热学现象的宏观规律

AB导热板A、B两系统达到热平衡时，两系统具有一个共同的宏观性质——温度。温度（T）：互为热平衡的系统所具有的的一个共同的宏观性质，称为系统的温度。温标：温度的定量表示。摄氏温标：t（0C）热力学温标：T（K）第三篇热学热学---研究物质热现象和热运动规律1．什么是热学宏观物体是由大量的微观粒子(分子、原子等)所组成的。微观粒子的无规则的运动，称为热运动(thermalmotion)。热学是研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响，以及与物质其他运动形态之间的转化的物理学分支。2．热学的分类按照研究方法的不同，热学可分为两门学科，即热力学和统计物理学。热力学是研究物质热运动的宏观规律，从能量的观点出发，以热力学实验定律为基础，应用数学方法，通过逻辑推理和演绎，来研究热现象的宏观规律及其应用。优点：结论具有很高的可靠性和普遍性；缺点：热力学理论不涉及物质的微观结构和粒子的运动，把物质看成是连续的，因此不能解释宏观性质的涨落。热力学(thermodynamics)统计物理学是研究物质热运动的微观理论，从“宏观物质系统是由大量微观粒子组成的”这一基本事实出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子运动的集体表现，认为宏观量是微观量的统计平均值。优点：它可以把热力学的几个基本定律归结于一个基本的统计原理，阐明了热力学定律的统计意义(揭示了热现象的微观本质)；缺点：由于对物质的微观结构所作的往往只是简化的模型假设，因而所得得理论结果往往只是近似的(可靠性、普遍性差)。气体动理论：以气体为研究对象。统计物理学(statisticalphysics)Chapter7热学现象的宏观规律§7.1热力学状态及其描述一、热力学系统

1．系统

热学研究的是由大量分子、原子组成的物体或物体系的运动形式，我们称这些物体为热力学系统，简称系统。系统以外的一切则称为外界，外界可以与系统发生相互作用。2．孤立系统如果一个系统与外界既不交换物质又不交换能量，则称这样的系统为孤立系统。这是一种理想情形。3．封闭系统与外界只交换能量但不交换物质的系统称为封闭系统。4．开放系统外界既交换物质又交换能量的系统称为开放系统。外界热力学系统二、平衡态的几何表式

1.定义2、说明（1）平衡态是一个理想状态，它不同于定态；（2）平衡态是一种动态平衡；（3）对于平衡态，可以用p-V图上的一个点来表示。把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量。

气体的宏观状态可以用体积V、压强P和温度T来描述体积V——几何参量压强p——力学参量温度T——热力学参量三、状态参量

常用的状态参量有四类：1、几何参量，如气体的体积；2、力学参量，如气体的压强p；3、化学参量4、电磁参量1.气体状态参量：压强(P)、体积(V)、温度(T)压强（p）：作用于容器壁上单位面积的力。体积（V）分子热运动所能达到的空间，即容器体积.

单位：帕斯卡（Pa）、大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）单位：立方米（m3）、升（L）=760mmHg1mmHg=133.3PaAB导热板A、B两系统达到热平衡时，两系统具有一个共同的宏观性质——温度。温度（T）：表征在热平衡物态下系统宏观性质的物理量。热力学第零定律热力学第零定律：如果系统A、B同时和系统C达到热平衡，则系统A和B也处于热平衡—热平衡的传递性。达到热平衡的系统具有共同的内部属性—温度CBA温度的宏观定义：表征系统热平衡时宏观性质的物理量。温标——温度的数值表示法。五、温度计及温标：1.温标：系统冷热程度的数值表示称为温标。2.经验温标：

以具体物质的某一特性确定的温标.(摄氏温标）

例如：利用水银的体积随温度的单调变化、金属丝的电阻随温度的变化特性表示温度。选择水银柱长随温度变化指示温度。

水银温度计2.用水的冰点作为摄氏零度。沸点为

100度。

01020303.将它们之间分为100等份，每一份为1度。确定温标。3.理想气体温标：用理想气体的体积或压强随温度的单调变化确立的温标。

定容气体温度计和定压气体温度计分别用压强和体积来表示温度.用定容气体温度计或定压气体温度计来实现T90=t90+273.15K4.热力学温标（绝对温标）：由卡诺定理引进的温标（它不依赖于任何具体物质的特性。与理想气体温标一致。热力学温标与摄氏温标的关系摄氏温标：t℃水的冰点——0℃水的沸点——100℃冰点和沸点之差的百分之一规定为1

℃

。绝对零度：

T=0Kt=-273.15℃水三相点（气态、液态、固态的共存状态）273.16K2理想气体物态方程

物态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数关系.对一定质量的同种气体理想气体物态方程理想气体宏观定义：遵守三个实验定律的气体.摩尔数气体普适常量气体质量(kg)气体摩尔质量p(atm),V(升)，T（K）p(Pa),V(m3)，T（K）2公式适用条件国际单位气体压强不太大，温度不太低，密度不太高准静态过程

