热学是以物质的热运动以及热运动与其它运动形态之间的

1、 热学是以物质的热运动以及热运动与其它运动形态之间的转化规律为其研究对象的一门学科。概括来讲，研究与冷热有关的一切现象的一门学科。宏观量：描述宏观现象的物理量。如物体的温度、压强、热容量等。在宏观上能够直接进行测量和观察。宏观现象：指空间线度 米、由大量微观粒子组成的系统整体以及场在大范围内所表现出来的现象。微观现象：指空间线度 米的粒子（原子、分子、各种基本粒子）和场在极其微小的空间范围内所发生的现象。热 学1.技术物理技术模式2.两种研究方法两种理论微观理论：统计物理学 从物质的微观结构出发，研究对象气体；用统计方法大量气体分子的热运动的规律，确定宏观量与微观量的联系，并对气体的某些性质给

2、予微观本质说明。由基本假设构造性理论热现象：一切与物体冷热程度有关的物理性质及状态变化的现象。热现象是一种宏观现象。微观量：描述微观现象的物理量。如分子的质量、分子的速度、分子的体积等。在宏观上不能直接进行测量和观察。热学发展历史的两大特征：验证其理论解释其理论3.两种理论的相互关系：互相补充，相辅相成统计物理热力学宏观理论，基本结论来自实验事实，普遍可靠，但不能解释其微观本质。微观理论，揭示热现象本质。宏观理论：热力学 不涉及物质的微观本质，根据由观察和实验所归纳、总结出来的宏观热现象所遵循的基本定律，用严密的逻辑推理方法，研究宏观物体的热的性质的一门学科。由现象出发原理性理论 具体而言，用

3、能量转化观点，从宏观上研究物质状态变化时，热、功、内能等宏观量变换规律的一门学科。理论体系微观宏观研究方法以气体分子热运动规律为基础，用统计方法。以事实为基础，应用热力学基本定律统计物理学研究物质热现象、热运动的学科热力学分析宏观本质相互关系验证微观理论第六章 热力学基础结构框图学时：8应用热力学系统内能变化的两种量度功热量热力学 第一定律热力学 第二定律等值过程绝热过程循环过程卡诺循环（理想气体）（对热机效率的研究）理想气体物态方程准静态过程熵熵增加原理平衡态、准静态过程，热量、功、内能等基本概念，热力学第一定律及其对理想气体各等值过程的应用，理想气体的摩尔热容，循环过程，卡诺循环，热力学第

4、二定律，熵和熵增加定理等。主要内容：6-1 气体物态参量 平衡态 理想气体物态方程一、气体的物态参量状态参量平衡态的描述确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量。常用的状态参量有四类： 几何参量（如：气体体积） 力学参量（如：气体压强） 化学参量（如：混合气体各化学组 分的质量和摩尔数等） 电磁参量（如：电场和磁场强度， 电极化和磁化强度等） 热学参量（如：温度）力学中的基本量:长度(l)、时间(t)和质量(m)其中：体积V和压强P是力学量，而温度T是气体冷热程度的量度，属热学量。热学中气体的物态参量（宏观态)：气体的体积V、压强p和热力学温度T三个物理量。二、p、V、T的单位1.气体体积V： 指

5、气体所能达到的空间。对于处在容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。国际单位制(SI)单位:立方米，符号：m3常用其它单位：立方分米，即升(Liter)，符号：L1L1dm310-3m32.气体压强p:作用于容器器壁上单位面积的正压力，即pF/S。国际单位制(SI)单位:帕斯卡，符号：Pa常用其它单位：标准大气压，符号：atm；厘米汞柱高，符号：cmHg3.温度:物体冷热程度的量度。标准大气压：450纬度海平面处测得00C时大气压的值。温标（Temperature Scale)定义：温度的数值表示法。热力学温标是建立在第二定律基础上，不依赖于任何物质的特性的温标。热力学温度国际单位：开尔文（K

6、elvin)，符号：K 工程上和日常生活中，目前常使用摄修斯温标，简称摄氏温标。温度的符号:t，单位符号:0C1.热力学系统（简称系统） :在给定范围内，由大量微观粒子所组成的宏观物体。2.系统的外界（简称外界）与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体。摄氏温度与热力学温度之间的关系为:三、平衡态与外界有 m、E 交换与外界有 E 交换，无 m 交换与外界无 E、m 交换开放系统 孤立系统封闭系统系统 在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态。或孤立系统达到的稳定状态。 说明：指外界对系统既不作功，又不传热；本章所讨论的气体状态，除特别声明者外，均为平衡态。理想模型，实际中不

