同的两部分，考察两部分的相同的两部分，考察两部分的粒子数粒子数宏观量宏观量如图如图达到平衡时，尽管两侧有粒子穿越虚线，达到平衡时，尽管两侧有粒子穿越虚线，但在宏观上可测的时间间隔内，两侧粒子数相同。但在宏观上可测的时间间隔内，两侧粒子数相同。事实上不能保证任一时刻两侧粒子穿越虚线的数目事实上不能保证任一时刻两侧粒子穿越虚线的数目完全相同，因此两侧粒子数不可能严格相同完全相同，因此两侧粒子数不可能严格相同，把这一现象称作把这一现象称作涨落现象涨落现象，平衡态时的粒子数只不过是大量分子的
10、时间平均值，平衡态时的粒子数只不过是大量分子的时间平均值，任一时刻粒子数与平均值的差值称作任一时刻粒子数与平均值的差值称作涨落涨落。动态平衡动态平衡v 平衡态是一个理想化模型平衡态是一个理想化模型由于实际的热力学系统总要受到外界的影响，由于实际的热力学系统总要受到外界的影响，所以不随时间变化的平衡态是不存在的，所以不随时间变化的平衡态是不存在的，平衡态是一个理想概念，平衡态是一个理想概念，是在一定条件下对实际情况的概括和抽象。是在一定条件下对实际情况的概括和抽象。在许多实际问题中，往往可以把系统的实际状态在许多实际问题中，往往可以把系统的实际状态近似地当作平衡态来处理。近似地当作平衡态来处理。
11、四状态参量四状态参量 处于平衡态的系统，系统的宏观性质可以用宏观量处于平衡态的系统，系统的宏观性质可以用宏观量来完全描述，来完全描述，如如体积体积、浓度、浓度、压强压强、温度温度 等。等。平衡态时，这些平衡态时，这些宏观量宏观量并不是独立的，并不是独立的，它们之间满足一定的关系，这一关系称作它们之间满足一定的关系，这一关系称作状态方程状态方程如如气体的状态方程气体的状态方程根据根据状态方程状态方程，可以找到，可以找到一组独立一组独立的宏观量的宏观量来完全描述系统处在平衡态时的宏观性质来完全描述系统处在平衡态时的宏观性质这样一组相互独立的这样一组相互独立的宏观量宏观量称为称为状态参量状态参量例如
12、例如一定质量的化学纯气体处在平衡态时，一定质量的化学纯气体处在平衡态时，可用气体的可用气体的 压强压强、温度、体积、温度、体积-中任意两个量中任意两个量作为一组独立的状态参量来完全描述气体的性质。作为一组独立的状态参量来完全描述气体的性质。宏观上，描述热力学系统性质的状态参量有：宏观上，描述热力学系统性质的状态参量有：温度：温度：体积：体积：压强：压强：浓度：浓度：是系统的热学参量，是系统的热学参量，T是系统的力学参量，是系统的力学参量，P是系统的几何参量，是系统的几何参量，V是系统的化学参量，是系统的化学参量，n还有其它的还有其它的其中其中体积体积、质量质量 等等-可以累加，可以累加，称为称
13、为广延量广延量。压强压强、温度温度 等等-不可累加，不可累加，称为称为强度量强度量。一组确定状态参量值一组确定状态参量值对应对应系统一个确定的平衡态。系统一个确定的平衡态。当选定一组独立的状态参量后，当选定一组独立的状态参量后，描述系统状态的其它宏观量就可以描述系统状态的其它宏观量就可以表示为独立状态参量的函数，表示为独立状态参量的函数，这些函数同系统的状态是一一对应的。这些函数同系统的状态是一一对应的。通常称它们为通常称它们为态函数态函数，如气体的，如气体的内能内能、熵熵等等AB绝热板绝热板AB导热板导热板A、B 两体系互不影响两体系互不影响各自达到平衡态各自达到平衡态A、B 两体系的平衡态
