桂电2014热学-绪论及第一章

1、热学热学热学是研究物质热现象、热运动规律以及热热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它运动形式之间转化规律的学科运动同其它运动形式之间转化规律的学科 (thermodynamics)布朗运动：布朗运动：扩散现象：扩散现象：贝纳德流：贝纳德流：各式各样的雪花：各式各样的雪花：自然界奇观：自然界奇观：粘滞现象：粘滞现象：毛细管现象：毛细管现象：空气循环：空气循环：热学内容体系：热学内容体系：温温 度度热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律宏观理论部分宏观理论部分固固 体体 、液、液 体体相相 变变物性学部分物性学部分气体动理论气体动理论气体内的输运过程气体内的输运过程微观

2、理论部分微观理论部分热学热学（热力学）（热力学）（统计物理）（统计物理）（物性学）（物性学）第一章温度第一章温度TEMPERATURE热力学系统：热力学系统：热力学系统（简称系统）热力学系统（简称系统）：热学所研究的对象热学所研究的对象绝热系统绝热系统：与外界不交换物质也无热量传递与外界不交换物质也无热量传递封闭系统封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量与外界不交换物质但可交换能量开放系统开放系统：与外界既交换物质又交换能量与外界既交换物质又交换能量(system)(isolated system)(closed system)(open system)状态参量状态参量：与系统内部状态有关的宏

3、观物理量与系统内部状态有关的宏观物理量(state parameter)孤立系统孤立系统：与外界不交换物质和能量与外界不交换物质和能量(isolated system)平衡态：平衡态：(equilibrium state ) 在不受外界条件影响下，系统宏观性质不随时间在不受外界条件影响下，系统宏观性质不随时间变化的状态。变化的状态。平衡态：平衡态：例例1 1：自由膨胀实验：自由膨胀实验例例2 2：热传导实验：热传导实验C 100C 0稳恒态稳恒态(steady state)热力学第零定律：热力学第零定律：(Zeroth law of Thermodynamics )热力学第零定律热力学第零定律

4、: : 如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡学系统处于热平衡, ,则这两个热力学系统彼此也必定处则这两个热力学系统彼此也必定处于热平衡于热平衡. .（也称热平衡定律）（也称热平衡定律）CABA、B分别与分别与C达到热平衡达到热平衡CABA、B也达到热平衡也达到热平衡转动式温度计：转动式温度计转动式温度计：转动式温度计是由一个卷曲的双金属片制成。是由一个卷曲的双金属片制成。双金属片一端固定，另一端连双金属片一端固定，另一端连接着指针。两金属片因膨胀程接着指针。两金属片因膨胀程度不同，在不同温度下，造成度不同，在不同温度下，造成双金属

5、片卷曲程度不同，指针双金属片卷曲程度不同，指针则随之指在刻度盘上的不同位则随之指在刻度盘上的不同位置，从刻度盘上的读数，便可置，从刻度盘上的读数，便可知其温度。知其温度。 温度计：温度计：(thermometer)电阻温度计：金属的电阻会随温度增电阻温度计：金属的电阻会随温度增加而增加，在温度变化不大的情况下，加而增加，在温度变化不大的情况下，其电阻与温度约成线性关系，在更大的其电阻与温度约成线性关系，在更大的温度范围，通常可用简单的二次多项式温度范围，通常可用简单的二次多项式表示。透过测量金属的电阻，便可知道表示。透过测量金属的电阻，便可知道温度为何。此种温度计通常用白金线制温度为何。此种温

6、度计通常用白金线制成，可精确到成，可精确到10103 3摄氏度，常用于精摄氏度，常用于精密的测量。由于白金熔点高，所以可测密的测量。由于白金熔点高，所以可测量的温度范围更大，约在摄氏量的温度范围更大，约在摄氏250250至至12001200左右。左右。 温度计：温度计：(thermometer)半导体温度计：半导体的电阻半导体温度计：半导体的电阻变化和金属不同，温度升高时，变化和金属不同，温度升高时，其电阻反而减少，并且变化幅其电阻反而减少，并且变化幅度较大。因此少量的温度变化度较大。因此少量的温度变化也可使电阻产生明显的变化，也可使电阻产生明显的变化，所制成的温度计有较高的精密所制成的温度计

