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1、热学弟章导论第1页，共28页，编辑于2022年，星期日3、热力学第零定律、热力学第零定律实验表明：实验表明：则则A与与B热平衡。热平衡。ACBACBACB绝热壁 分别与第三个热力学系统处于同一热平分别与第三个热力学系统处于同一热平衡态的两个系统必然也处于热平衡。衡态的两个系统必然也处于热平衡。热力学第零定律（热平衡定律）热力学第零定律（热平衡定律）物理意义：物理意义：1.温度的定义：处于同一热平衡的热力学系统具有共温度的定义：处于同一热平衡的热力学系统具有共同的宏观性质，表征这一性质的物理量称为温度。同的宏观性质，表征这一性质的物理量称为温度。第2页，共28页，编辑于2022年，星期日2.为温
2、度的的测量提供了依据：一切处于同一热平为温度的的测量提供了依据：一切处于同一热平 衡态的系统有相同的温度。衡态的系统有相同的温度。温度的概念：温度的概念：宏观：热平衡系统所具有的共同宏观性质宏观：热平衡系统所具有的共同宏观性质热平衡热平衡温度相同温度相同微观：温度是分子热运动剧烈程度的量度。微观：温度是分子热运动剧烈程度的量度。温度计：作为标准的合适的热平衡系统。温度计：作为标准的合适的热平衡系统。第3页，共28页，编辑于2022年，星期日二、二、温温标（temperaturescale）温度的数值表示方法温度的数值表示方法 1、经验温标、经验温标经验温标的三要素经验温标的三要素测温物质和测温
3、属性测温物质和测温属性固定标准点固定标准点进行分度，即规定测温参量随温度的进行分度，即规定测温参量随温度的变化关系变化关系温标的建立温标的建立(以液体摄氏温标为例以液体摄氏温标为例)（1）水银测温物质）水银测温物质;体积随温度变化测温属性体积随温度变化测温属性（2）1atm水冰点水冰点0摄氏度摄氏度;水沸点水沸点100摄氏度摄氏度（3）确定测温属性随温度的变化关系，对固定的温度）确定测温属性随温度的变化关系，对固定的温度间隔做出标度。间隔做出标度。经验温标的缺陷：测温依赖于测温物质和测温属性。经验温标的缺陷：测温依赖于测温物质和测温属性。第4页，共28页，编辑于2022年，星期日2、理想气体温
4、标、理想气体温标 以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积（或压强）以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积（或压强）不变时压强（或体积）与温度成正比关系所确定的温标称为理想气不变时压强（或体积）与温度成正比关系所确定的温标称为理想气体温标。体温标。气体温度计分为定容及定压气体温度计。气体温度计分为定容及定压气体温度计。图图1.2定体气体温度计定体气体温度计 定体气体温度计：定体气体温度计：由理想气体定律知由理想气体定律知T(p)=pV0/R=ap（1.1）标准温度固定点（标准温度固定点（1954年国际规定）年国际规定）水水的三相点：水，冰和水蒸汽共存时的平的三相点：水，冰和水蒸汽共存
5、时的平衡态温度。衡态温度。Ttr 273.16 K分度：分度：第5页，共28页，编辑于2022年，星期日Ptr为该气体温度计在水的三相点时的压强为该气体温度计在水的三相点时的压强理想气体温标理想气体温标分度公式分度公式Ptr/(133.3224Pa)373.0373.2374.0200400600800 1000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空气实验表明：实验表明：时，时，四条线会聚于一点，对应四条线会聚于一点，对应相同的数值相同的数值373.15k。优点：测温不依赖于测温物优点：测温不依赖于测温物质与测温属性的个性。质与测温属性的个性。缺点：有一定的适用范围。缺点：有一定的适用
6、范围。第6页，共28页，编辑于2022年，星期日3、摄氏温标、华氏温标与兰氏温标、摄氏温标、华氏温标与兰氏温标汽点三相点冰点绝对零度英美等国使用671.67491.69491.670TRR兰氏温标英美等国使用212.0032.0232.00-459.67tFF华氏温标国际通用100.000.010.00-273.15tC摄氏温标国际通用T=T373.15273.16273.150TK热力学温标通用情况与热力学温度的关系固定点的温度值符号单位温度第7页，共28页，编辑于2022年，星期日4、热力学温标热力学温标是一种完全是一种完全不依赖于不依赖于测温测温物质物质和测温和测温属性属性的温标的温标5
