物理第9章-热力学1xue.ppt

热学（Heat） 热学是研究与热现象有关的规律的科学。 由于物体温度的变化而引起物体性质、形态的变化。 热现象是物质中大量分子无规则运动即热运动的集体表现。 水的三态（？）的变化，在1atm下O2在90K的温度 下液化，N2的77K的温度下液化，液态H2的温度是 20K,一度被视为“永久气体”的氦（He)在4k的温度下也 变成了液体。 热运动： 物体中大量分子或原子无规则的运动 热现象： 热现象的例子：热胀冷缩、相变、高温退磁、超导现象。 相变的例子 电磁铁具有很强的磁场，但当其温度超过一定值时，其磁场就消 失了。因此在某些应用场合，要注意电磁铁的工作环境的温度。 1911年，荷兰科学家昂纳斯发现了一个意想不到的现象，就是当 温度下降到4.2K以下时，水银（Hg）的电阻消失了，物质进入了 一种新的物态，称之为超导。 高温退磁 超导现象 除了化学成分外，在物理方面，温度是影响物质性能的主要因 素，因此温度是热学中最核心的概念。 太阳中心的温度是107K,这是热核聚变所需的起码温度。太阳表 面的温度是6000K,与之对应的辐射光谱，其峰正好在可见光波段 。 金星表面的温度为460C,铅和锌将被熔化。 地球表面的平均温度为15 C,10 9种生物大分子可以在这样的 环境生存。 热学的研究方法： 1.宏观法 最基本的实验规律逻辑推理(运用数学) -称为热力学。 优点：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质。 2.微观法. 物质的微观结构 + 统计方法 -称为统计力学 其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论) 优点：揭示了热现象的微观本质。 缺点：可靠性、普 遍性差。 在热学研究中宏观法与微观法相辅相成。 当代科学实验里能产生的最高温度是108K，最低温度是210-8K, 上下跨越了16个数量级。 第九章第九章 热力学基础热力学基础 常见的一些现象： 1、一壶水开了，水变成了水蒸气。 2、温度降到0以下，液体的水变成了固体的冰块。 3、气体被压缩，产生压强。 4、物体被加热，物体的温度升高。 热现象 9-1 热力学的基本概念 9-1-1 热力学系统 在热力学中把要研究的宏观物体（气体、液体、 固体）称为热力学系统 简称系统。如一杯水，汽缸 内气体 . . . 系统内它包含极大量的分子、原子。 以阿佛加德罗 常数 NA= 61023计。 外界：系统以外与系统有着相互作用的环境 孤立系统：与外界不发生任何能量和物质的热力 学系统。 封闭系统： 与外界只有能量交换而没有物质交换的 系统。 对热力学系统的两种描述方法 ： 1. 宏观量 从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。 2. 微观量 描述系统内微观粒子的物理量。 如分子的质量m、 直 径 d 、速度 v、动量 p、能量 等。 微观量与宏观量有一定的内在联系。 例如，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。 如 M、V、E 等-可以累加，称为广延量。 P、T 等-不可累加，称为强度量。 状态参量：描述热力学系统状态的物理量。 描述气体的状态参量：压强、体积和温度 垂直作用在单位容器壁面积上 的气体压力。 压强（P）： 国际单位：国际单位： 帕斯卡（Pa = N/m2） 1标准大气压 = 1.01325105（Pa） = 760 mmHg 体积（V ）：气体分子自由活动的空间，与 分子本身体积的总和完全不同 。 国际单位： 米3（m3 ）(注意与毫升的换算 ） 温度（T）： 温度是表征在热平衡状态下系 统宏观性质的物理量。 两热力学系统相互接触，而与外界没有热量交 换，当经过了足够长的时间后，它们的冷热程度不 再发生变化，则我们称两系统达到了热平衡。 热力学第零定律： 如果两个系统分别与第三个系统 达到热平衡，则这两个系统彼此也处于热平衡。 A BC A BC 温度的宏观定义： 表征系统热平衡时宏观性质的物理量。 温标 温度的数值表示法。 摄氏温标： t 热力学温标： T K 水的冰点 0 水的沸点 100 冰点和沸点之差的百 分之一规定为1 。 