7、有较高的精密度，常被称为感温器。度，常被称为感温器。 温度计：温度计：(thermometer)热电偶温度计：热电偶温度计热电偶温度计：热电偶温度计是由两条不同金属连接着一个是由两条不同金属连接着一个灵敏的电压计所组成。金属接灵敏的电压计所组成。金属接点在不同的温度下，会在金属点在不同的温度下，会在金属的两端产生不同的电位差。电的两端产生不同的电位差。电位差非常微小，故需灵敏的电位差非常微小，故需灵敏的电压计才能测得。由电压计的读压计才能测得。由电压计的读数，便可知道温度为何。数，便可知道温度为何。 温度计：温度计：(thermometer)光测高温计：物体温度若高到会发出光测高温计：物体温度

8、若高到会发出大量的可见光时，便可利用测量其热辐大量的可见光时，便可利用测量其热辐射的多寡以决定其温度，此种温度计即射的多寡以决定其温度，此种温度计即为光测温度计。此温度计主要是由装有为光测温度计。此温度计主要是由装有红色滤光镜的望远镜及一组带有小灯泡、红色滤光镜的望远镜及一组带有小灯泡、电流计与可变电阻的电路制成。使用前，电流计与可变电阻的电路制成。使用前，先建立灯丝不同亮度所对应温度与电流先建立灯丝不同亮度所对应温度与电流计上的读数的关系。使用时，将望远镜计上的读数的关系。使用时，将望远镜对正待测物，调整电阻，使灯泡的亮度对正待测物，调整电阻，使灯泡的亮度与待测物相同，这时从电流计便可读出与

9、待测物相同，这时从电流计便可读出待测物的温度了。待测物的温度了。 温度计：温度计：(thermometer)红外线温度计：是一种在线监测（不红外线温度计：是一种在线监测（不停电）式高科技检测技术，它集光电成停电）式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线（红一身，通过接收物体发出的红外线（红外辐射），将其热像显示在荧光屏上，外辐射），将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。具有准确、实时、快速等优点。 温度计：温度计：(ther

10、mometer)液晶温度计：用不同配方制液晶温度计：用不同配方制成的液晶，其相变温度不同，成的液晶，其相变温度不同，当其相变时，其光学性质也会当其相变时，其光学性质也会改变，使液晶看起来变了色。改变，使液晶看起来变了色。如果将不同相变温度的液晶涂如果将不同相变温度的液晶涂在一张纸上，则由液晶颜色的在一张纸上，则由液晶颜色的变化，便可知道温度为何。此变化，便可知道温度为何。此温度计之优点是读数容易，而温度计之优点是读数容易，而缺点则是精确度不足，常用于缺点则是精确度不足，常用于观赏用鱼缸中，以指示水温。观赏用鱼缸中，以指示水温。温度计：温度计：(thermometer)温标：温标：(temper

11、ature scale)(1) (1) 经验温标经验温标（empirical temperature scale）建立经验温标的三要素建立经验温标的三要素:选择测温物质，确定测温参量选择测温物质，确定测温参量选定固定点选定固定点进行分度，即规定测温参量随进行分度，即规定测温参量随温度的变化关系温度的变化关系优点优点: 方便方便缺点缺点: 不同测温物质测出的结果有偏差，不精确不同测温物质测出的结果有偏差，不精确例例3： 用一液体温度计测一系统的温度为用一液体温度计测一系统的温度为20C，液柱，液柱高高10cm，用它测另一系统的温度读数为，用它测另一系统的温度读数为40C，此时，此时液柱高为液柱高

12、为20cm。该温度计的测温关系式可表示成：。该温度计的测温关系式可表示成： 。2th (2) (2) 理想气体温标理想气体温标（ideal gas thermometric scale ）温标：温标：(temperature scale)0( )PRTVP 0273.16trP VR 该气体温度计在水的三相该气体温度计在水的三相点时的压强为点时的压强为P Ptr trtrpPPKPTtr0lim16.273)( 优点优点: 测量结果与气体的种类无关，比较精确测量结果与气体的种类无关，比较精确缺点缺点: 不方便，理想气体对测温范围有限制不方便，理想气体对测温范围有限制气体温度计：固定压力下，密度

13、不大气体温度计：固定压力下，密度不大的气体，其体积和温度成线性关系。利的气体，其体积和温度成线性关系。利用此关系制成的温度计，称为定压气体用此关系制成的温度计，称为定压气体温度计。固定体积下，密度不大的气体，温度计。固定体积下，密度不大的气体，其压力和温度成线性关系。利用此关系其压力和温度成线性关系。利用此关系制成的温度计，则称为定容气体温度制成的温度计，则称为定容气体温度计。计。 温度计：温度计：(thermometer)例例4： 定容气体温度计的测温泡浸在水的三相点槽内定容气体温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时，其中气体压强为时，其中气体压强为50毫米汞柱，用这温度计测量某毫米汞柱，用这温

