热学第1章2015

1、西安建筑科技大学理学院物理系第1-1页第1章 温度西安建筑科技大学理学院物理系第1-2页1.1 温度（温度（temperature） 2.热物理学中最核心的概念是热物理学中最核心的概念是温度温度和和热量热量。这两个概念很易。这两个概念很易发生混淆。发生混淆。3.要对温度概念作深入理解，在宏观上应对温度建立严格的科要对温度概念作深入理解，在宏观上应对温度建立严格的科学定义，因而必须引入学定义，因而必须引入热平衡热平衡的概念与的概念与热力学第零定律热力学第零定律。1. 温度是热力学所特有的温度是热力学所特有的4.在微观上在微观上:温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程温度是处于热平衡系统的微观

2、粒子热运动强弱程度的量度。度的量度。 互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征它它们的温度是相同的。们的温度是相同的。1 温度温度说明说明西安建筑科技大学理学院物理系第1-3页1.2 热力学第零定律热力学第零定律（zeroth law of thermodynamics) 在不受外界影响的情况下，在不受外界影响的情况下，只要热力学系统只要热力学系统A和和B同时与同时与C处于处于热平衡热平衡，即使，即使A和和B没有热没有热接触，它们仍然处于热平衡状接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律被称为热平衡定态，这种规律被称为热平衡定律律-热力学第零定律热力学第零定

3、律1. 热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在一个一个相同的特征相同的特征:温度温度-温度的宏观定义温度的宏观定义2. 热力学第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温热力学第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的方法（测温方法）。度是否相同的方法（测温方法）。讨论讨论西安建筑科技大学理学院物理系第1-4页1.3 温标（温标（temperature scale）一、温标的建立、经验温标一、温标的建立、经验温标(1) 温标温标(2) 经验温标（经验温标（empirical temperature scale）温度

4、的数值表示法温度的数值表示法温标温标 任何物质的任何属性，只要它随冷热程度发生单调的、任何物质的任何属性，只要它随冷热程度发生单调的、较显著的改变，就可被用来计量温度较显著的改变，就可被用来计量温度-经验温标经验温标例：在固定压强下液体（或气体）的体积，例：在固定压强下液体（或气体）的体积，在固定体积下在固定体积下 气体的压强，以及金属气体的压强，以及金属丝电阻或低温下半导体的电阻等都随丝电阻或低温下半导体的电阻等都随温度单调地、较显著地变化。温度单调地、较显著地变化。西安建筑科技大学理学院物理系第1-5页(1) 测温属性测温属性(2) 选定固定点选定固定点 以气体为测温物质，利用理想气体状态

5、方程中体积（或以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积（或压强）不变时压强（或体积）与温度成正比关系所确定的温压强）不变时压强（或体积）与温度成正比关系所确定的温标称为理想气体温标。标称为理想气体温标。u理想气体温标理想气体温标u经验温标（经验温标（empirical temperature scale）taxb(3) 进行分度进行分度 不同测量物质或不同测温属性所确定的经验温标并不严不同测量物质或不同测温属性所确定的经验温标并不严格一致。格一致。 气体温度计分为气体温度计分为定体定体及及定压定压气体温度计两种气体温度计两种热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）说明说明水的水的三相点

6、三相点：273.16K 西安建筑科技大学理学院物理系第1-6页l l 理想气体温标：理想气体温标：设设T（P）表示定体气体温度计与待测系统达到热平衡时）表示定体气体温度计与待测系统达到热平衡时的温度数值，由理想气体定律知的温度数值，由理想气体定律知0()pVTpR 设该气体温度计在水的三相点时压强为设该气体温度计在水的三相点时压强为 ptr，则，则水的三相点的温度水的三相点的温度273.16K0273.16K(/)trp VR气体温度计在压强为气体温度计在压强为 p 时测出的温度为时测出的温度为(体积不变体积不变)(其中其中V0不变不变 )( )273.16KtrpT pp只有在只有在 ptr

