热学基本概念和物质聚集态

热学基本概念和物质聚集态第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第一章热学基本概念和物质聚集态第一节温度和温标第二节分子力与分子运动第三节气体第四节固体第五节化学键第六节液体第七节物质聚集态随状态参量的转化与共存热学第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日了解建立理想气体温标的过程、目的和实验基础；掌握分子力和分子热运动对于物质的物理化学性质，特别是热学性质的影响；理解压强、温度、相变等基本概念；了解晶体结构和液体结构特征；掌握理想气体状态方程和VanderWaals方程的应用；利用Clapeyron方程和P—T三相图来处理系统的一级相变.本章教学目标热学第一章热学基本概念和物质聚集态第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日[1]从《新概念物理教程:热学》看面向21世纪的热学教学——大学物理，2001.3本章参考文献[2]热学的宏观理论，大学物理，2000.8[3]范德瓦耳斯气体与热力学第三定律不相容，大学物理，2005.2[4]范德瓦耳斯气液状态方程纵横谈，大学物理，2005.10[5]范德瓦耳斯和他的状态方程，物理，2003.4[6]范德瓦耳斯系数的理论计算，大学物理，2003.4[7]关于玻意耳定律和焦耳定律相互独立性讨论的小结——大学物理，2005.3热学第一章热学基本概念和物质聚集态第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日本章参考文献[8]n维经典非理想气体的物态方程与热力学函数，大学物理，2005.4[9]固气相变蒸发热的计算——大学物理，2002.8[10]低温物理学，大学物理——2004.5[11]迥然不同的pV=nRθ与pV=nRT——大学物理，2000.12[12]润湿现象和毛细现象的热力学描述——大学物理，2000.6[13]固气相变蒸发热的计算——大学物理，2002.8热学第一章热学基本概念和物质聚集态第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日重要的问题：1.温度？2.热量？热学物理常识太阳表面温度？舒适的室温？洗澡的水温？专业水准最高温度？最低温度？

108K，热核聚变温度10–8K，核自旋致冷温度第一章热学基本概念和物质聚集态第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第一节温度和温标热学1.平衡态在没有外界影响的条件下，系统的宏观性质（T，V）不随时间变化外界影响——热力学系统与外界（能量与物质传递）作用孤立系统封闭系统开放系统第一章热学基本概念和物质聚集态第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第一节温度和温标2.热力学第零定律热平衡态在没有外界影响的条件下，系统间的热传递不再进行.◆热力学第零定律

1930年

英国(R.H.Fowler)3.温度描述系统热平衡态的宏观性质热学第一章热学基本概念和物质聚集态第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日4.温标⑴选择测温物质⑵确定测温属性及测温属性随温度变化关系⑶定义标准点伽利略制作的测温装置

热学第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日◆摄氏温标的建立定体气体温度计热学定压气体温度计第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态定体气体温度计

这几个摄氏温度计不准吗？第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日◆热力学温标T=t+273.15k水的三相点恒温器

热学第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态水的三相点T=273.16kP=4.58mmH

第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日◆理想气体（Perfectgas）温标

在P③→0极限情况下，所测定的温度值是相同的，不依赖于测温气体的个性（测温物质、测温属性的选择）.热学第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日热学◆

ITS-900.65k～5.0k：3He，4He蒸气压与温度关系3.0k～24.55k：He气体温度计13.80k～961.78k：铂电阻961.78k～辐射定律第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态定体气体温度计定压气体温度计第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日热学第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态铂电阻温度计红外温度计第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日例题1

P1-2热学第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日t=0℃,P=Pi=0.400atmt=100℃,P=Ps=0.546atm例题2

P1-3t=-205.50℃,P=1.049atm热学第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日例题3铂电阻温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时，铂电阻的阻值为90.35欧姆。当温度计的测温泡与待测物体接触时，铂电阻的阻值为90.28欧姆，试求待测物体的温度，假设温度与铂电阻的阻值成正比。

热学第一节温度和温标第一章热学基本概念和物质聚集态第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日1.分子力引力作用半径：10-10～10-9

m；斥力作用半径：10-10m分子平衡距离：ro～10-10m.第二节分子力与分子运动热学第一章热学基本概念和物质聚集态第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日热学第二节分子力与分子运动第一章热学基本概念和物质聚集态第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日2.分子热运动◆分子热运动和分子力是决定物质热学性质的基本因素物质形态比热Brown运动

◆分子热运动特点：永不停息无规则◆分子热运动形式：平动、转动、振动

热学第二节分子力与分子运动第一章热学基本概念和物质聚集态第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日3.分子碰撞两个分子之间的相互作用势r0称作分子半径～10-10ms

