第一章 热学绪论

1、热学热学绪论绪论一、什么是热学？一、什么是热学？ 热学是研究有关物质的热学是研究有关物质的热运动（热现热运动（热现象）象）以及以及与热相联系与热相联系的各种规律的科学。的各种规律的科学。 是经典物理学的四大柱石之一。是经典物理学的四大柱石之一。热物理学的研究对象热物理学的研究对象 是由是由数量很大数量很大的微观粒子所组成的系统。的微观粒子所组成的系统。单个单个分子分子 无序、具有偶然性、遵循力学规律无序、具有偶然性、遵循力学规律.研究对象的特征研究对象的特征整体整体（大量分子）（大量分子） 服从统计规律服从统计规律 . 宏观量宏观量：表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）表示大量分子集体特

2、征的物理量（可直接测量）, 如如 等等 .TVp, 微观量微观量：描述个别分子运动状态的物理量（不可直接测描述个别分子运动状态的物理量（不可直接测量），如分子的量），如分子的 等等 .v,m宏宏观观量量微观微观量量统计平均统计平均 热学研究方法热学研究方法2. 热力学热力学 宏观宏观描述描述 实验经验总结，实验经验总结， 给出宏观物体热现象的规律，从能量观给出宏观物体热现象的规律，从能量观点出发，分析研究物态变化过程中热功转换的关系和条件点出发，分析研究物态变化过程中热功转换的关系和条件 .两种方法的关系两种方法的关系气体动理论气体动理论热热力学力学相辅相成相辅相成1. 气体动理论气体动理论

3、微观微观描述描述 研究大量数目的热运动的粒子系统，应用模型假设和统计研究大量数目的热运动的粒子系统，应用模型假设和统计方法方法 .二、热学发展简史二、热学发展简史热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的发热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的发展史，可以划分为以下几个大的时期。展史，可以划分为以下几个大的时期。二二.17世纪末世纪末19世纪初世纪初 积累了大量的实验和观察事实，为热力学理论的积累了大量的实验和观察事实，为热力学理论的建立作了准备。特别是十九世纪初出现的热机理论建立作了准备。特别是十九世纪初出现的热机理论和热功当量原理已经包含了热力学的基本思想。和热功当量原理已经包含了热力

4、学的基本思想。一一.远古远古17世纪末世纪末 主要是关于对主要是关于对“热本质热本质”的定性猜想。的定性猜想。三三.19世纪世纪20世纪初世纪初 热力学和统计物理学都获得了长足的发展，由热力学和统计物理学都获得了长足的发展，由彼此的相互隔绝到后来的互相结合，最终导致了彼此的相互隔绝到后来的互相结合，最终导致了统计热力学的产生。统计热力学的产生。 非平衡态理论还很不完善，有待继续研究和非平衡态理论还很不完善，有待继续研究和发展。希望大家学好本专业理论，打下扎实的基发展。希望大家学好本专业理论，打下扎实的基础，为热学的进一步发展作出贡献！础，为热学的进一步发展作出贡献！四四.20世纪初以后世纪初以

5、后这个时期出现了大量统计物理学和非平衡态理论。这个时期出现了大量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部分。形成了现代理论物理学最重要的一部分。1 平衡态 状态参量一、平衡态： 在不受外界影响不受外界影响的条件下，宏观性质不随时间变化的状态。1、热力学系统的平衡态： 孤立系统孤立系统最终达到的所有宏观性质都不随时间变化的状态真空孤立系统孤立系统),(TVppV),(TVp*o2、说明：(1)“(1)“孤立系统孤立系统”-统与外界无物质、能量交换统与外界无物质、能量交换; ;(2) (2) 是一种理想状态是一种理想状态; ;(3) (3) 动态平衡动态平衡( (热动平衡热动平衡

