ch1绪论_温度2015

1、热热 学学热学研究对象热学研究对象：由数量很大的微观粒子所组成由数量很大的微观粒子所组成的系统的系统热力学热力学系统系统。所谓所谓热运动热运动即组成宏观物体的大量微观粒子的一种即组成宏观物体的大量微观粒子的一种永不停息的无规则运动。永不停息的无规则运动。 特点特点：单个单个分子分子 无序、具有偶然性、遵循力无序、具有偶然性、遵循力学规律；学规律；整体整体（大量分子）（大量分子） 服从统计规律服从统计规律所谓所谓热现象热现象即与物体的冷热程度（即温度）有关的即与物体的冷热程度（即温度）有关的物理性质及状态的变化。物理性质及状态的变化。热力学：热力学： 统计物理学统计物理学则是从物质由大数分子、原

2、子组成的前提出发，则是从物质由大数分子、原子组成的前提出发，依据每个粒子所遵循的力学规律，用统计的方法阐明系统的热学依据每个粒子所遵循的力学规律，用统计的方法阐明系统的热学性质，认为系统的宏观性质是大量微观粒子无规则运动的平均效性质，认为系统的宏观性质是大量微观粒子无规则运动的平均效果，宏观量是微观量的统计平均值。果，宏观量是微观量的统计平均值。深入本质深入本质但简化模型，结果近似但简化模型，结果近似德谟克利特的四原子论德谟克利特的四原子论1. 测温和量热（热学的开始）测温和量热（热学的开始）确立温标的三要素：确立温标的三要素：测温物质测温物质、测温属性测温属性和固定的标准点固定的标准点第一具

3、温度计：第一具温度计：伽利略验温计伽利略验温计利用利用空气的热胀冷缩空气的热胀冷缩性质测温性质测温1714年，年，华伦海特华伦海特利用利用水银水银的的热胀冷缩热胀冷缩，水的沸点为水的沸点为212度，纯水的冰点为度，纯水的冰点为32度度华氏温标华氏温标1742年，年，摄尔修斯摄尔修斯利用利用水银水银的的热胀冷缩热胀冷缩，水的沸点为水的沸点为100度，水的冰点为度，水的冰点为0度度摄氏温标摄氏温标2. 温度和热量概念的混淆与区分温度和热量概念的混淆与区分（1）布尔哈夫）布尔哈夫（荷兰化学家）荷兰化学家）疑难：疑难：“等体积的任何物质在相同的温度变化下都吸收或者释放等体积的任何物质在相同的温度变化下

4、都吸收或者释放同样数量的热同样数量的热”100 的水的水150 的水银的水银120 125 （2）布莱克（英国化学家）：）布莱克（英国化学家）：“热的强度热的强度”温度；温度；“热的数量热的数量”热量，提出热热量，提出热容量和比热，发现相变（冰融化、水汽化）的潜热。容量和比热，发现相变（冰融化、水汽化）的潜热。3. 热的本质热的本质两个学说：两个学说：热质说热质说和和热动说热动说（1）热质说热质说：热是一种特殊的物质，称为热质：热是一种特殊的物质，称为热质（caloric）（2）热动说热动说：热是组成物质的微观粒子（原子）运动的：热是组成物质的微观粒子（原子）运动的表现，它可由物体的机械运动转

5、化而来。表现，它可由物体的机械运动转化而来。培根、胡克、牛顿、笛卡儿等知名学者培根、胡克、牛顿、笛卡儿等知名学者布尔哈夫、布尔哈夫、布莱克布莱克、拉瓦锡等化学家、拉瓦锡等化学家罗蒙诺索夫（俄罗斯）：罗蒙诺索夫（俄罗斯）：热无非是微粒的运动热无非是微粒的运动（1795年）年）（3）两个证据：）两个证据：1797年伦福德（英国）观察到大炮炮年伦福德（英国）观察到大炮炮筒的发热；筒的发热；1799年戴维做了两块冰的摩擦融化的实验年戴维做了两块冰的摩擦融化的实验。（4）焦耳）焦耳热功当量热功当量的精确测定的精确测定热动说的真正确立热动说的真正确立“在论证这个问题时，我们一定不要忘记考虑一在论证这个问题