7、、国际实用温标国际实用温标实用温度实用温度计简介计简介膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导体温度电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导体温度计、频率温度计计、频率温度计辐射测温法：光学高温计、比色高温计、辐射高温计辐射测温法：光学高温计、比色高温计、辐射高温计声学测温法：声学温度计、噪声温度计声学测温法：声学温度计、噪声温度计开尔文可以证明：在理想气体温标有效范围内，可以证明：在理想气体温标有效范围内，两种温标一致
8、。两种温标一致。是建立在是建立在热力学第二定律热力学第二定律基础上的理想温标。基础上的理想温标。第8页，共28页，编辑于2022年，星期日Mm例例1图示为在低温测量中常用的图示为在低温测量中常用的压力表式气体温度计压力表式气体温度计，A是测温泡，是测温泡，B是压力计，两者通过导热性能差的毛细管是压力计，两者通过导热性能差的毛细管C相连通，细管容积比相连通，细管容积比A、B的容积的容积VAVB小得多可忽略，测量时先把温度计在室温小得多可忽略，测量时先把温度计在室温T0下充气下充气到压强到压强P0加以密封，再将加以密封，再将A与待测温系统热接触，而与待测温系统热接触，而B保持室温不变，保持室温不变
9、，若测得此时若测得此时B的压强读数为的压强读数为p，求待测温度，求待测温度T。解：解：测温后测温前压力表B温泡A解得：解得：ABCVAVBT0T0T第9页，共28页，编辑于2022年，星期日1.5 物质的微观模型物质的微观模型 宏观物体都是不连续的宏观物体都是不连续的,并由大量不停息地运动着的、并由大量不停息地运动着的、彼此有相互作用的分子或原子组成彼此有相互作用的分子或原子组成 .利用扫描隧道显利用扫描隧道显微镜技术把一个个原微镜技术把一个个原子排列成子排列成 IBM 字母字母的照片的照片.现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大小以现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大小以及它们在物体中
10、的排列情况及它们在物体中的排列情况,例如例如 X光分析仪光分析仪,电子显微电子显微镜镜,扫描隧道显微镜等扫描隧道显微镜等.一、物质由大数分子组成，且分子间有间隙。一、物质由大数分子组成，且分子间有间隙。第10页，共28页，编辑于2022年，星期日 Si单晶的原子像（透射电子显微镜照片）单晶的原子像（透射电子显微镜照片）对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加以研究时对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加以研究时,必必须用统计的方法须用统计的方法.2nm宏观物体都是不连续的，分子或原子间存在空隙。宏观物体都是不连续的，分子或原子间存在空隙。有很多现象能说明这一特征。例如气体易被压缩；有很多现象
11、能说明这一特征。例如气体易被压缩；水在水在40000atm的压强下，体积减为原来的的压强下，体积减为原来的1/3；等等等等第11页，共28页，编辑于2022年，星期日二、分子运动的观点：二、分子运动的观点：组成物质的分子在永不停息地作无规则的热运动。组成物质的分子在永不停息地作无规则的热运动。（1）扩散（扩散（diffusion）1摩摩尔氧氧1摩摩尔氮氮氧氧.氮混合气体氮混合气体 气体和液体中的扩散现象是分子热运动所致。气体和液体中的扩散现象是分子热运动所致。固体固体中的扩散现象通常不大显著，只有高温下才有明显中的扩散现象通常不大显著，只有高温下才有明显效果。因温度越高，分子热运动越剧烈，因而
12、越易挤入效果。因温度越高，分子热运动越剧烈，因而越易挤入分子之间。分子之间。标准状况下：标准状况下：第12页，共28页，编辑于2022年，星期日（2）布朗）布朗(Brown)运动运动1827年布朗从显微镜中看到悬年布朗从显微镜中看到悬浮在液体中的花粉作无规则的浮在液体中的花粉作无规则的杂乱运动。杂乱运动。图为直径为图为直径为104cm悬浮水悬浮水中的藤黄颗粒作布朗运动的中的藤黄颗粒作布朗运动的情况情况1877年德耳索指出年德耳索指出这是由于这是由于微粒受到周围液体分子碰撞微粒受到周围液体分子碰撞不平衡而引起的。不平衡而引起的。温度越高，布朗运动越剧烈；温度越高，布朗运动越剧烈；微粒越小，布朗运
