热力学的平衡态和状态方程PPT课件

1、热学的研究方法：1、宏观方法（based on macroscopic view）2、微观方法（ based on microscopic view）最基本的实验规律 物质的微观结构 + 统计方法宏观方法与微观方法是相辅相成的。 优点：揭示了热现象的微观本质。 优点：高度的可靠性、普遍性。 逻辑推理(运用数学工具)称为热力学(Thermodynamics)称为统计力学称为统计力学气体分子运动论(气体动理论)是其初级理论(Statistical Mechanics)缺点：可靠性、普遍性较差。缺点：未揭示微观本质，不涉及物质自身的热学特性的解释。缺点：未揭示微观本质，不涉及物质自身的热学特性的解释

2、。第1页/共25页第1章 热力学系统的平衡态及状态方程1 热力学系统及其状态参量一、热力学系统(Thermodynamic System) 热力学系统按照其与外界间的物质、能量交换关系，分为： 孤立系封闭系（闭系）开放系（开系） （isolated）(closed)（open） 包含大量的分子、原子，其数量以阿伏加德罗常数（Avgadro Constant)计NA=6.021023（mol-1）例：以容器内水为研究对象（系统），例：以容器内水为研究对象（系统）， 则其它均为外界则其它均为外界第2页/共25页二、宏观量与微观量1、宏观量（Macroscopic Quantity）3、微观量与宏观

3、量有一定的内在联系。2、微观量（Microscopic Quantity）从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。例如：压强p、 描述系统内微观粒子个体特征的物理量。例如，气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果；例如，气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果； 物质的温度是大量分子作无规则热运动的剧烈程度物质的温度是大量分子作无规则热运动的剧烈程度的宏观体现。的宏观体现。可以累加的量广延量强度量质量M、不可累加的量体积V、内能E例如：温度T 、分子数密度n如：分子的质量m、直径 d 、速度 v、动量 p、能量 等。第3页/共25页三、平衡态(Equilibrium State)1) 平衡态的

4、基本特征：平衡态的基本特征：无宏观的物质流动和能量流动无宏观的物质流动和能量流动。说明：说明： 2) 是是动态平衡（动态平衡（Dynamic Equilibrium）： 在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间改变的状态，称为平衡态。是一种理想模型，也是本课程的主要研究内容。是一种理想模型，也是本课程的主要研究内容。处在平衡态的大量分子仍在做热运动，而且因为碰撞，处在平衡态的大量分子仍在做热运动，而且因为碰撞， 每个分子的速度频繁改变，但系统的宏观量保持不变。每个分子的速度频繁改变，但系统的宏观量保持不变。第4页/共25页又如：布朗运动就是一种可观测的涨落现象。3) 存在存在涨落现象涨落

5、现象(Fluctuation)：此例中两侧粒子数不可能严格相同，这里的偏差此例中两侧粒子数不可能严格相同，这里的偏差即称为涨落。即称为涨落。例如： 处在平衡态的系统的宏观量，如压强、密度等量，总体处在平衡态的系统的宏观量，如压强、密度等量，总体上不随时间改变，上不随时间改变， 但不能保证任何时刻大量分子分布与但不能保证任何时刻大量分子分布与运动的情况完全均匀一致。运动的情况完全均匀一致。分子数越多，涨落就越小，宏观态就越稳定。分子数越多，涨落就越小，宏观态就越稳定。第5页/共25页2 温度与温标一、热力学第零定律若两个物体均分别与第三个物体处于热平衡，则若两个物体均分别与第三个物体处于热平衡，

6、则这两个物体间亦必处于热平衡。这两个物体间亦必处于热平衡。（The Zeroth Law of Thermodynamics）热平衡（Thermal Equilibrium）:发生热接触的两物体在不受外界影响时总会共同达到平衡态，则说：这两个物体之间处于热平衡状态，或曰：达到了热平衡。热接触（Thermal Contact）:两个互相接触的物体之间能够在某种情况下彼此发生能量（热量）交换。热流（Heat Flow）且实验证明:热力学第零定律热力学第零定律（热平衡定律）（热平衡定律）第6页/共25页二、温度（Temperature）的宏观概念温度：温度：思考：思考：我们常常称温度为我们常常称温度