6、时，我们一定不要忘记考虑一个最值得注意的情况，即在这些实验中，摩擦生个最值得注意的情况，即在这些实验中，摩擦生热这个热这个热源显然是用之不竭热源显然是用之不竭的，的，在在我看来，除了认为热是运动而外，要对能够以这我看来，除了认为热是运动而外，要对能够以这种方式被激发和被传递的任何东西形成任何明确种方式被激发和被传递的任何东西形成任何明确的概念，即使不是完全不可能的，也是极其困难的概念，即使不是完全不可能的，也是极其困难的。的。”伦福德：伦福德：4. 热力学的建立热力学的建立热力学是关于各种能量及其转换的科学，其基本内容是热力学是关于各种能量及其转换的科学，其基本内容是三三条定律条定律。熱一（迈

7、耶、焦耳和亥姆赫兹）：即能量守恒与转化定律熱一（迈耶、焦耳和亥姆赫兹）：即能量守恒与转化定律熱二（克劳修斯、开尔文）：即规定了涉及热现象的过程的方向熱二（克劳修斯、开尔文）：即规定了涉及热现象的过程的方向熱三（能斯脱）：绝对零度不可能达到熱三（能斯脱）：绝对零度不可能达到5. 热学的微观理论的建立热学的微观理论的建立是热动说进一步发展的必然结果，用分子的运动来解是热动说进一步发展的必然结果，用分子的运动来解释宏观的热现象。释宏观的热现象。本课程由三部分组成本课程由三部分组成 统计物理学的初步知识统计物理学的初步知识 热力学基础热力学基础 液体、固体、相变等物性学液体、固体、相变等物性学 秦允豪

8、，秦允豪，热学热学（第二版），高等教育出版社（第二版），高等教育出版社2. 2. 赵凯华等，赵凯华等，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社3. 3. 黄淑清等，黄淑清等，热学教程热学教程（第二版），高等教育出版社（第二版），高等教育出版社4. 4. 梁绍荣等，普通物理学，第二分册，梁绍荣等，普通物理学，第二分册，热学热学，第三版，高等，第三版，高等教育出版社教育出版社孤立孤立(isolated)(isolated)系统：系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统与外界既不交换物质又不交换能量的系统封闭封闭(closed)(closed)系统：系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统与外界不

9、交换物质但可交换能量的系统开放开放(open)(open)系统：系统：与外界既交换物质又交换能量的系统与外界既交换物质又交换能量的系统1.1.气缸是气缸是绝热绝热的：系统与的：系统与外界没有热交换外界没有热交换2.2.活塞位置保持不变活塞位置保持不变：外：外界不对系统作功界不对系统作功导热材料导热材料活塞可以移动活塞可以移动Types of Systems1.1.气缸是绝热的：系统与气缸是绝热的：系统与外界没有热交换外界没有热交换2.2.活塞位置保持不变：外活塞位置保持不变：外界不对系统作功界不对系统作功隔板刚刚抽走的那一瞬间系统处于非平衡态隔板刚刚抽走的那一瞬间系统处于非平衡态（2）力学平衡

10、力学平衡：在通常情况（例如没有外场）下，在通常情况（例如没有外场）下，系统内部系统内部压强处处相等压强处处相等。（1）热平衡热平衡：系统内部的系统内部的温度处处相等温度处处相等。（3）化学平衡化学平衡：在无外场作用下系统各部分的在无外场作用下系统各部分的化学化学组分也应是处处相同组分也应是处处相同。扩散扩散氧气氧气氮气氮气判断系统是否处于平衡态的简单方法判断系统是否处于平衡态的简单方法就是看系统中是否存在就是看系统中是否存在热流热流与与粒子流粒子流。稳定态实例：稳定态实例：沸水沸水冰水混合物冰水混合物忽略外力场的影响，对于忽略外力场的影响，对于均匀的系统均匀的系统，可认为，可认为内部各种内部各