13、动越明显微粒越小，布朗运动越明显。第13页，共28页，编辑于2022年，星期日（3）涨落现象（涨落现象（fluctuationphenomena）随机地偏离统计平均值的现象称为涨落现象随机地偏离统计平均值的现象称为涨落现象，是统计规，是统计规律的一种基本特征。律的一种基本特征。涨落：宏观量的实际测量值与统计平均值的偏差。涨落：宏观量的实际测量值与统计平均值的偏差。可以证明，在粒子可自由出入的某空间范围内的可以证明，在粒子可自由出入的某空间范围内的粒子数的相对涨落反比于系统中粒子数粒子数的相对涨落反比于系统中粒子数N 的平方根的平方根.粒子数越少，涨落现象越明显粒子数越少，涨落现象越明显其相对均
14、方根偏差称为相对涨落。其相对均方根偏差称为相对涨落。在数值上，在数值上，第14页，共28页，编辑于2022年，星期日1、引力、引力（1）能说明分子间存在吸引力的现象）能说明分子间存在吸引力的现象汽化热；汽化热；锯断的铅柱加压可黏合；锯断的铅柱加压可黏合；玻璃熔化可接合；玻璃熔化可接合；胶水、浆糊的黏合作用；胶水、浆糊的黏合作用；（2）分子吸引力作用半径分子吸引力作用半径三、分子力观点：三、分子力观点：分子间有相互作用力，此力为短程力，引力、分子间有相互作用力，此力为短程力，引力、斥力视距离而定。斥力视距离而定。2、排斥力排斥力（1）能说明排斥力的现象：）能说明排斥力的现象：固体、液体能保持一定
15、体积而很难压缩；固体、液体能保持一定体积而很难压缩；气体分子经过碰撞而相互远离。气体分子经过碰撞而相互远离。（2）排斥力作用半径）排斥力作用半径两分子刚好两分子刚好“接触接触”时两质心间的距离。时两质心间的距离。对于同种分子，它就是分子的直径。对于同种分子，它就是分子的直径。平衡位置平衡位置第15页，共28页，编辑于2022年，星期日3、分子力与分子热运动、分子力与分子热运动分子力使分子空间排列呈有序性。分子力使分子空间排列呈有序性。分子热运动却使分子尽量相互散开呈无序性。分子热运动却使分子尽量相互散开呈无序性。分子力是一种电分子力是一种电磁相互作用力磁相互作用力，故它，故它是一种保守力，它应
16、该是一种保守力，它应该有势能，称为分子作用有势能，称为分子作用力势能。力势能。平衡位置平衡位置第16页，共28页，编辑于2022年，星期日讨论：讨论：1.5.21.5.2试估计水的分子互作用势能的数量级，可近似认为此试估计水的分子互作用势能的数量级，可近似认为此数量级与每个分子所平均分配到的汽化热数量级相同。再估数量级与每个分子所平均分配到的汽化热数量级相同。再估计两个邻近水分子间的万有引力势能的数量级，判断分子力计两个邻近水分子间的万有引力势能的数量级，判断分子力是否可能来自万有引力。是否可能来自万有引力。已知：水的汽化热为已知：水的汽化热为，它的两最邻近分，它的两最邻近分子质量中心之间的距
17、离为：子质量中心之间的距离为：它的摩尔汽化热为它的摩尔汽化热为每个分子平均分摊到的汽化热：每个分子平均分摊到的汽化热：即水分子互作用势能的数量级。即水分子互作用势能的数量级。每个分子所平均分摊到的万有引力势能的数量级为每个分子所平均分摊到的万有引力势能的数量级为第17页，共28页，编辑于2022年，星期日1.6 理想气体微理想气体微观描述的初描述的初级理理论 1 1、分子线度比分子间距小得多，可忽略不计。分子线度比分子间距小得多，可忽略不计。一、理想气体微观模型一、理想气体微观模型实验证实对理想气体可作如下基本假定：实验证实对理想气体可作如下基本假定：1)1)洛施密特常量洛施密特常量标准状况下
18、准状况下1m3理想气体中的分子数，以理想气体中的分子数，以n0表示。表示。2）标准状况下气体分子准状况下气体分子间平均距离平均距离 每个分子平均分配到自由活每个分子平均分配到自由活动动体体积为积为1/n0m第18页，共28页，编辑于2022年，星期日3)3)氮分子半径氮分子半径已知液氮（温度为已知液氮（温度为77K，压强为，压强为0.10Mpa）密度为密度为 0.8103kg/m3，氮的摩尔质量氮的摩尔质量Mm=2810-3kg。设设n为液氮分子数密度，氮分子质量为为液氮分子数密度，氮分子质量为m，若认为液氮是由球形氮分子紧密堆积而成，且不考虑分子若认为液氮是由球形氮分子紧密堆积而成，且不考虑