6、) )； (4)(4)处于处于平衡态的系统须同时满足三种平衡条件：平衡态的系统须同时满足三种平衡条件： 力学平衡、热平衡、化学平衡。力学平衡、热平衡、化学平衡。(5)(5)平衡态不同于稳恒态；平衡态不同于稳恒态；1. 定义定义: 描述系统宏观性质或状态的描述系统宏观性质或状态的(可由实验可由实验 测定的测定的)量量.是描述平衡态性质的物理量。是描述平衡态性质的物理量。状态参量的选择由系统本身的性质决定状态参量的选择由系统本身的性质决定.完整描述热力学系统的平衡态，须引入完整描述热力学系统的平衡态，须引入 一一个热学参量个热学参量-温度温度一定体积内单一成分的气体，在平衡态下，一定体积内单一成分

7、的气体，在平衡态下，忽略重力，用温度，体积，压强来描述。忽略重力，用温度，体积，压强来描述。3 . 说明说明:二、状态参量2. 常见的状态参量常见的状态参量:力学参量：力学参量：PV几何参量：几何参量：,m化学参量：化学参量：电磁参量：电磁参量：E, B1.热平衡热平衡 A (p1,v1) B (p2,v2)绝热壁绝热壁 A(p1,v1) B(p2,v2)导热壁导热壁两个系统用刚性壁隔开两个系统用刚性壁隔开2 温度一、热力学第零定律热平衡 两个系统在热接触时两个系统在热接触时,通过热交换通过热交换实现新的平衡实现新的平衡,这种平衡称为热平衡这种平衡称为热平衡. 热接触 通过导热壁相互接触的两个

8、系统，通过导热壁相互接触的两个系统，它们之间会发生热传递，这种接触称为热接触。它们之间会发生热传递，这种接触称为热接触。 有时，两个系统接触后，它们的状态都不发生有时，两个系统接触后，它们的状态都不发生变化，说明它们在接触前就已达到了热平衡。即：变化，说明它们在接触前就已达到了热平衡。即：热平衡的概念还可用于两个不发生热接触的系统。热平衡的概念还可用于两个不发生热接触的系统。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2.热力学第零定律热力学第零定律: 如果两个热力学系统中的每一个都与第三个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热力学系

9、统处于热平衡,则这两个热力学系统彼则这两个热力学系统彼此也必定处于热平衡此也必定处于热平衡.（也称热平衡定律）（也称热平衡定律）3. 温度的概念温度的概念 处于同一热平衡态的所有热力学系统都具处于同一热平衡态的所有热力学系统都具有一个共同的宏观性质，这个有一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡决定系统热平衡宏观性质的物理量就是宏观性质的物理量就是-温度。温度。说明说明:1、一切互为热平衡的物体都具有相同的温度；、一切互为热平衡的物体都具有相同的温度；2、热接触只为热平衡的建立创造了条件；、热接触只为热平衡的建立创造了条件；3、宏观上，温度是物体冷热程度的量度；、宏观上，温度是物体冷热程度的量度

10、；4、从微观角度，温度是组成系统的大量微观粒子无规则、从微观角度，温度是组成系统的大量微观粒子无规则运动剧烈程度的反映运动剧烈程度的反映。温度的数值表示法叫做温度的数值表示法叫做 温标温标1、 经验温标经验温标建立经验温标的三要素建立经验温标的三要素:1.) 选择选择物质物质的某一随温度变化的的某一随温度变化的属性属性来标志温度来标志温度. 测温物质测温物质 测温参量测温参量测测 温温 质：质：用来确立温标的一种特定物质用来确立温标的一种特定物质测温属性：测温属性：测温质的某一随温度变化的属性测温质的某一随温度变化的属性测温参量：测温参量：表示测温属性的物理量表示测温属性的物理量 二、温标规定