11、种宏观性质处处一样宏观性质处处一样，可用统一的、确，可用统一的、确定的状态参数描述系统状态。定的状态参数描述系统状态。对于对于非均匀系统非均匀系统（如水和水蒸气（如水和水蒸气组成的系统），不受外界的影响，组成的系统），不受外界的影响，系统的宏观性质不随时间变化，系统的宏观性质不随时间变化，处于平衡状态。其中每一部分是处于平衡状态。其中每一部分是均匀的，但整个系统是不均匀的。均匀的，但整个系统是不均匀的。所以所以系统平衡不一定均匀系统平衡不一定均匀。平衡态是最简单的、最基本的，非平衡态可平衡态是最简单的、最基本的，非平衡态可以通过以通过局域平衡局域平衡描述。描述。51atm1.013 10 Pa

12、一个标准大气压一个标准大气压： 纬度海平面处，纬度海平面处， 时的大气压时的大气压450 C 热学参量热学参量 ,AApV ,BBpV通过导热板进行热接触通过导热板进行热接触的两个系统组成一复合系统，的两个系统组成一复合系统，当复合系统达到平衡态时，当复合系统达到平衡态时，我们就说两个系统处于热平衡。我们就说两个系统处于热平衡。热平衡的概念：热平衡的概念： ,AApV ,BBpVBCA绝热板绝热板导热板导热板 热力学第零定律为温度概念的科学定义提热力学第零定律为温度概念的科学定义提供了实验基础，同时也为温度的测量提供了理供了实验基础，同时也为温度的测量提供了理论依据。下面我们据此来给出温度的定

13、义。论依据。下面我们据此来给出温度的定义。 互为热平衡的几个热力学系统，必然具有某互为热平衡的几个热力学系统，必然具有某种共同的宏观性质，为了表征这一宏观性质，我们种共同的宏观性质，为了表征这一宏观性质，我们引入引入“温度温度”这个物理量，即，这个物理量，即，温度是决定这一系统温度是决定这一系统是否与其他系统处于热平衡的物理量。是否与其他系统处于热平衡的物理量。宏观定义宏观定义 温度的基本特征：温度的基本特征：一切互为热平衡的系统一切互为热平衡的系统都具有相同的温度值。都具有相同的温度值。状态参量的分类状态参量的分类强度量强度量 intensive properties与物质的量的增加和减少无

14、关的量，是不可加量与物质的量的增加和减少无关的量，是不可加量 如压强、温度、密度等如压强、温度、密度等广延量广延量 extensive properties与物质的量的增加和减少有关的量，有加成性与物质的量的增加和减少有关的量，有加成性 如质量、体积、面积等如质量、体积、面积等 经验温标的三要素经验温标的三要素 温度的数值表示法叫做温度的数值表示法叫做温标。温标。选择测温物质和测温参量（属性）选择测温物质和测温参量（属性）选定固定点，并规定其数值选定固定点，并规定其数值规定测温参量随温度的变化关系规定测温参量随温度的变化关系 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

15、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()t XaXb is0 C,100 Ctt 0100,XX（2）1atm 水冰点水冰点0摄氏度摄氏度 沸点沸点 100摄氏度摄氏度（3）确定测温属性随温度按线性变化关系）确定测温属性随温度按线性变化关系01000100()()XXt XXX 气体温度计气体温度计定容气体温度计定容气体温度计气体的体积保持不变，压强随温度改变气体的体积保持不变，压强随温度改变定压气体温度计定压气体温度计气体的压强保持不变，体积随温度改变气体的压强保持不变，体积随温度改变 金属的电阻温度计和温差电偶温度计金属的电阻温度计和温差电偶温度计测温范围很广

16、，在科学技术中有广泛应用测温范围很广，在科学技术中有广泛应用01000100()()XXt XXX 呼唤标准温标的出现呼唤标准温标的出现! !实验表明：实验表明：低压气体低压气体温度计比较符合温度计比较符合 标准温度计的基本要求。标准温度计的基本要求。定容气体温度计定容气体温度计定压气体温度计定压气体温度计以气体为测温物质，利用气体的压强（体积保持以气体为测温物质，利用气体的压强（体积保持不变）和体积（压强保持不变）作为温度的标志。不变）和体积（压强保持不变）作为温度的标志。ap ( )T p规定温度与压强成正比关系规定温度与压强成正比关系标准温标的固定点只有一个：标准温标的固定点只有一个：水

