引言及第一章温度课件

1、0-1热学的研究对象、任务、应用 热学的任务：研究物质的热运动以及热运动与其它运动形式之间相研究物质的热运动以及热运动与其它运动形式之间相互转化所遵循的规律互转化所遵循的规律这种随物质冷暖变化而引起物质的物理性质发生变化这种随物质冷暖变化而引起物质的物理性质发生变化的现象的现象热现象热现象或者讲，研究有关物质的热运动以及与热联系的各种或者讲，研究有关物质的热运动以及与热联系的各种规律规律热学引言1引言及第一章温度研究的对象：大量微观粒子所组成的宏观客体大量微观粒子所组成的宏观客体热力学系统热力学系统应用：测温测温热工学和低温技术热工学和低温技术化学、化工化学、化工冶金工业冶金工业在现代科学技术

2、中在现代科学技术中2引言及第一章温度0-2热力学系统的宏观描述和微观描述 研究方法宏观理论（热力学）宏观理论（热力学）微观理论（统计物理学）微观理论（统计物理学）在大量实验的基础上总结出热力学基本定律在大量实验的基础上总结出热力学基本定律从气体的微观结构出发，应用力学规律借助从气体的微观结构出发，应用力学规律借助统计的方法研究热力学规律统计的方法研究热力学规律优点：简便、可靠、普适优点：简便、可靠、普适缺点：不能解释热现象的本质缺点：不能解释热现象的本质优点：能解释热现象的本质优点：能解释热现象的本质缺点：数学上的困难缺点：数学上的困难3引言及第一章温度0-3热学发展简史第一时期第一时期热学的

3、早期史，开始于热学的早期史，开始于1717世纪末，直到世纪末，直到1919世纪中叶，世纪中叶，这时期，积累了大量的实验和观察的事实，关于热的本性展开了研这时期，积累了大量的实验和观察的事实，关于热的本性展开了研究和讨论，为热力学理论的建立作了准备。究和讨论，为热力学理论的建立作了准备。第二时期第二时期1919世纪中叶到世纪中叶到1919世纪世纪7070年代末，热功相当原理奠定了年代末，热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础，和卡诺理论结合导致了热力学第二定律的热力学第一定律的基础，和卡诺理论结合导致了热力学第二定律的形成，与微粒说结合导致了分子运动论的建立。但热力学与分子运形成，与微粒说结合导

4、致了分子运动论的建立。但热力学与分子运动论的发展彼此隔绝的。动论的发展彼此隔绝的。第三时期第三时期1919世纪世纪7070年代末到年代末到2020世纪初，热力学与分子运动论的世纪初，热力学与分子运动论的结合导致了统计物理学的产生。结合导致了统计物理学的产生。第四时期第四时期起于起于2020世纪世纪3030年代，出现了量子统计物理学和非平衡年代，出现了量子统计物理学和非平衡态理论。形成了现代理论物理学最重要的一个部门。态理论。形成了现代理论物理学最重要的一个部门。4引言及第一章温度内内容容安安排排1 1 热力学基础热力学基础2 2 统计物理学初步知识统计物理学初步知识3 3 物性学方面的知识物性

5、学方面的知识热力学平衡态热力学平衡态 温度温度 第一章第一章 5 5学时学时热力学第一定律热力学第一定律 第二章第二章 6 6学时学时热力学第二定律热力学第二定律 第三章第三章 5 5学时学时气体动理论气体动理论 第四章第四章 8 8学时学时非平衡过程非平衡过程 第五章第五章 4 4学时学时非理想气体非理想气体 固体和液体固体和液体 第六章第六章 7 7学时学时相变相变 第七章第七章 6 6学时学时5引言及第一章温度第一章 热力学平衡态 温度 1-1热力学平衡态 状态参量 一一 热力学系统的平衡态热力学系统的平衡态热力学系统热力学系统孤立系统孤立系统封闭系统封闭系统开放系统开放系统孤立系统各部