11、测温参量随温度的变化关系规定测温参量随温度的变化关系:aXXT)(2121)()(XXXTXT:X表示测温参量表示测温参量: )(XT温度计与被测系统达到热平衡时的温度值温度计与被测系统达到热平衡时的温度值如果规定如果规定 与与 成正比，令成正比，令：)(XTX 测温参量为测温参量为X的同一温度计所测定的两个物体的的同一温度计所测定的两个物体的温度之比跟这两个温度所对应的温度之比跟这两个温度所对应的X值之比相等。值之比相等。选定固定点选定固定点:-保温瓶保温瓶:=:=. -冰水混合物冰水混合物-温度计温度计-纯水纯水-纯纯 冰冰-水蒸汽水蒸汽水的三相点水的三相点裝裝置置1954年以后，国际上规

12、年以后，国际上规定水的定水的三相点三相点为固定点为固定点-标准温度点标准温度点KXTtr16.273)(对于任何温度计都有：对于任何温度计都有：trtrXXXTXT11)()(trXXKXT16.273)(trXa16.273经验温标经验温标: 利用特定测温物质的特定测利用特定测温物质的特定测温属性建立的温标统称为经验温标。温属性建立的温标统称为经验温标。温温 度度 计计 : 按照经验温标测量温度的仪器按照经验温标测量温度的仪器. 讨讨 论：论： 测温属性必须随温度的改变发生测温属性必须随温度的改变发生单调的、显著的变化单调的、显著的变化; 不同的温度计测量同一对象时结不同的温度计测量同一对象

13、时结果不同果不同,是由于不同物质的不同（或同一）是由于不同物质的不同（或同一）测温属性随温度的变化关系不同测温属性随温度的变化关系不同.2. 理想气体温标理想气体温标 在各种温度计中，除了固定点的温度读在各种温度计中，除了固定点的温度读数相同外，其他各点温度的读数均有差异；数相同外，其他各点温度的读数均有差异； 气体温度计之间的这种差异较小；气体温度计之间的这种差异较小； 当温度计中的气体减少因而它的压强减当温度计中的气体减少因而它的压强减小时，不同气体温度计读数之间的差异也随小时，不同气体温度计读数之间的差异也随之减小。由此看来，之减小。由此看来，低压气体温度计比较符低压气体温度计比较符合标

14、准温度计的要求合标准温度计的要求。气体温度计气体温度计: 有两种有两种PPT)(ptr测温参量测温参量: 压强压强P 关系关系: 固定点固定点: 水的三相点水的三相点273.16K,VVT)(Vtr测温参量测温参量: 体积体积V 关系关系:固定点固定点: 水的三相点水的三相点273.16K,定容气体温度计定容气体温度计ptrPKPT16.273)(（标度法）（标度法）定压气体温度计定压气体温度计VtrVKVT16.273)(（标度法）（标度法）理想气体温标理想气体温标:hMercuryfixedPa实验：实验：用各种定体气体温度计测量水的汽点用各种定体气体温度计测量水的汽点（冰点）温度，其读数

15、的差异随着（冰点）温度，其读数的差异随着 的减小的减小而减小。而减小。trPPtr/(133.3224Pa)373.00373.15374.002004006008001000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空气TP373.15K大量实验表明：无论大量实验表明：无论用什么气体测温，也用什么气体测温，也不论是定体或定压气不论是定体或定压气体温度计，在气体压体温度计，在气体压强趋近于零时，它们强趋近于零时，它们对同一测温对象所测对同一测温对象所测定的温度都趋近于一定的温度都趋近于一个共同的极限值。个共同的极限值。在压强极低的极限情况在压强极低的极限情况下，气体温标只取决于下，气体温标只

16、取决于气体的气体的共性共性，与特定气，与特定气体的个性无关。体的个性无关。理想气体温标理想气体温标根据气体压强趋近于零的极限情况下所遵循根据气体压强趋近于零的极限情况下所遵循的普遍规律建立的温标叫做理想气体温标。的普遍规律建立的温标叫做理想气体温标。单单 位位K标度法标度法PtrPPKpTPTtrtrlimlim0016.273)(（定体）（定体）VtrPPVKVTTlimlim0016.273)(（定压）（定压）说明说明 理想气体温标不依赖于气体的个性理想气体温标不依赖于气体的个性,但但 有赖有赖 于气体的共性于气体的共性; 对于极低温对于极低温 (气体液化点以下气体液化点以下) 和高温和高