7、为“物体冷热程度的量度物体冷热程度的量度”，这，这种说法是否严格？种说法是否严格？三、温标（Temperature Scale）温度的定量表达。温度的定量表达。处于热平衡态下的各个系统所共同具有的宏观性质。处于热平衡态下的各个系统所共同具有的宏观性质。在实践中，一般利用某种物质的某种热平衡状态（如：水在实践中，一般利用某种物质的某种热平衡状态（如：水的三相点和沸点）作为温标的的三相点和沸点）作为温标的基准点基准点，再借助物质的某种，再借助物质的某种宏观性质宏观性质（如：体积、气压、电阻、光辐射强度（如：体积、气压、电阻、光辐射强度）随）随温度的变化标定出温度的数值。温度的变化标定出温度的数值。

8、日常生活中常用的温标：日常生活中常用的温标： 摄氏（摄氏（Celsius）温标）温标华氏（华氏（Fahrenheit）温标）温标由此制成测量温度的仪器：由此制成测量温度的仪器：温度计（温度计（Thermometer）第7页/共25页v理想气体温标与热力学温标理想气体（Ideal Gas）：从热平衡定律出发可以论证：存在一种不依赖于任何具体物质特性的温标，称为热力学温标。在同一温度下，体积与压强的乘积保持为常数的气体。在理想气体温标的有效范围内，热力学温标与理想气体温标是完全相同的。常常量量 pV根据理想气体这一性质确定的温标称为理想气体温标。热力学温标下的温度又称为绝对温度，记为T。温度的国际

9、单位为：K （Kelvin）热力学温度T与摄氏温度t的换算关系：15.273 tT（K）第8页/共25页3 状态方程 常常用p，V和T 这三个宏观量即可完备地描述热力学系统的平衡态。称为状态方程（或物态方程）。0),( TVpf但实验证明，它们并非彼此独立，而是相互依赖的，且但实验证明，它们并非彼此独立，而是相互依赖的，且总可满足一定的函数关系（具体由物质自身的性质决定）：总可满足一定的函数关系（具体由物质自身的性质决定）：一、状态方程的一般概念其中为总质量为M的气体分子的摩尔数（mol）注意该状态方程的适用条件：RTpV M分子摩尔质量温度足够高，压强足够低（分子密度足够小）二、理想气体的状

10、态方程第9页/共25页1、体膨胀系数在一定压强下，体积随温度增大的相对变化率 三、描述物质状态变化性质的物理量pTVV 12、等温压缩系数由状态方程0),( TVpf可定义： V),(pTV在一定温度下，体积随压强减小的相对变化率 TpVV 1对于理想气体： T1 p1第10页/共25页3、等体压强系数在一定体积下，压强随温度增大的相对变化率 三、描述物质状态变化性质的物理量VTpp 1由状态方程0),( TVpf可定义： p),(TVp对于理想气体： T1 1、体膨胀系数 pTVV 12、等温压缩系数 TpVV 1对于理想气体： T1 p1一般地，可以证明： p第11页/共25页作业： p3

11、9 1.1，1.3，1.10，1.14，1.21 1.28第12页/共25页4 理想气体的压强与温度一、气体分子运动论的基本观点1、宏观的气体物质由大量微观粒子（分子、原子）组成，、宏观的气体物质由大量微观粒子（分子、原子）组成，分子之间有一定的间隙。分子之间有一定的间隙。气体分子的密度（标准状态） 1019 个分子/cm32、分子不停地作无规则热运动分子的平均碰撞次数：z 1010 次/秒 。3、分子间有一定的作用力。分子热运动的平均速度 v 102m/s 。长程力碰撞力气体分子的平均间距约为分子自身大小的10倍。第13页/共25页二、理想气体的微观模型1、理想气体的分子之间的平均间隙远大于

12、分子自身尺度，可、理想气体的分子之间的平均间隙远大于分子自身尺度，可作为质点处理。作为质点处理。2、分子间的长程力可忽略不计。3、分子间的碰撞为完全弹性的，且分子运动可用牛顿定律、分子间的碰撞为完全弹性的，且分子运动可用牛顿定律处理。处理。 存在的问题：存在的问题： 分子数目十分巨大，如果对每一个分子列出其动力学方分子数目十分巨大，如果对每一个分子列出其动力学方程，则因联立方程的数量亦十分巨大，故对每一个分子的程，则因联立方程的数量亦十分巨大，故对每一个分子的运动一一求解，是不可能的，实际上也不必要。运动一一求解，是不可能的，实际上也不必要。 我们实际关心的不是每一个分子的运动，而是所有分子我