绝对零度： T = 0 K t = - 273.15 水三相点（气态、液态、固态的共存状态）273.16 K 大爆炸后的宇宙温度1039 K 实验实验 室能够够达到的最高温度108 K 太阳中心的温度1.5107 K 太阳表面的温度6000 K 地球中心的温度4000 K 水的三相点温度273.16 K 微波背景辐辐射温度2.7 K 实验实验 室能够够达到的最低温度（ 激光致冷） 2.410-11 K 摄氏温标与热力学 温标的换算关系： 9-1-2 平衡态 准静态过程 平衡态：一个孤立系统，其宏观性质在经过 充分长的时间后保持不变（即其状态参量不 再随时间改变）的状态。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 终了 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 扩散 隔板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 开始 注意：如果系统与外界有能量交换，即使系统的宏观性 质不随时间变化，也不能断定系统是否处于平衡态。 说明：热平衡是动态平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而因 为碰撞， 每个分子的速度经常在变，但是 系统的宏观量不随时间 改变。这称为动态 平衡。 粒子数是宏观量，箱子假想分成两相同体积 的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越界 线，但两侧粒子数相同。 热力学过程：热力学系统的状态随时间发生 变化的过程。 P 准静态过程： 状态变化过程进行得 非常缓慢，以至于过程中 的每一个中间状态都近似 于平衡态。 准静态过程的过程 曲线可以用P -V 图来描 述，图上的每一点都表 示系统的一个平衡态。 ( PB,VB,TB ) ( PA,VA,TA ) P V O ( PC,VC,TC ) 9-1-3 理想气体状态方程 理想气体：在任何情况下都严格遵守“波-马定律” 、“盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。 理想气体状态方程： 或摩尔气体常量 标准状态： 标准状态下的分子密度： 称为洛喜密脱数 例：求大气压强随高度 h 变化的规律，设空气的温度不随 高度变化。 h h h+dh dmg Ps (P+dP)S 解：如图，在高度为h处有一薄空 气层，在重力和上下压力作用下处 于平衡状态。 设空气 为理想气体，则可以得出下式 代入上式 例：求大气压强随高度h 变化的规律，设空气的温度不随高 度变化。 h h h+dh dmg Ps (P+dP)S 上式称为恒温气压公式，h2Km 说明：珠峰h=8848m,T=273K,P0=1atm 由上式求得P=0.33atm.实际小于此值，原因 是温度是变化的且随高度降低。 例2：在较高的范围内大气温度T随高度h的变化可近似地取下 述线性关系：T=T0-h 其中T0 为地面温度， 为一常数。试求大气压强随高度变化 的关系。 h h h+dh dmg Ps (P+dP)S 解：利用上题 取 例3：求上升到什么高度时，大气压强减到地面的75%，设空气的 温度为00C，空气的摩尔质量为0.0289kg/mol。 ln P = 0 PR h T g ln P = 0 P R h T g = 2.3km 8.31273 2810-39.8 0.75ln 0 =P R e h T g P 解： 例4：一个大热气球的容积为2.0104 m3,气球本身和负载质量 共4.5103 kg.若其外部空气温度为200C,要想使气球上升，其内 部空气最低要加热到多少度？ 解：以0表示标准状况下空气的密度0 =1.29kg/ m3,以1 和2 分别表示热气球外、内空气的密度，则由于热气 球外、内压强相等（取1atm),有： 同理： 设此时所需的温度为T2min 具体数据代入上式得 由热气球所受的浮力与负载重量平衡得： 则 例5:一个人呼吸时，若每吐出一口气都在若干时间内（比如几 年）均匀地混合到全部大气中去，另一个人吸入的一口气中有 多少个分子是那个人在那口气中吐出的？设一个人呼吸一口气