6、分宏观性质不随时间变化的状态孤立系统各部分宏观性质不随时间变化的状态 -平衡态，否则为非平衡态平衡态，否则为非平衡态（无能量、无物质交换）（无能量、无物质交换）（有能量、无物质交换）（有能量、无物质交换）（有能量、有物质交换）（有能量、有物质交换）例例6引言及第一章温度系统呈现平衡态的条件：系统呈现平衡态的条件：（一）满足热平衡条件（一）满足热平衡条件 系统内部处处温度相等系统内部处处温度相等（二）满足力学平衡条件（二）满足力学平衡条件系统内部各部分，系统与外界之间达到力学平衡系统内部各部分，系统与外界之间达到力学平衡无外场时，压强处处相同无外场时，压强处处相同（三）满足化学平衡条件（三）满足

7、化学平衡条件无外场时，系统各部分化学组成处处相同无外场时，系统各部分化学组成处处相同1 1 条件：孤立系统条件：孤立系统2 2 热动平衡热动平衡3 3 理想状态理想状态例例7引言及第一章温度二二 状态参量状态参量 （物态参量）（物态参量）对一定质量，一定种类的化学纯的气体系统，需两个参量描述对一定质量，一定种类的化学纯的气体系统，需两个参量描述1 1 体积体积 v 从几何角度来描述的从几何角度来描述的2 2 压强压强 p 从力学的角度来描述的从力学的角度来描述的3 3 温度温度 t 从热学的角度来描述的从热学的角度来描述的对混合气体：对混合气体：化学参量化学参量摩尔数摩尔数质量质量 m若系统在

8、外场中，电磁参量若系统在外场中，电磁参量8引言及第一章温度1-2 温度和温度计 一一 热力学第零定律热力学第零定律1.1.热平衡热平衡不动绝热壁a气体b气体a气体b气体导热壁两个系统处于热平衡两个系统处于热平衡动9引言及第一章温度2.2.热力学第零定律热力学第零定律绝热壁绝热壁导热壁导热壁a、b、c达到达到热平衡热平衡a、b的状态的状态不变不变10引言及第一章温度在不受外界影响下，只要在不受外界影响下，只要a和和b同时与同时与c处于热平处于热平衡，即使衡，即使a和和b没有热接触，它们仍处于热平衡没有热接触，它们仍处于热平衡热平衡定律热平衡定律fowler于于1939年提出的，称为热力学第零定律

9、年提出的，称为热力学第零定律3.3. 温度的概念温度的概念一切互为热平衡的系统都具有相同的温度一切互为热平衡的系统都具有相同的温度11引言及第一章温度温度数值表示法温度数值表示法温标温标1.1. 经验温标经验温标 empirical temperature scale 利用某一测温物质的某一测温属性建立的温标利用某一测温物质的某一测温属性建立的温标例例 p=c，气体或液体的体积随，气体或液体的体积随t v v=c，气体或液体的压强随，气体或液体的压强随t p 金属丝的电阻随金属丝的电阻随t r光强的亮度随温度光强的亮度随温度t亮度亮度经验温标经验温标二二 温度计和温标温度计和温标12引言及第一

10、章温度建立一种经验温标要包含建立一种经验温标要包含三个要素三个要素：（1 ）选择某种测温物质，确定它的测温属性）选择某种测温物质，确定它的测温属性（2）对测温属性随温度的变化关系作出规定）对测温属性随温度的变化关系作出规定（3）选定标准温度点并规定其数值）选定标准温度点并规定其数值设：设：测温参量测温参量x( )t x ( )t xx( )t xxb,b被测系统与温度计（测温质）被测系统与温度计（测温质）热平衡热平衡时的时的温度值温度值令：令：可得：可得：待定常数待定常数13引言及第一章温度常用的几种：常用的几种：1 选定水的冰点和沸点为标准点，规定选定水的冰点和沸点为标准点，规定1atm下下

11、0和和1002 选定水的冰点和沸点为标准点，规定选定水的冰点和沸点为标准点，规定1atm下下32和和2123 选定水的三相点为标准点，选定水的三相点为标准点， 温度值选为温度值选为273.16k26.09 10ppa摄氏温标摄氏温标 celsius scale华氏温标华氏温标 fahrenheit scale开尔文温标（热力学温标）开尔文温标（热力学温标）xtixsxitstxt与与为线性关系：为线性关系：设：冰点时，温度设：冰点时，温度测温参量测温参量itix沸点时，温度沸点时，温度测温参量测温参量stsx()isiisixxttttxx热力学温标：热力学温标：( )213.16()trxt

