-平衡态理想气体状态方程热力学第零定律

1、 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五第十二章第十二章 气体动理论气体动理论 Kinetic theory of gases12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 Equilibrium state State equation of ideal gas 热力学第零定律热力学第零定律 Zeroth law of thermodynamics12-2 物质的微观模型物质的微观模型 统计规律性统计规律性 Microscopic model of the matter

2、Statistical law12-3 理想气体的压强公式理想气体的压强公式 Pressure equation of ideal gas12-4 理想气体分子的平均平动动能与理想气体分子的平均平动动能与 温度的关系温度的关系 The relationship of temperature and mean translation kinetic energy of ideal gas molecule 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五第十二章第十二章 气体动理论气体动理论 K

3、inetic theory of gases12-5 能量均分定理能量均分定理 理想气体内能理想气体内能 Equipartition theorem of energy Internal energy of ideal gas12-6 麦克斯韦气体分子速率分布定律麦克斯韦气体分子速率分布定律 The Maxwell distribution law of speed of gas molecule 12-7 玻耳兹曼能量分布定律玻耳兹曼能量分布定律 The Boltzmann distribution law12-8 分子平均碰撞次数和平均自由程分子平均碰撞次数和平均自由程 Mean coll

4、ision times and mean free path of molecular 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律一、气体的状态参量一、气体的状态参量1.状态参量状态参量（State parameter） 描述系统状态的变量称为状态参量。描述系统状态的变量称为状态参量。状态参量分状态参量分为宏观量与微观量为宏观量与微观量。2.宏观量宏观量（macroscopic variable） 从整

5、体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。(1)广延量广延量如如: 质量质量M、体积、体积V 等等, 可以累加。可以累加。(2)强度量强度量如如: 压强压强P、温度、温度T 等，等， 不可累加。不可累加。 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五3.微观量微观量 （microcosmic variable） 描述系统内微观粒子的物理量。描述系统内微观粒子的物理量。 如分子的质量如分子的质量m、直径直径 d 、速度、速度v、能量、能量 等。等。4

6、.宏观量和微观量的关系宏观量和微观量的关系 宏观量与微观量有一定的内在联系。宏观量与微观量有一定的内在联系。气体是一个气体是一个宏观的热力学系统。宏观的热力学系统。组成气体的分子或原子都是微观组成气体的分子或原子都是微观粒子，它们构成了很多不同的微观状态。粒子，它们构成了很多不同的微观状态。即宏观的热即宏观的热力学系统包含了大量不同的微观状态力学系统包含了大量不同的微观状态。 例如，气体的压强是大量分子撞击器壁的平均例如，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。效果，它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体

7、状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五5.气体的状态参量气体的状态参量 （State parameter of gas） 对于一定质量对于一定质量(M )的气体，它的状态一般可以用的气体，它的状态一般可以用下列三个量来表示。下列三个量来表示。(1)气体所占的体积气体所占的体积V 是气体分子所能达到的空间是气体分子所能达到的空间,与气体分子本身体与气体分子本身体积的总和是完全不同的；积的总和是完全不同的；(2)压强压强P 气体作用在容器壁单位面积上的指向器壁的垂气体作用在容器壁单位面积上的指向器壁的垂直作用力，是气体分子对器壁碰撞的宏

8、观表现；直作用力，是气体分子对器壁碰撞的宏观表现； 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五(3)温度温度T 与物质分子运动密切相关，温度的不同反映物质与物质分子运动密切相关，温度的不同反映物质内部分子运动剧烈程度的不同。内部分子运动剧烈程度的不同。6.状态参量描述的状态状态参量描述的状态 只有平衡态才可用状态参量来描述只有平衡态才可用状态参量来描述，否则，非平，否则，非平衡态中的各个状态参量都在不断变化，无法用统一的衡态中的各个状态参量都在不断变化，无法用统一的参量来描述系统的状态。

9、参量来描述系统的状态。 我们我们主要研究平衡态的热学规律主要研究平衡态的热学规律。 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五二、理想气体状态方程二、理想气体状态方程 State equation of ideal gas1.理想气体理想气体 在任何条件下都严格遵守三条实验定律在任何条件下都严格遵守三条实验定律(波义耳定波义耳定律、盖律、盖吕萨克定律和查理定律吕萨克定律和查理定律)的气体，称为理想气的气体，称为理想气体。是一种理想化的物理模型。体。是一种理想化的物理模型。2.实际气体实际

10、气体 压强不太大压强不太大(与大气压相比与大气压相比)，温度不太低，温度不太低(与室温与室温相比相比)的条件下的条件下, 可近似地看成理想气体可近似地看成理想气体。3.气体的状态方程气体的状态方程 反映气体的压强、体积和温度之间的关系式称为反映气体的压强、体积和温度之间的关系式称为气体的状态方程气体的状态方程。 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五 v气体的摩尔数；气体的摩尔数； 摩尔质量，摩尔质量， R摩尔气体常量，摩尔气体常量，R=8.31J/molK。RTMpVvRTpV 或