14、有联系两体系的平衡态有联系达到共同的热平衡状态（达到共同的热平衡状态（热平衡热平衡）ABC绝热板绝热板 导热板导热板实验规律：实验规律：如果如果 A 和和 C、B 和和 C 分别处于分别处于热平衡，则热平衡，则 A 和和 B 一定热平衡。一定热平衡。_热力学第零定律热力学第零定律A、B、C三个系统必有共同的宏观性质，三个系统必有共同的宏观性质，称为系统的称为系统的温度温度处于热平衡的多个系统具有相同的温度处于热平衡的多个系统具有相同的温度1.2 温度的概念温度的概念温度测量温度测量ABA 和和 B 热平衡，热平衡，TA=TB；TB 基本是原来体系基本是原来体系 A 的温度的温度酒精或水银酒精或
15、水银热力学第零定律：热力学第零定律：如果如果 A 和和 C、B 和和 C 分别处于热平衡，则分别处于热平衡，则 A 和和 B 一定热平衡。一定热平衡。一、一、温标：温标：温度的数值表示法。温度的数值表示法。二、二、常见的温标：常见的温标：摄氏温标、理想气体温标、热力学温标摄氏温标、理想气体温标、热力学温标三、三、理想气体温标理想气体温标PV=const.（温度不变），温度不变），理想气体理想气体:严格遵守玻意耳定律的气体严格遵守玻意耳定律的气体.理想气体温标理想气体温标:定义温度值与在该温度下一定质量的定义温度值与在该温度下一定质量的 理想气体的理想气体的PV成正比，成正比，T，使即使即 pV
16、 T。玻意耳定律：玻意耳定律：一定质量的气体一定质量的气体,在一定温度下在一定温度下,其压强其压强和和 体积的乘积是个常量体积的乘积是个常量.1.3 理想气体的温标理想气体的温标 TP273.16 K气相气相液相液相固相固相临界点临界点609Pa水的三相点温度水的三相点温度：K：温度的单位温度的单位_开尔文开尔文1954年国际上规定了标准温度定点年国际上规定了标准温度定点-水的三相点水的三相点.体积保持不变体积保持不变压强保持不变压强保持不变适用范围：适用范围：理想气体理想气体四、四、热力学温标热力学温标(绝对温标绝对温标)：不依赖任何物质的特性不依赖任何物质的特性 的温标的温标“T”,单位：
17、开尔文单位：开尔文(K)在理想气体温标适用范围内，理想气体温标与热在理想气体温标适用范围内，理想气体温标与热力学温标是完全一致的。力学温标是完全一致的。热力学温度热力学温度T与摄氏温度与摄氏温度 t 的关系：的关系：五、五、热力学第三定律：热力学第三定律：热力学零度是不能达到的。热力学零度是不能达到的。t=T-273.15实验室获得的最低温度为：实验室获得的最低温度为：2.4x10-11K一理想气体一理想气体在在任何情况下都无条件服从上述三条实验定律的气体任何情况下都无条件服从上述三条实验定律的气体根据上述三条实验定律，可以导出三个状态参量根据上述三条实验定律，可以导出三个状态参量 P、V、T
18、 之间的关系之间的关系理想气体的状态方程理想气体的状态方程处于平衡态的化学纯理想气体，处于平衡态的化学纯理想气体，其宏观性质可以用气体的状态参量其宏观性质可以用气体的状态参量 P（压强压强）、）、V（体积体积）、）、T（温度温度）来描述，）来描述，1.4 理想气体状态方程理想气体状态方程玻意尔玻意尔定律（定律（RBoyle）盖盖吕吕萨克萨克定律（定律（JLGayLussac）查理定律（查理定律（JAVCharles）二理想气体状态方程二理想气体状态方程当当质量为质量为 ，摩尔质量为，摩尔质量为 的理想气体的理想气体处于平衡态时，它的状态方程为处于平衡态时，它的状态方程为摩尔气体常数摩尔气体常数