热力学过程系统从一个平衡态向另一个平衡态过渡的过程系统的热力学过程进行得无限缓慢，以致于每一个中间状态都可视为平衡态p

四、热力学过程一个点：表示一个平衡态12p~V图上注意一条曲线：表示一个准静态过程往往§7.3功与热量一、功

1．无摩擦的准静态过程的功——体积变化的功

以气缸内活塞的运动为例。设缸内气体的压强为P、体积为V，活塞的面积为S，则气体通过作用在活塞上的力F=PS而膨胀，当系统发生无限小膨胀的准静态过程时，活塞发生微小位移dx，气体对外作的元功为：

当系统从初态Ⅰ经过一个准静态过程变化到终态Ⅱ时，系统对外界所作总功为：注意：作功与过程有关.系统对外界作正功系统对外界作负功（外界对系统作正功）§7.3功与热量2．功的几何意义——P-V图中曲线下的面积为功A§7.2功与热量二、热量

1．系统与外界作用的两种方式§7.3功与热量2.热量QQ﹥0，系统从外界吸热；Q﹤0，系统向外界放热系统和外界之间存在温差而发生的能量传递.1）过程量：与过程有关；2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；

宏观运动分子热运动功分子热运动分子热运动热量3）功与热量的物理本质不同.1卡=4.18J，1J=0.24卡功与热量的异同§7.3功与热量4.热容量（1）热容的定义

当系统的质量为单位质量时，它的热容量叫比热容或者比热，用小写c表示

当系统的物质的量为1mol时，它的热容量叫摩尔热容，用表示

（2）定体摩尔热容与定压摩尔热容

§7.3功与热量有

奥恩库尔的“永动机”模型§7.4热力学第一定律与内能

§7.4热力学第一定律与内能焦耳实验：对系统做机械功焦耳实验：对系统做电功一、内能（状态量）§7.4热力学第一定律与内能

1、系统与外界绝热隔离

焦耳实验说明，绝热功与实施绝热过程的途径无关，而由状态1和状态2完全决定。而内能就是表征某一状态的函数。系统从平衡态1经绝热过程到到平衡态2,内能的增加量为B12A**B12A**

系统内能的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的过程无关，内能是状态量。（与势能进行类比）

内能是状态量：实际气体：理想气体：内能是温度的单值函数：

内能指与微观热运动有关的能量，不包括系统整体的机械能。§7.4内能热力学第一定律2、系统与外界未绝热隔离外界对系统做功A

系统从外界吸收热量Q

系统内能的增量U++系统吸热系统放热内能增加内能减少系统对外界做功外界对系统做功正负规定：§7.4热力学第一定律与内能

二、热力学第一定律

系统从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加,另一部分使系统对外界做功。1、数学表达式2、说明（1）热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律的一种表达形式。（2）该定律的另一种通俗表述是：第一类永动机是不可能造成的。无限小过程

永动机的设想图

计算各等值过程的热量、功和内能的理论基础1、（理想气体的共性）2、解决过程中能量转换的问题4、理想气体的功、热量的计算公式。三、热力学第一定律在理想气体等值过程中的应用3、

理想气体的内能是温度的单值函数。（一）等容过程1、过程特点系统的体积不变2、过程方程3、过程曲线VP2（P2,V,T2）P1P2VO1（P1,V,T1）等容升压

气缸内气体吸热升压

5、内能增量4、功6、热量等容过程系统从外界吸收的热量全部转化为内能

说明：此公式不仅适用于等容过程，对任何过程都适用。此公式可作为计算任何热力学过程中理想气体内能改变的普遍公式。理想气体的内能仅是温度的单值函数。（二）等压过程1、过程特点系统的压强不变2、过程方程3、过程曲线VPV1V2P（P,V2,T2）O（P,V1,T1）12等压膨胀

气缸内气体等压膨胀5、内能增量4、功6、热量（迈耶公式）（比热容比）

意义：在具有相同初末态的过程中，等压过程吸收的热量大于等容过程中吸收的热量。1mol理想气体温度升高1K，对于等容过程，体积不变，吸收的热量全部用于增加系统的内能。而对于等压过程，吸收的热量除用于增加系统的内能，还要对外作功。所以，等压过程中系统吸收的热量比等容过程中要多8.31J。三、等温过程§7.4理想气体的热力学过程（1）§7.4理想气体的热力学过程（2）因此，无法用来计算等温过程的热量。四、绝热过程§7.4理想气体的热力学过程§7.4理想气体的热力学过程§7.4理想气体的热力学过程AA§7.4理想气体的热力学过程§7.4理想气体的热力学过程§7.4理想气体的热力学过程§7.4理想气体的热力学过程§7.4理想气体的热力