7、存在；若气体状态变化很微小，可略去近似平衡态。4.平衡过程： 由于外界的影响，气体的状态会从某一初始平衡状态，经过一系列中间的平衡状态，变化到另一平衡态的过程。3.热力学平衡态：稳恒态实例：100 oc0 oc金属杆注意平衡态 平衡过程可用p-V图表示，气体的一个平衡状态可以用一确定的点来表示。与稳恒态的区别，稳恒态不随时间变化，但由于有外界的影响，故在系统内部存在能量流或粒子流。稳恒态是非平衡态。对平衡态的理解应将“无外界影响”与“不随时间变化”同时考虑，缺一不可。四、理想气体物态方程1.气体物态方程 气体处于平衡态时，其物态参量p,V,T之间的关系，即其中一个量是其他两个量的函数。其具体形

8、式由实验决定。2.理想气体的物态方程理想气体：在任何情况下都严格遵守“玻意耳-马略特定律”、“盖-吕定律”、“查理定律”三条实验定律和阿伏伽德罗定律的气体。注：状态方程在热力学中是通过大量实践总结来的。然而应用统计物理学， 原则上可根据物质的微观结构推导出来。气体在温度不太低、压强不太大时，可近似为理想气体。玻意耳(Boyle)定律 实验证明：一定质量的气体，当温度保持不变时，它的压强与体积的乘积等于恒量。即：C在不同的T时，有不同的值。玻意耳-马略特定律盖吕萨克(Gay-Lussac)定律: 一定质量的气体，当压强保持不变时，它的体积与热力学温度成正比。即：查理(Charles)定律: 一定

9、质量的气体，当体积保持不变时，它的压强与热力学温度成正比。即：阿伏伽德罗(A.Avogadro)定律 在相同的温度和压强，相同体积的气体含有相同数目的分子。由此可知：在标准状态下，1mol任何气体的体积都为 22.4升。理想气体的物态方程为:式中:m为气体的质量， M为lmol气体分子的质量，简称摩尔质量 R为一常量，称为摩尔气体常量,与所选的单位有关例：一容器内盛有氧气 0.100kg ，温度为 ，其压强为 。因容器开关缓慢漏气，稍后测得压强减为原来的5/8，温度降低到 。若将氧气视为理想气体，求（1）容器的体积；（2）在两次观测之间漏掉多少氧气。（氧气分子量为32）解：由理想气体状态方程：

10、得容器的体积为:设容器漏气后剩余氧气为 。由得:所以,漏掉的氧气质量为:注意：物理量单位的统一！作业：P220 6-1 6-3一、准静态过程 (Quasi-static process)非静态过程：中间状态不是平衡态准静态过程：（平衡过程）过程进行得足够缓慢，中间状态近似平衡态理想过程。气体等温膨胀例：气体自由膨胀T6-2 准静态过程 功 热量热力学过程：当一热力学系统的状态随时间改变时，系统就经历了一个热力学过程(简称过程)。二、功结论：系统所作的功在数值上等于P-V图上过程曲线以下的面积。系统在准静态过程中，由于其体积变化所作的功。注意：功不是态函数，而是一个过程量。注意：非静态过程不适用

11、示功图： p - V 图上过程曲线下的面积 当气体膨胀时，它对外界作正功；当气体被压缩时，它对外作负功，但其数值都等于过程曲线下面的面积。净思考：是否 ，则由12的任何过程注意：功是过程量过程不同，曲线下面积不同（可正、可负、可零）作业：P220 6-5三、热量Q国际单位制中，热量Q的单位：J(焦耳)系统之间或系统与外界之间由于热相互作用（或由于温度差），而传递的能量。 热量传递的多少与其传递的方式有关，所以，热量与功一样都是与热力学过程有关的量，也是一个过程量。说明：在系统与外界之间发生能量传递时，无论系统的温度是否发生变化，都是热量的传递过程。 传递热量和作功是能量传递的两种方式，其量值可