19、表示体积表示体积 中的分子总数中的分子总数或或气体分子数密度气体分子数密度玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数应用：应用：由由上式，对于一定质量的气体，上式，对于一定质量的气体，状态方程的一边为一与状态参量无关的常数，状态方程的一边为一与状态参量无关的常数，系统由一平衡态系统由一平衡态 P1、V1、T1 经任意过程经任意过程变化到另一平衡态变化到另一平衡态 P2、V2、T2。分别有：分别有：联立两式联立两式此方程给出了，一定质量的气体，此方程给出了，一定质量的气体，在任意两个平衡态时状态参量之间的关系在任意两个平衡态时状态参量之间的关系.根据这一关系可以通过已知平衡态的状态参量根据这一关系可以通过已知平衡
20、态的状态参量求未知平衡态的状态参量求未知平衡态的状态参量例例1某种某种柴油机的汽缸容积为柴油机的汽缸容积为0.82710 3 m3设设压缩前其中空气的温度是压缩前其中空气的温度是 47，压强为压强为 8.510 4 pa。当活塞急剧上升时，可把空气压缩到原体积的当活塞急剧上升时，可把空气压缩到原体积的 1/17，使压强增加到，使压强增加到 4.710 6 pa，求此时空气的温度（假设空气可看作理想气体）求此时空气的温度（假设空气可看作理想气体）解：解：空气可视为理想气体，在压缩前的初状态和空气可视为理想气体，在压缩前的初状态和压缩后的末状态均为平衡态，压缩后的末状态均为平衡态，则有则有这里这里
21、代入上式代入上式此温度大于柴油燃点。此温度大于柴油燃点。例例2 容器内装有氧气，质量为容器内装有氧气，质量为 0.10 kg，压强为压强为 1.010 5 pa，温度为温度为 47。因为容器漏气，经过若干时间后，因为容器漏气，经过若干时间后，压强降到原来的压强降到原来的 5/8，温度降到温度降到 27，解：解：氧气视为理想气体，根据理想气体的状态方程氧气视为理想气体，根据理想气体的状态方程问：容器的容积有多大？漏去了多少氧气？问：容器的容积有多大？漏去了多少氧气？剩余氧气的质量：剩余氧气的质量：漏去氧气质量：漏去氧气质量：三理想气体状态曲线三理想气体状态曲线或或理想气体状态方程告诉理想气体处于
22、某一平衡态时理想气体状态方程告诉理想气体处于某一平衡态时参量参量P、V、T 之间的关系。之间的关系。也告诉描述理想气体宏观性质的参量也告诉描述理想气体宏观性质的参量P、V、T只有两个是独立的只有两个是独立的P、V（或（或P、T 或或V、T）。）。一组确定的一组确定的P、V（或（或P、T 或或V、T）数值可以数值可以完全表示理想气体一确定的宏观状态。完全表示理想气体一确定的宏观状态。以参量以参量V 为横轴，为横轴，以以P 为纵为纵轴，建立坐标系，轴，建立坐标系，在此坐标系上任一点在此坐标系上任一点对应一组对应一组P、V 值，值，也对应理想气体一平衡状态。也对应理想气体一平衡状态。设想理想气体经过一系列平衡态设想理想气体经过一系列平衡态由状态由状态 1变化到状态变化到状态 2，1 2由于系统在任一时刻都处于平衡态，在任一时刻系由于系统在任一时刻都处于平衡态，在任一时刻系统的状态都对应于图一点统的状态都对应于图一点;而且理想气体的状态变而且理想气体的状态变化是连续，所以理想气体经过一系列平衡态由状态化是连续，所以理想气体经过一系列平衡态由状态 1变化到状态变化到状态 2 这一过程对应于这一过程对应于 图一条曲线图一条曲线状状态曲线，也态曲线，也称作称作 P V 图图 1 2常见常见状态曲线状态曲线等温线等温线13212等压线等压线13等容线等容线23