11、4.理想气体的状态方程理想气体的状态方程5.理想气体的等温线理想气体的等温线 当气体的温度一定，当气体的温度一定，P、V 之间的关系曲线称为之间的关系曲线称为理想气体的等温线。是一理想气体的等温线。是一条等轴的双曲线。条等轴的双曲线。1T2T3TVPO321TTT 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五三三、热力学第零定律热力学第零定律1.热力学系统热力学系统 (Thermodynamics system) 在热力学中，一般把所研究的物体或物体组称为在热力学中，一般把所研究的物体或物

12、体组称为热力学系统热力学系统，简称为，简称为系统系统。2.外界外界 热力学系统以外的物体称为热力学系统以外的物体称为外界外界。3.热力学系统的分类热力学系统的分类(1)孤立系统孤立系统 与外界没有任何联系与外界没有任何联系(即没有任何即没有任何能量能量或或物质物质的交的交换，或者联系微弱，影响可以忽略不计换，或者联系微弱，影响可以忽略不计) 的热力学系统的热力学系统称为称为: 孤立系统孤立系统。 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五(2)封闭系统封闭系统 与外界只有能量的交换而没有

13、物质的交换的热力学系统与外界只有能量的交换而没有物质的交换的热力学系统称为称为: 封闭系统封闭系统。(3)开放系统开放系统 与外界既有能量交换又有物质交换的热力学系统称为与外界既有能量交换又有物质交换的热力学系统称为:开放系统开放系统。4.热力学的平衡态热力学的平衡态(1)热力学的平衡状态热力学的平衡状态 一个孤立的热力学系统，无论其初始的情况多么复杂，一个孤立的热力学系统，无论其初始的情况多么复杂，只要经过足够长的时间，系统都会达到某种特定的状态，在只要经过足够长的时间，系统都会达到某种特定的状态，在这种状态下孤立系统的这种状态下孤立系统的宏观性质宏观性质(温度、压强、体积温度、压强、体积)

14、在长时在长时间内不会发生任何变化。这种状态称为间内不会发生任何变化。这种状态称为热力学的平衡状态热力学的平衡状态。 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五(2)热动平衡热动平衡 热力学的平衡状态又称为热动平衡热力学的平衡状态又称为热动平衡。因为组成系。因为组成系统的分子或原子仍在作永不停息的热运动，而且因为统的分子或原子仍在作永不停息的热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量但是系统的宏观量不随时间改变。宏观上表现为平衡态。不随时间

15、改变。宏观上表现为平衡态。5.热力学的平衡态的特点热力学的平衡态的特点(1)系统的宏观性质系统的宏观性质 (温度、压强等温度、压强等)不随时间变化。不随时间变化。(2)组成系统的分子或原子在平衡态时仍然处在不停的组成系统的分子或原子在平衡态时仍然处在不停的 运动中。运动中。(3)不同的热力学平衡系统，具有不同的宏观物理性质不同的热力学平衡系统，具有不同的宏观物理性质 (温度、压强等温度、压强等) 。 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五6.热平衡与平衡过程热平衡与平衡过程(1)绝热

16、和透热绝热和透热 如果被某器壁隔开的两个热力学系统之间，在不如果被某器壁隔开的两个热力学系统之间，在不发生物质交换和力的相互作用的前提下，发生物质交换和力的相互作用的前提下，两个系统的两个系统的状态可以独立的变化状态可以独立的变化，称这两个系统之间是，称这两个系统之间是绝热的绝热的，否则就是否则就是透热透热的。的。(2)热接触热接触 两个通过两个通过透热物体透热物体(透热壁透热壁)而相互接触的系统称为而相互接触的系统称为热接触热接触。(3)热平衡热平衡(系统之间的热平衡系统之间的热平衡) 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律

17、理学院 物理系 2021年11月12日星期五(4)平衡过程平衡过程 从一个状态到另一个状态的变化过程如果进展的从一个状态到另一个状态的变化过程如果进展的十分缓慢十分缓慢，所经历的一系列中间状态都，所经历的一系列中间状态都无限接近平衡无限接近平衡态态，这个过程就称为，这个过程就称为平衡过程，又称准静态过程平衡过程，又称准静态过程。(5)实际过程实际过程 在实际问题中，除了一些进行极快的过程在实际问题中，除了一些进行极快的过程(如爆炸如爆炸过程过程)外，大多数情况下都可把实际过程近似看成是准外，大多数情况下都可把实际过程近似看成是准静态过程。静态过程。 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理

18、想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日星期五7.热平衡定律热平衡定律(热力学第零定律热力学第零定律) 同时与同时与第三个第三个系统达到热平衡的系统达到热平衡的两个系统两个系统也必处于也必处于热平衡状态之中。这一经验规律称为热平衡状态之中。这一经验规律称为热平衡定律热平衡定律，也称，也称为为热力学第零定律。热力学第零定律。 热平衡定律是热力学中的一条重要的基本规律热平衡定律是热力学中的一条重要的基本规律。ACCBAB如果如果A 和和C 处处于热平衡状态于热平衡状态B 和和C 也处于也处于热平衡状态热平衡状态则则A 和和B 也处也处于热平衡状态于热平衡状态 大学物理大学物理 12-1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 热力学第零定律热力学第零定律 理学院 物理系 2021年11月12日