有效作用距离～10-9m平衡位置rE(r)2r0s热学分子斥力的作用，使分子占据一定空间.分子有效直径：dd第二节分子力与分子运动分子碰撞是分子斥力作用的结果.第一章热学基本概念和物质聚集态第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日热学第二节分子力与分子运动分子弹性碰撞第一章热学基本概念和物质聚集态第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第三节气体1.理想气体微观模型分子大小可以忽略;除碰撞外，分子间的相互作用可忽略;分子间的碰撞是完全弹性的（即各种能量形式之间没有转换，分子也没有被激发）.热学第一章热学基本概念和物质聚集态第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第三节气体2.理想气体压强大量分子对器壁持续碰撞的结果，是大量分子热运动的宏观力学效应.

压强：大量分子在单位时间内，作用在器壁单位面积上的冲量.热学第一章热学基本概念和物质聚集态在dt时间内，能够与器壁ds碰撞的分子数第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第三节气体热学第一章热学基本概念和物质聚集态第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日◆理想气体状态方程P=nkT

k=R/NA=1.38X10-23J/K，NA=6.02X1023/mol.热学例题4一容积为11,2升的真空系统，其真空度是1.0x10-5mmHg.为提高其真空度，将其置于300℃的红外炉内，使其器壁吸附的气体释放，压强为1.0x10-2mmHg，求其器壁吸附的分子数.解：加热前分子数为N1，加热后分子数为N2第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日温度是大量分子无规则热运动剧烈程度的标志，具有统计意义3.温度的统计意义:◆Dalton分压定律：混合理想气体的压强与各组份气体的压强

P=P1+P2+…

压强百分比：在T，V情况下，PI／P×100%热学第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日解：

P=767.5mmHg,V=150cm，P水蒸气＝17.5mmHgP=P反应气体+P水蒸气P反应气体V=PV干燥V干燥=147cm例题5

P1-16热学第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态V0/T0＝V20/T20第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日例题6

按质量计，空气中几种主要成分的百分比是：N276%，O223%，Ar1%，计算空气的摩尔质量和在标准状态下空气的密度？=29.0g/mol热学第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态ρ=1.29g/L

第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日例题7

空气中几种主要成分的体积百分比是：N278%，O221%，Ar1%，计算在标准状态下各种主要成分的质量百分比和空气的密度，已知空气的Mmol=29.0g/mol。解：混合气体中各组分的体积百分比是指每种组分单独处在与混合气体相同的压强和温度的状态下，其体积占混合气体总体积的比。75.3％，23.2％，1.4％

ρ=1.29g/L热学第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日例题8

一热气球的容积为2.1x104m3，气球本身和负载质量共4.5x103kg，其外部空气温度为20℃，要想使气球上升，其内部空气最低要加热到多少度？标准状态下，空气的密度ρ0=1.29kg/m3.解：标准状态下，空气的密度ρ0=1.29kg/m3.ρ1,ρ2表示气球内外的空气密度由于热气球内外的压强平衡则有：ρ1=ρ0T0/T1，ρ2=ρ0T0/T2(ρ1-ρ2)Vg=mgT2＝357K（84℃）热学第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日4.VanderWaals方程第一个气体分子自由活动的空间气体分子自由运动的空间V-b体积修正值b是1mol气体分子所占据的空间PK=RT/(V-b)

◆分子斥力引起的修正容器容积：V＝L3第二个气体分子自由活动的空间第N个气体分子自由活动的空间热学第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日◆分子引力引起的修正压强修正值引力作用半径

R0βpia热学第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日热学第三节气体第一章热学基本概念和物质聚集态例题9（1－20）P=25.39atmP=29.35atm第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日◆范德瓦耳斯(VanDerWaals，1837～1923)热学第三节气体1873年博士论文《论气态和液态的连续性》提出了关于气态和液态的“物态方程”论证了“气液态混合物不仅以连续的方式互相转化，且具有相同的本质”.1910年获得诺贝尔物理学奖.第一章热学基本概念和物质聚集态第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第四节固体◆晶体crystal中的原子（离子）在空间按一定规律做周期性排列，是有序结构.◆单晶的物理性质各向异性，具有长程有序.

◆多晶是由大量晶粒构成，晶粒的数量级为10-6～10-5

m.