12、以作为内能变化的量度。就内能的变化来说，外界对系统作功和传递热量是等效的。一、内能包括：平动、转动、振动能量、化学能、原子能、核能.不包括：系统整体机械能狭义：所有分子热运动能量和分子间相互作用势能例：实际气体理想气体6-3 内能 热力学第一定律1.系统内能广义： 系统内所有粒子各种能量总和。2. 内能 是状态函数 内能变化 只与初末状态有关，与所经过的过程无关，是系统状态的单值函数。可以在初、末态间任选最简便的过程进行计算。EE3. 内能变化方式做功热传递E改变方式特 点能量转换量度做功热传递与宏观位移相联系通过非保守力做功实现机械运动热运动W与温差相联系，通过分子碰撞实现热运动热运动Q准静

13、态：微小过程：二、热力学第一定律(The first law of thermodynamics)1. 数学形式：系统从外界吸热 = 内能增量+系统对外界做功WQE1E22. 物理意义：涉及热运动和机械运动的能量转换及守恒定律。理想气体：3.其它表述：第一类永动机是不可能制成的第一类永动机：系统不断经历状态变化后回到初态，既不消耗系统的内能,又不需要外界向它传递热量，即不消耗任何能量而能不断地对外作功。违反热力学第一定律即：4.讨论 或 的意义 规定：系统从外界吸热： ； 对外作功： ；内能增加：系统向外界放热： ； 外界对系统作功： ； 内能减少：等值过程 等体过程 等压过程 等温过程绝热过

14、程一、等体过程 定体摩尔热容6-4 理想气体的等体过程和等压过程 摩尔热容1.等体过程(dV = 0;V = C)由热力学第一定律，有：对有限的等体过程，则有:上式表明:在等体过程中，气体吸收的热量全部用来增加气体的内能。2. 定体摩尔热容记为：若过程中物体的体积保持不变，则为定体摩尔热容。记为：若过程中物体的压强保持不变，则为定压摩尔热容。记为：其单位(SI制)： (焦耳每摩尔开尔文)b.理想气体的定体摩尔热容：a.定义：在一定过程中， 物体的温度升高一度所吸收的热量，称为该物体在给定过程中的摩尔热容。说明：对定体摩尔热容Cv,m给定的lmol理想气体，其内能增量仅与温度的增量有关,而与状态

15、变化的过程无关。 理想气体，在微小的等体过程中内能的增量为:若对于质量为m、定体摩尔热容Cv,m恒定的理想气体，气体的温度由Tl改变为T2的过程中，气体内能的增量为：值：理论值（依能量均分定理）P239 表7-1值：实验测定。参见P186 表6-1表6-1 几种气体摩尔热容的实验值(在1.013x105Pa、250C时)(Cp,m、Cv,m 的单位均为 ，M 的单位为 ) 气 体 M Cp,m Cv,m Cp,m-Cv,m =Cp,m/Cv,m单原子气体氦(He) 4.00310-320.7912.52 8.27 1.66氖(Ne) 20.1810-320.7912.68 8.11 1.64氩

16、(Ar) 39.9510-320.7912.45 8.34 1.67双原子气体氢(H2) 2.01610-328.8220.44 8.38 1.41氮(N2) 28.0110-329.1220.80 8.32 1.40氧(O2) 32.0010-329.3720.98 8.39 1.40空气 28.9710-3 29.0120.68 8.33 1.40一氧化碳(CO) 28.0110-329.0420.74 8.30 1.40多原子气体二氧化碳(CO2) 44.0110-336.6228.17 8.45 1.30一氧化氮(N2O) 40.0110-336.9028.39 8.51 1.31硫化

17、氢(H2S) 34.0810-336.1227.36 8.76 1.32水蒸汽 18.01610-336.2127.82 8.39 1.30二、等压过程 定压摩尔热容1.等压过程(dp = 0;p = C)由热力学第一定律，有：表明:在等压过程中，理想气体吸收的热量一部分用来增加气体的内能，另一部分使气体对外作功。 等压过程在p-V图上是一条平行于V轴的直线，即等压线。即， 分成两部分： 内能增量：气体对外作功：2. 定压摩尔热容等压过程中，1mol理想气体所吸收的热量为:质量为m的定压摩尔热容恒定的理想气体在等压过程中吸收的热量为：迈耶公式表明:在等压过程中，1mol 理想气体，温度升高l K时，要比其等体过程多吸收8.3l J的热量，用于对外作功。利用得：泊松比摩尔热容比:三、比热容