17、温 (1000C以上以上)不适用。不适用。3. 热力学温标热力学温标摄氏温标摄氏温标: ( C )固定点：汽点（固定点：汽点（100 C）、冰点（）、冰点（0 C ）测温关系：测温关系：baXt 华氏温标华氏温标( F )固定点：冰水混合物温度（固定点：冰水混合物温度（32度）、度）、 大气压下水的沸点（大气压下水的沸点（212度度 ）CtooFt5932 热力学温标热力学温标: T ( K )开尔文开尔文是一种不依赖于测温物质和测温属性的是一种不依赖于测温物质和测温属性的温标温标,建立在热力学第二定律的基础上，建立在热力学第二定律的基础上，是一种理论温标是一种理论温标1）1K等于水的三相点的

18、热力学温度等于水的三相点的热力学温度 的的1/273.16;2）在理想气体温标有效范围内，热在理想气体温标有效范围内，热力学温标与理想气体温标完全一致。力学温标与理想气体温标完全一致。3） t = T 273.15汽点三相点冰点绝对零度英美等国使用671.67491.69491.67 0TRR兰氏温标英美等国使用212.0032.0232.00-459.67tFF华氏温标国际通用100.000.010.00-273.15tC摄氏温标国际通用 T=T373.15273.16273.15 0TK热力学温度通用情况与热力学温度的关系固定点的温度值符号单位温度15.273 Tt67.45959TFTT

19、R8 . 1实用温度实用温度计简介计简介膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导体温电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导体温 度计、频率温度计度计、频率温度计辐射测温法辐射测温法声学测温法：声学温度计声学测温法：声学温度计4. 国际实用温标国际实用温标 为克服气体温度计使用的繁复及统一各国为克服气体温度计使用的繁复及统一各国温标自温标自19271927年起，经多次修改，国际上规定年起，经多次修改，国际上规定 的一种实

20、用温标，现为的一种实用温标，现为19901990国际温标国际温标: : ITS (International Temperature Scale)3 气体的物态方程一、理想气体的物态方程 1、玻意耳定律 当一定质量气体的温度保持不变，它的当一定质量气体的温度保持不变，它的压强和体积的乘积是一个常量压强和体积的乘积是一个常量。 P V = C T 不变2. 理想气体的状态方程 1）1mol 理想气体：理想气体：RTPRTP 2）任意质量理想气体：）任意质量理想气体：RTPVRTMPV 或3）变形运用：）变形运用：RTPVM RTP RTVPTVP 2221113、普适气体常量R不论何种气体，也不

21、论温度如何，当压强趋近于不论何种气体，也不论温度如何，当压强趋近于零时，量零时，量 都趋向于一个共同的值，这个极限都趋向于一个共同的值，这个极限值被定义为值被定义为普适气体常量普适气体常量 RTPv4.混合理想气体的状态方程道尔顿分压定律道尔顿分压定律:ppPn 21P混合气体的总压强，等于各组分的分压强之和混合气体的总压强，等于各组分的分压强之和.说明说明: 1 ) 分压强分压强: 某组分摩尔数不变某组分摩尔数不变,以化以化 学纯状态处在与混合气体的温度学纯状态处在与混合气体的温度, 体积相同条件下的压强体积相同条件下的压强; 2 ) 只适用于理想气体只适用于理想气体.混合理想气体状态方程混合理想气体状态方程:RTMRTPV 讨论讨论: 1. 平均摩尔质量平均摩尔质量nnnnVVVVVVMMM 221121212. 质量百分比质量百分比,体积百分比体积百分比,摩尔百分比摩尔百分比:MMVViiii （体积百分比是指每种组分单独处在与混合气体有相（体积百分比是指每种组分单独处在与混合气体有相同压强和温度下的体积占混合气体总体积的百分比。）同压强和温度下的体积占混