14、度计测量某系统的温度，指示气体压强是系统的温度，指示气体压强是68毫米汞柱，则系统的毫米汞柱，则系统的温度是温度是：（：（ ）( )371.5AK68( )50BK50( )68CK()317.5DKA(3)(3)热力学温标热力学温标（thermodynamic scale of temperature）温标：温标：(temperature scale)(4)(4)国际实用温标国际实用温标(international practical temperature scale )由热力学过程确定，不依赖于测温物质和测温属由热力学过程确定，不依赖于测温物质和测温属性的温标。性的温标。利用一系列固定的

15、平衡点温度、一些基准仪器和几利用一系列固定的平衡点温度、一些基准仪器和几个相应的补插公式来保证国际间的温度计量在相当个相应的补插公式来保证国际间的温度计量在相当精确的范围内一致，并尽可能地接近热力学温标，精确的范围内一致，并尽可能地接近热力学温标，使与热力学温标的误差不会超出精密气体温度计的使与热力学温标的误差不会超出精密气体温度计的误差范围。误差范围。 优点优点:绝对精确绝对精确缺点缺点:只具有理论意义，无只具有理论意义，无法进行实际操作法进行实际操作优点优点:比较精确，且可操作比较精确，且可操作状态参量：状态参量：几何参量：几何参量： 如：体积、长度、面积。如：体积、长度、面积。力学参量：

16、力学参量： 如：表面张力、应力、压强。如：表面张力、应力、压强。电磁参量：电磁参量： 如：磁场强度、电位移、极化强度、磁如：磁场强度、电位移、极化强度、磁化强度。化强度。化学参量：化学参量： 如：组分的质量数，组分的摩尔数。如：组分的质量数，组分的摩尔数。描述平衡态系统温度和各状态参量之间函数描述平衡态系统温度和各状态参量之间函数关系的方程。关系的方程。物态方程：物态方程：(equation of state) ppVm理想气体：理想气体：(ideal gas )理想气体的特点：理想气体的特点：压强趋近零；压强趋近零；气体分子间距大于分气体分子间距大于分子直径的子直径的1010倍；倍；分子间除

17、碰撞瞬间分子间除碰撞瞬间外，无相互作用力；外，无相互作用力；分子间的碰撞为弹分子间的碰撞为弹性碰撞。性碰撞。rfo力力分分子子斥斥力力引引力力1PVC 理想气体状态方程：理想气体状态方程：(equation for ideal gas state)玻意耳玻意耳- -马略特定律：马略特定律：2VCT 盖吕萨克定律：盖吕萨克定律：（等温）（等温）（等压）（等压）3PCT 查理定律：查理定律：（等容）（等容）PVCT R 理想气体状态方程：理想气体状态方程：R 218.2 10atm L molK 118.31J molK mPVRT MPVRT 其他形式：其他形式：例例5： 求氧气在压强为求氧气在

18、压强为10.0atm10.0atm、温度为、温度为27 27 时的密度。时的密度。PVRT C mVRTVP mPVRT 3532 1010 1.013 108.31 (273.1627) 313/kg m 作业：作业：P32:12例例6： 有一截面均匀、两端封闭的圆筒，中间被一光滑的活塞分有一截面均匀、两端封闭的圆筒，中间被一光滑的活塞分隔成两边；如果其中一边盛放有隔成两边；如果其中一边盛放有2 2克的氢气，则为使活塞停留克的氢气，则为使活塞停留在圆筒的正中央且两边气体温度相等，另一边应放入氧气的质在圆筒的正中央且两边气体温度相等，另一边应放入氧气的质量为（量为（ ）。）。（A A）1 1克；克； （B B）8 8克；克； （C C）1616克；克； （D D）3232克。克。 D1212MM由于两边由于两边P、V、T均相同均相同22232M 例例7： 如图所示，体积相同的两容器中装有的氢气和的氧气，此如图所示，体积相同的两容器中装有的氢气和的氧气，此时水银滴刚好在玻璃管中央而维持平衡。当两容器温度都升高时水银滴刚好在玻璃管中央而维持平衡。当两容器温度都升高20C20C时，水银滴将（时，水银滴将（ ）。）。（A A）不