7、0，气体质量趋于零时的气体才是理想气体，气体质量趋于零时的气体才是理想气体0()273.16limtrptrpTpKp0/273.16K/trVRp(体积体积不变不变 )(体积体积不变不变 )西安建筑科技大学理学院物理系第1-7页 在同一测温泡中先后充入不同质量的同一气体（压强不在同一测温泡中先后充入不同质量的同一气体（压强不同），然后测出不同质量气体分别在水的三相点及待测温度同），然后测出不同质量气体分别在水的三相点及待测温度（如汽点）时的压强（如汽点）时的压强 ptr和和p. 定出所对应的定出所对应的T（p）, ,然后作出然后作出 T（p） ptr图形，将曲线外推到图形，将曲线外推到 p

8、ptr0时的极限数值就是所时的极限数值就是所测出的温度。测出的温度。只有在只有在 p ptr0时四条曲线才会时四条曲线才会聚一点。这时的数值聚一点。这时的数值373.15K才是才是由气体温度计所定出由气体温度计所定出的的理理想气体温标想气体温标.西安建筑科技大学理学院物理系第1-8页二、 摄氏温标、华氏温标摄氏温标、华氏温标（Celesius temperaturescale Fahrenhit temperature scale）0932 F5FottC华氏温标：华氏温标： 1714年德国物理学家华伦海脱年德国物理学家华伦海脱(Fahrenhit)建立建立1. 测温属性：水银体积随温度变化；

9、测温属性：水银体积随温度变化；摄氏温标：摄氏温标： 1742年瑞典天文学家摄尔修斯年瑞典天文学家摄尔修斯(Celsicus) 建立建立2. 固定点：冰点为固定点：冰点为0，汽点为，汽点为100 ；3. 分度：分度：0到到100间等分为间等分为100小格，每一小格小格，每一小格1。摄氏温标与华氏温标的换算关系：摄氏温标与华氏温标的换算关系：1. 测温属性：水银体积随温度变化；测温属性：水银体积随温度变化；2. 固定点：氯化氨、冰、水混合物的熔点为固定点：氯化氨、冰、水混合物的熔点为0 ，冰点为，冰点为32 ,汽点为汽点为212.0 ；3. 分度：均匀分度。分度：均匀分度。西安建筑科技大学理学院物

10、理系第1-9页l l 虽然热力学温标只是一种理想化的温标，但它却与理想气虽然热力学温标只是一种理想化的温标，但它却与理想气体温标是一致的体温标是一致的。只要在理想气温标适用（即气体温度计。只要在理想气温标适用（即气体温度计精确测定）的范围内，热力学温标就可通过理想气体温标精确测定）的范围内，热力学温标就可通过理想气体温标来实现。来实现。液氦液氦:35K, 液氮液氮:77K, 常温常温:300K四、四、 国际实用温标国际实用温标 (International Practical Temperature Scale) 三 、热力学温标热力学温标（Thermodynamics temperature

11、 scale）应引入一种不依赖测温物质、测温属性的温标应引入一种不依赖测温物质、测温属性的温标-绝对温标绝对温标或称热力学温标。或称热力学温标。)(16.273K水的三相点0(K )273.15KTt C273.15KtT西安建筑科技大学理学院物理系第1-10页2 气体的物态方程气体的物态方程 处于平衡态的系统，只要系统处于某一确定的平衡态，处于平衡态的系统，只要系统处于某一确定的平衡态，系统的热力学参量也将同时确定。系统的热力学参量也将同时确定。 我们把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、我们把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、温度）之间所满足的体积、温度）之间所满足的函

12、数关系函数关系称为物质的称为物质的物态方程物态方程或称或称状态方程状态方程。 例如化学成分单纯的气体、液体、固体的温度例如化学成分单纯的气体、液体、固体的温度T都可分都可分别由各自的压强别由各自的压强 p及体积及体积V来表示，即来表示，即(,)Tfp V 2.1 物态方程（物态方程（equation of states）( ,)0f T p V 物态方程中都显含温度物态方程中都显含温度T, 物态方程常是一些由理论和物态方程常是一些由理论和实验相结合的方法定出的半经验公式。实验相结合的方法定出的半经验公式。西安建筑科技大学理学院物理系第1-11页2.2 理想气体物态方程理想气体物态方程(equa