12、 xkx14引言及第一章温度2.2. 理想气体温标理想气体温标(1).(1).气体温度计气体温度计 gas thermometer一定质量的气体，一定质量的气体，p不变，不变，定压气体温度计定压气体温度计vtv不变，不变，定体气体温度计定体气体温度计pt(2).(2).理想气体温标理想气体温标 perfect gas temperature scale 规定：标准的温度点选用水的三相点，温度值规定：标准的温度点选用水的三相点，温度值273.16k对定体气体温度计对定体气体温度计:( )273.16()trxt xkx( )273.16trpxpt pptrp 该气体在水的三相点时的压强值该气体

13、在水的三相点时的压强值15引言及第一章温度实验实验:0lim()373.15trspt pk实验结果说明实验结果说明:1 实际气体不是理想的实际气体不是理想的3 若用定压气体温度计若用定压气体温度计.可得可得2 随随 减小减小,测得的测得的 差别也愈来愈小差别也愈来愈小,不同气不同气体都有同样结果体都有同样结果trp()st p00lim( )lim ( )trppt pt v用定体气体温度计测量水的汽点用定体气体温度计测量水的汽点(沸点沸点)的温度的温度16引言及第一章温度结论结论:(体积体积v不变不变)(压强压强p不变不变)无论何种气体，无论是定体还是定压所建立的温标，无论何种气体，无论是

14、定体还是定压所建立的温标，在气体压强趋于零时在气体压强趋于零时,都趋于一共同的极限值都趋于一共同的极限值,这个极限这个极限值的温标为理想气体温标值的温标为理想气体温标:00lim( )273.16limtrtrpptrptt pkp00lim ( )273.16limpptrvtt vkv气体的液化点以下和高温气体的液化点以下和高温1000 以上不适用以上不适用最低温度为最低温度为1k,1k,用氦为测温质用氦为测温质17引言及第一章温度3 3热力学温标热力学温标 thermodynamic scale of temperature不依赖测温物质和测温属性的温标不依赖测温物质和测温属性的温标 -

15、热力学温标热力学温标可用理想气体温标在一定范围内实现热力学温标可用理想气体温标在一定范围内实现热力学温标开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温标开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温标也是理论温标也是理论温标.18引言及第一章温度要点要点:1 规定热力学温标为基本温标规定热力学温标为基本温标,单位单位:开尔文开尔文 符号符号:k2 规定水的三相点的热力学温度为规定水的三相点的热力学温度为273.16k3 摄氏温标由热力学温标导出摄氏温标由热力学温标导出: t=t-273.154.4.国际温标国际温标 international temperature scale 国际间协议性温标国际间

16、协议性温标its90 温度范围从温度范围从0.65k-2357.77k19引言及第一章温度三三 温度的范围温度的范围20引言及第一章温度四四 温度测量的方法温度测量的方法（一）膨胀测温法（一）膨胀测温法玻璃液体温度玻璃液体温度计计双金属温度双金属温度计计-30600-80600（二）压力测温法（二）压力测温法定体气体温度定体气体温度计计压力表式温度计压力表式温度计4k550精度高精度高蒸气压式温度计蒸气压式温度计（三）电磁学测温法（三）电磁学测温法电阻温度计电阻温度计温差热电偶温度计温差热电偶温度计灵敏度高灵敏度高半导体热敏电阻温度计半导体热敏电阻温度计（四）辐射测温法（四）辐射测温法频率温度

17、计频率温度计光学温度计光学温度计准确度最高，可数字准确度最高，可数字 化化辐射高温度计辐射高温度计（五）声学测温法（五）声学测温法比色高温度计比色高温度计声学温度计声学温度计噪声温度计噪声温度计灵敏度高灵敏度高21引言及第一章温度1-4理想气体状态方程 一一 热力学系统的状态方程热力学系统的状态方程若对于一个一定质量的各向同性的热力学系统，在无外场作用下，若对于一个一定质量的各向同性的热力学系统，在无外场作用下，可用可用v、p、t 三个参量来描述，实验表明这三者不是独立的。三个参量来描述，实验表明这三者不是独立的。( , )tf v p或或( , , )0f t v p 二二 理想气体及其状态