17、的三相点水的三相点tr273.16 KT trptr273.16 Kpp 定容气体温度计示意图定容气体温度计示意图泡泡B毛细管毛细管指示针指示针hMMO水银水银压强压强计计在待测温度不同时，气在待测温度不同时，气体的压强不同。体的压强不同。这个压这个压强可由压强计两臂水银强可由压强计两臂水银面的高度差面的高度差 h 和右臂上和右臂上端的大气压强求得。端的大气压强求得。ptr/(133.3224 Pa)373.0373.2374.0200400 600 800 1000T(ps)=373.15 KT(p)H2N2O2空气空气各种气体的各种气体的定容定容温温度计测水的沸点，其度计测水的沸点，其读数

18、的差异随着压强读数的差异随着压强 ptr 的减小而减小。的减小而减小。定压定压温度计也具有相温度计也具有相同的特点同的特点。当压强趋于零时，定容和定压这两种温度计读数的当压强趋于零时，定容和定压这两种温度计读数的差异也完全消失。差异也完全消失。trs0lim()373.15 KpT p tr00lim( )lim ( )ppT pT V 273.15Tt tr273.16 KpTp 0lim( )pT V在在压强极低压强极低的极限情况下，气体温标只的极限情况下，气体温标只取决于取决于气体的共同性质气体的共同性质（气态），而与（气态），而与特定气体的特定属性无关。特定气体的特定属性无关。根据根据

19、气体在压强趋近于零气体在压强趋近于零的极限情况下所遵循的普的极限情况下所遵循的普遍规律建立的温标，叫做遍规律建立的温标，叫做理想气体温标理想气体温标。tr0tr273.16 K limppTp 定容：定容：0tr273.16 KlimpVTV 定压：定压： 热力学温标热力学温标是一种不依赖于测温物质和测温属是一种不依赖于测温物质和测温属性的温标性的温标单位：单位：K (Kelvin) 规定：规定： Ttr = 273.16 K在理想气体温标有效范围内二者一致。在理想气体温标有效范围内二者一致。273.15Tt 开尔文开尔文 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

20、体温度计、膨胀测温法：玻璃液体温度计、 双金属温度计双金属温度计压力测温法：压力表式温度计、压力测温法：压力表式温度计、 蒸汽压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、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、频率温度计半导体温度计、频率温度计辐射测温法辐射测温法声学测温法：声学温度计声学测温法：声学温度计是一个国际协议性温标，它是一个国际协议性温标，它以以热力学温标热力学温标为基本温为基本温标标，而且复现精度高，使用方便。，而且复现精度高，使用方便。 物态方程物态方程平衡态平衡态把处于平衡态的某种物质的状态参量（如压强、体积、温度）之间把处于平衡态的某

21、种物质的状态参量（如压强、体积、温度）之间所满足的函数关系称为该物质的所满足的函数关系称为该物质的物态方程物态方程或称或称状态方程状态方程。一、理想气体物态方程一、理想气体物态方程1、玻意耳定律、玻意耳定律一定质量的气体，温度一定质量的气体，温度 t 不变不变( ,)( , ,)0TT p VF T p V 或或0(1)VVVt 0(1)pppt 盖吕萨克定律盖吕萨克定律和和查理定律查理定律pVC 体膨胀系数体膨胀系数压强系数压强系数0(1)VVVt 0(1)pppt pVC 注意：注意：（1）三条定律近似适用于所有气体，且）三条定律近似适用于所有气体，且V和和p的的数值接近；数值接近；（2）温度不要太低时，气体越稀薄，三式越精）温度不要太低时，气体越稀薄，三式越精确的描述气体状态的变化；且在确的描述气体状态的变化；且在气体无限稀薄的气体无限稀薄的极限下极限下， V和和p趋近于相同的极限值趋近于相同的极限值 。1273.15 01T 00VVTT 00ppTT 000p VpVTT 理想气