13、们实际关心的不是每一个分子的运动，而是所有分子的运动在宏观上造成的总的（平均）效果。的运动在宏观上造成的总的（平均）效果。q对单个分子的力学性质的假设（分子模型）第14页/共25页q对平衡态下分子集体的统计假设1、平衡态下分子按位置的分布是均匀的，即分子数密度平衡态下分子按位置的分布是均匀的，即分子数密度n处处处相等（忽略重力影响）。处相等（忽略重力影响）。2、平衡态下分子的速度按方向的分布是各向均匀的。即：zyxvvv 222zyxvvv 32222vvvvzyx 2222vvvvzyx 0 0 v第15页/共25页三、理想气体的压强公式1、压强的微观解释（The Microscopic I

14、nterpretation of Pressure）压强的定义：大量气体分子同时对器壁频繁碰撞所产生的冲力的总效果。SFp ? F第16页/共25页2、压强公式的推导1) 先考虑任一个分子。设其以速度先考虑任一个分子。设其以速度vi 向着器壁运动。向着器壁运动。2) 设单位体积内速度为设单位体积内速度为vi 的分子数为的分子数为ni，考虑在时间，考虑在时间dt内以该速度碰撞内以该速度碰撞于面元于面元S上的分子数上的分子数dNi。此次碰撞中器壁受到的冲量为： x(器壁的法向）SFvi则反弹后的则反弹后的x方向的分速度为：方向的分速度为： pimvix2ixv 0 ixv第17页/共25页 x(器

15、壁的法向）SF4) 器壁实际所受冲力应为以各种速度碰撞于面元器壁实际所受冲力应为以各种速度碰撞于面元S上的所上的所有分子的总贡献：有分子的总贡献：vi dt3) 所以，在时间所以，在时间dt内以速度内以速度vi碰碰撞于面元撞于面元S上的分子给器壁上的分子给器壁的总冲量为：的总冲量为：显然有：注意：注意：vix0 FSnvmivixix )0(22 iNdVnidStvnixi d iIdiixNmvd2 Stvmnixi d22 iF) 0( ixv2) 设单位体积内速度为设单位体积内速度为vi 的分子数为的分子数为ni，考虑在时间，考虑在时间dt内以该速度碰撞内以该速度碰撞于面元于面元S上的

16、分子数上的分子数dNi。 iF所贡献的力：所贡献的力：tIiddSvmnixi 22第18页/共25页设：单位体积内，运动速度满足设：单位体积内，运动速度满足vix0的分子数为的分子数为n F由统计假设： p器壁所受的压强为：器壁所受的压强为：又由统计假设：又由统计假设：231vmnp SnvmFivixix )0(22Svmnx 2得：得：222zyxvvv 32v ivixnvix )0(2 iiixnv2 ivixnvix )0(221 k32 n k 221vm2xvmnSF Snvmiiix 2Snnvmniiix 2第19页/共25页2 2、压强公式的物理意义其中：k23231 n

17、vmnp nvnviii 222k21vm VNn 表明了宏观量（压强）与微观量（分子质量、速率、动表明了宏观量（压强）与微观量（分子质量、速率、动能、个数能、个数）的定量关系；）的定量关系； 适用于平衡态；适用于平衡态； 是一条统计规律，极大量分子集体作用于器壁。是一条统计规律，极大量分子集体作用于器壁。分子速率的方均值分子平动动能的平均值单位体积的分子数单位体积的分子数（分子数密度）（分子数密度）第20页/共25页四、理想气体的温度公式k23231 nvmnp 理想气体状态方程的另一种形式： p结合压强公式得分子平均平动动能：TkBk23 TkvmB22321 或：TNRVNAA TNRV

18、NA TnkB 玻尔兹曼常数ABNRk -123JK1038. 1 （温度的微观解释）RTV 第21页/共25页q温度公式的物理意义1) 温度是物质分子运动剧烈程度的温度是物质分子运动剧烈程度的量度。量度。3) 可由温度求出理想气体分子在平衡态下速率的可由温度求出理想气体分子在平衡态下速率的“方均根方均根”（root-mean-square speed，或，或“方均根速率方均根速率”）：）：TkBk23 TkvmB22321 或2rmsvv 其中，其中，为理想气体为理想气体的摩尔质量的摩尔质量mTkB3 RT3 2) 温度表征极大量分子集体的运动温度表征极大量分子集体的运动特征。特征。思考：如果问思考：如果问“