18、方程理想气体及其状态方程由实验找出理想气体状态方程由实验找出理想气体状态方程结论结论:r普适气体常量普适气体常量 universal gas constant（ 摩尔气体常量）摩尔气体常量）无论什么气体，多少温度，当无论什么气体，多少温度，当p 0时，时， 常量，定义用常量，定义用r表示表示 pvt严格遵从严格遵从 的气体的气体理想气体理想气体pvrtequation of state of perfect gas 22引言及第一章温度1mol 理想气体状态方程理想气体状态方程pvrt对对m质量的理想气体，设摩尔质量质量的理想气体，设摩尔质量则有则有 摩尔气体摩尔气体mmpvrtm 质量的理想

19、气体状态方程质量的理想气体状态方程1 1 理想气体不存在理想气体不存在2 2 常温常压下实际气体近似为理想气体常温常压下实际气体近似为理想气体在标准状态下，在标准状态下，1mol理想气体理想气体501.013 10 pap 0273.15kt 33-1022.4l22.4 10 m molv-1-10008.31j molkp vrt23引言及第一章温度由理想气体物态方程由理想气体物态方程实验定律实验定律1 当当,m t不变时，不变时，mpvrt常数常数玻意耳玻意耳马略特定律马略特定律2 当当,m p不变时，不变时，vmrtp常数常数盖吕萨克定律盖吕萨克定律0(1)vvt1273.15称为气体

20、的体膨胀系数称为气体的体膨胀系数pmrtv常数常数查理定律查理定律0(1)ppt1273.15压强（温度）系数压强（温度）系数3 当当,m v不变时，不变时，4 阿伏伽德罗定阿伏伽德罗定律律在相同在相同 t 和和 p，1mol任何气体的任何气体的v 相等相等24引言及第一章温度三三 混合理想气体状态方程混合理想气体状态方程若气体由若气体由a种气体种气体，1mol由由b种气体，种气体，2mol种理想气体组成种理想气体组成n道尔顿分压定律：道尔顿分压定律：dalton law of partial pressure混合气体压强等于各组分的分压强之和混合气体压强等于各组分的分压强之和各组分单独存在时

21、与混合气体同温同体积时的压强12npppp令令 为混合气体的摩尔数为混合气体的摩尔数1212nnmmmmpvrtrt混合理想气体物态方程混合理想气体物态方程平均摩尔质量平均摩尔质量121212nnnmmmmmmm25引言及第一章温度四四 理想气体的理想气体的p v t 图图1 v不变时，投影在不变时，投影在pt图上为等体线是一直线。图上为等体线是一直线。123vvvv pt2 t不变时，投影在不变时，投影在pv图上为等温线是一双曲线。图上为等温线是一双曲线。123pppp vt3 p不变时，投影在不变时，投影在vt图上为等压线是一直线。图上为等压线是一直线。321tttt等温线越靠近原点等温线

22、越靠近原点pvconstantt1p2p3p1v2v3vvt等压线26引言及第一章温度理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用要求要求:1 对对的物理内容有全面的理解的物理内容有全面的理解mpvrt2 确定合适的研究对象，认真分析状态及过程特征确定合适的研究对象，认真分析状态及过程特征例11氧气瓶体积氧气瓶体积v=30l，充满氧气后压强为，充满氧气后压强为p1=130atm,按按理当压强下降到理当压强下降到p2=10atm时要重新充气，现在每天用时要重新充气，现在每天用v=40l， p3=1atm的氧气，问一瓶氧气用多少天？的氧气，问一瓶氧气用多少天？27引言及第一章温度例2一水银气压计管

23、一水银气压计管.水银面到管顶的距离为水银面到管顶的距离为lmm,在标准大在标准大气压相当于气压相当于hmmhg高和温度高和温度t1下，有一个空气泡进入下，有一个空气泡进入管中，因此管内水银柱长度减为管中，因此管内水银柱长度减为h1mm, ,试求修正量试求修正量pp的的表达式，引入这个修正量将可以在任何温度表达式，引入这个修正量将可以在任何温度t管内水银管内水银柱的任何高度柱的任何高度hmm时利用气压计准确测量气压。时利用气压计准确测量气压。例3一只气球一只气球,在标准状态下可带在标准状态下可带179n的总负载的总负载,当上升到气当上升到气压为压为0.66atm,温度为温度为-10 的高度时的高度时, ,气球所带的总负载气球所带的总负载是多少是多少?(?(气球体积不变气球体积不变) )28引言及第一章温度29引言及第一章温度测温泡待测液体毛细管保持在同