13、tion of state of ideal gas)一一 、 气体的实验定律气体的实验定律 只要在足够宽广的温度压强变化范围内进行比较精细只要在足够宽广的温度压强变化范围内进行比较精细的研究，就可发现，气体的物态方程相当复杂，而且不同的研究，就可发现，气体的物态方程相当复杂，而且不同气体所遵循的规律也有所不同。气体所遵循的规律也有所不同。 但在压强趋于零，其温度但在压强趋于零，其温度不太高也不太低的情况下，不不太高也不太低的情况下，不同种类气体在物态方程上的差同种类气体在物态方程上的差异可趋于消失。异可趋于消失。理想气体：压强趋于零的极限状态下的气体理想气体：压强趋于零的极限状态下的气体pV

14、C玻意耳定律：玻意耳定律： 西安建筑科技大学理学院物理系第1-12页二、二、 理想气体物态理想气体物态方程方程1 12212pVp VTT常量 令一摩尔气体的常量为令一摩尔气体的常量为R，则得：，则得：mmMmmpVRTRTM 能严格满足理想气体物态方程的气体被称为理想气体能严格满足理想气体物态方程的气体被称为理想气体-理想气体宏观定义。理想气体宏观定义。 从玻意耳定律、查理（从玻意耳定律、查理（Charles）定律及盖吕萨克（）定律及盖吕萨克（Gay-Lussac）定律，可知一定质量的理想气体有）定律，可知一定质量的理想气体有气体质量气体质量m、摩尔质量、摩尔质量Mm, 则摩尔数则摩尔数53

15、,111.013 1022.4 108.31J molK273.1627316trm trp VR.普适气体常量普适气体常量mpVRT西安建筑科技大学理学院物理系第1-13页2.3 混合理想气体物态方程混合理想气体物态方程若气体由若气体由 摩尔摩尔A种气体，种气体， 摩尔摩尔B种气体种气体等等n种理想气种理想气体混合而成，则混合气体总体混合而成，则混合气体总的压强的压强p与混合气体的体积与混合气体的体积V、温、温度度T间应有如下关系：间应有如下关系：21 pV=(v1+v2+vn)RT 混合理想气体物态方程混合理想气体物态方程。12123nRTRTRTppppVVV 式中的式中的 p1, p2

16、, ,pn分别是在容器中把其它气体都排走以后，分别是在容器中把其它气体都排走以后，仅留下第仅留下第i (i=1,2，n) 种种气体时的压强，称为第气体时的压强，称为第i种气体的分种气体的分压压 混合理想气体分压定律（道尔顿分压定律）混合理想气体分压定律（道尔顿分压定律），这是英国，这是英国科学家道尔顿（科学家道尔顿（Dalton）于）于1802年在实验中发现的。它与理年在实验中发现的。它与理想气体方程一样，只有在压强趋于零时才准确地成立。想气体方程一样，只有在压强趋于零时才准确地成立。西安建筑科技大学理学院物理系第1-14页例：例：一容器储有氧气一容器储有氧气0. 1kg，压强为，压强为10a

17、tm，温度为，温度为47。因。因容器漏气，过一段时间后，压强减到原来的容器漏气，过一段时间后，压强减到原来的5/8，温度降，温度降到到27，若把氧气近似看做理想气体，若把氧气近似看做理想气体，求：（求：（1）容器的体积；（）容器的体积；（2）漏了多少氧气？）漏了多少氧气？解：解：mmpVRTRTM（1）23350.1 8.31 (27347)8.2 10 m32 1010 1.013 10mmRTVM p（2）3522532 1010 1.013 108.2 1086.7 10 kg8.31 (27327)mM p VmRT 0.1 0.0670.033kgmmm西安建筑科技大学理学院物理系第1-15页例：压力表式气体温度计例：压力表式气体温度计BAC测温泡测温泡毛细管毛细管压力表压力表初始初始0T0p解：解： 测温泡与低温平衡测温泡与低温平衡测温前测温前A00AAmp VRTMB00BBmp VRTM测温后测温后AAAmmpVRTMB0ABmmpVRTM000()()ABABp VVVVpTTT000/1(1)BAp pTTVpVp西安建筑科技大学理学院物理系第1-16页 混合理想气体的物态方程完全类似于化学成分单纯的理混合理想气体的物态方程完全类似于化学成分单纯的理想气体的物态