19、分子间空隙，间空隙，则则1/n=(4/3)r3 其中其中r是氮分子半径。是氮分子半径。于是得于是得 =nm,Mm=NAm，4）比较分子之间平均距离和分子直径）比较分子之间平均距离和分子直径第19页，共28页，编辑于2022年，星期日2、除碰撞瞬间外，分子间互作用力可忽略不计。、除碰撞瞬间外，分子间互作用力可忽略不计。3、处于平衡态的理想气体，分子之间及分子与器壁间的碰撞、处于平衡态的理想气体，分子之间及分子与器壁间的碰撞是完全弹性碰撞。是完全弹性碰撞。4、分子的运动遵从牛顿力学的规律、分子的运动遵从牛顿力学的规律（分子在两次碰撞之间作自由的匀速直线运动）（分子在两次碰撞之间作自由的匀速直线运动
20、）常温常压下，理想气体分子两次碰撞间平均走过的路程常温常压下，理想气体分子两次碰撞间平均走过的路程是分子大小是分子大小200倍左右倍左右.（碰撞只改变分子运动的方向，不改变速率和动能）（碰撞只改变分子运动的方向，不改变速率和动能）理想气体模型理想气体模型无分子力的弹性质点模型无分子力的弹性质点模型第20页，共28页，编辑于2022年，星期日处于平衡的气体均具有处于平衡的气体均具有各向同性各向同性，即气体在各方向上的，即气体在各方向上的物理性质都相同，反之称为各向异性。物理性质都相同，反之称为各向异性。二、平衡态理想气体分子的统计假设二、平衡态理想气体分子的统计假设2)2)分子沿各方向运动的概率
21、相同分子沿各方向运动的概率相同.(运动无择优取向运动无择优取向)1)无外场时，平衡态下气体分子均匀分布。无外场时，平衡态下气体分子均匀分布。（分子在各处出现的概率相同）（分子在各处出现的概率相同）第21页，共28页，编辑于2022年，星期日三、单位时间内碰在单位面积器壁上平均分子数三、单位时间内碰在单位面积器壁上平均分子数虽然单个分子在何时相碰，碰在何处是随机的，但处于平虽然单个分子在何时相碰，碰在何处是随机的，但处于平衡态下大数分子所组成的系统应遵循一定统计规律。衡态下大数分子所组成的系统应遵循一定统计规律。气体分子碰撞碰壁数气体分子碰撞碰壁数：处于平衡态下的理想气体在单位时间内处于平衡态下
22、的理想气体在单位时间内碰撞在单位面积上的平均分子数。碰撞在单位面积上的平均分子数。Aabcxyz0设气体分子数密度为设气体分子数密度为n，每一分子均以平均速率，每一分子均以平均速率 运动。运动。作业：作业：1.4.2，1.5.1，1.6.2第22页，共28页，编辑于2022年，星期日四四、理想气体的压强公式、理想气体的压强公式:2 2、公式推导：、公式推导：1 1、微观实质：大量分子不断对器壁碰撞，而使器壁、微观实质：大量分子不断对器壁碰撞，而使器壁单位面积上所受到的平均冲力。单位面积上所受到的平均冲力。设设边长分别为边长分别为x、y 及及 z 的的长方体中有长方体中有 N 个全个全同的质量为
23、同的质量为m 的气体分子，计算的气体分子，计算壁面所受压强壁面所受压强.第23页，共28页，编辑于2022年，星期日单个单个分子遵循的力学规律分子遵循的力学规律 x方向动量变化方向动量变化分子施于器壁的冲量分子施于器壁的冲量两次碰撞间隔时间两次碰撞间隔时间单位时间碰撞次数单位时间碰撞次数单个分子单位时间施于器壁的冲量单个分子单位时间施于器壁的冲量第24页，共28页，编辑于2022年，星期日大量大量分子总效应分子总效应单位时间单位时间N个粒子个粒子对器壁总冲量对器壁总冲量器壁器壁所受平均冲力所受平均冲力单个分子单位时间单个分子单位时间施于器壁的冲量施于器壁的冲量第25页，共28页，编辑于2022
24、年，星期日气体压强气体压强统计规律统计规律分子平均平动动能分子平均平动动能器壁器壁所受平均冲力所受平均冲力第26页，共28页，编辑于2022年，星期日压强的物理压强的物理意义意义统计关系式统计关系式宏观可测量量宏观可测量量微观量的统计平均值微观量的统计平均值讨论：讨论：揭示了压强的微观本质。揭示了压强的微观本质。2)2)P 是一个统计量，是大量分子碰撞器壁的结果是一个统计量，是大量分子碰撞器壁的结果,对单个分子或少数分子，无压强可言。对单个分子或少数分子，无压强可言。3）是分子热运动的平均平动动能，不包括是分子热运动的平均平动动能，不包括气体整体定向运动的动能。气体整体定向运动的动能。第27页，共28页，编辑于2022年，星期日理想气体的压强公式理想气体的压强公式:分子平均平动动能分子平均平动动能作业：作业：1.4.2，1.5.1，1.6.2第28页，共28页，编辑于2022年，星期日