NaCl晶体结构图富勒烯热学第一章热学基本概念和物质聚集态第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日◆非晶态物质中的微观粒子排列具有短程有序、长程无序的结构特征.非晶态固体宏观上表现为各向同性，熔化时无明显的熔点存在，只是随温度的升高而逐渐软化，粘滞性减小，并逐渐过渡到液态.第四节固体固体中，由于分子间距很小，分子间作用力很大，分子只能在各自的平衡位置上作微小的振动热学第一章热学基本概念和物质聚集态第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日晶体类型粒子类型结合力形式物理特性离子晶体正、负离子离子键熔点高原子晶体原子共价键硬度大、绝缘、熔点高金属晶体金属离子和自由电子金属键硬度大、导电、熔点高分子晶体分子范德瓦尔斯力一般只存在于低温晶体中原子的有序排列是原子间相互作用的结果；晶体结合力的形式是决定晶体结构、类型和物理化学性质的重要因素；原子间结合力的性质与规律是研究晶体结构与物性的基础。第五节化学键热学第一章热学基本概念和物质聚集态第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日离子晶体ⅠΑ族的碱金属元素与ⅦΑ的卤族元素吸引力：正负离子的库仑作用排斥力：正负离子的满壳层电子云重叠时产生斥力离子晶体（离子键是满壳层结构）结合力强，具有硬度高、熔点高、绝缘性好等特点1.离子键（Ionicbond）

离子晶体NaFNaClKFKCl结合能ev3.873.33.783.38表1—1离子晶体的结合能热学第五节化学键第一章热学基本概念和物质聚集态第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日2.共价键（Covalentbond）原子晶体共价键是原子结合成分子最普遍形式ⅣΑ族原子C、Si、Ge，ⅤΑ、ⅥΑ和ⅦΑ的元素晶体共价键的特征是有饱和性、方向性热学第五节化学键第一章热学基本概念和物质聚集态第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日表1—2共价键的结合能共价键键能ev共价键键能ev共价键键能evH-O4.84C=O7.74/2O=O5.15/2H-H4.49C-O3.65C-C3.65H-C4.31C=C6.56/2N=N4.36/2金刚石分子结构热学第五节化学键第一章热学基本概念和物质聚集态第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日3.金属键原子实与大量的“共有化”自由电子结合成金属晶体.金属晶体（MetallicCrystal）由大量晶粒构成的多晶体晶粒的线度为10–6m～10–5m量级热学第五节化学键第一章热学基本概念和物质聚集态第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日分子晶体(MolecularCrystal)大部分有机化合物，惰性元素和H2，O2，CH4等分子晶体4.VanderWaals键VanderWaalsbond本质上是静电力，结合能10-1～10-2ev.极性分子间的偶极库仑力极性分子和非极性分子间的诱导力非极性分子间的瞬时偶极性产生的色散力热学第五节化学键第一章热学基本概念和物质聚集态第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日石墨石墨共价键、金属键、分子键热学第五节化学键第一章热学基本概念和物质聚集态第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日5.H键和水的热学性质X—H…YH与X之间是共价键H与Y之间是氢键.氢键冰的晶体结构

热学第五节化学键第一章热学基本概念和物质聚集态第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期日1980年可罗托，斯莫利，柯尔用激光轰击石墨而获得团簇C60富勒烯60个碳原子以共价键分布在直径0.71nm的球面上，形成12个五边形和20个六边形的足球，键长0.145nm团簇C60间以分子键相互作用1996年获得诺贝尔化学奖热学第五节化学键第一章热学基本概念和物质聚集态第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期日R第六节液体2.液体表面张力1.液体微观结构短程有序，长程无序宏观物理性质各向同性热学表面分子受到垂直液体表面向内的力宏观上液面上存在沿表面的收缩力使液体表面有收缩趋势表面张力随着温度的升高而降低表面活性物质第一章热学基本概念和物质聚集态第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期日3.润湿与不润湿热学第六节液体

润湿——液体沿固体表面延展不润湿——液体在固体表面上收缩第一章热学基本概念和物质聚集态第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期日润湿与不润湿机制附着力附着层内聚力接触角固体液体Aθ热学第六节液体内聚力——附着层内分子所受液体分子引力附着力——附着层内分子所受固体分子引力第一章热学基本概念和物质聚集态第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期日热学第六节液体液体润湿固体当f附>f内，附着层内分子所受合力垂直于附着层指向固体，使附着层扩展。液体不润湿固体当f附<f内，附着层内分子所受合力f垂直于附着层指向液体内部，使附着层收缩。第一章热学基本概念和物质聚集态第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期日热学第六节液体4.毛细现象液体润湿管壁毛细管刚插入水中时，管内液面为凹液面PC=P0,PB<P0

管内液面将上升，直至PB=PC

为止第一章热学基本概念和物质聚集态第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期日◆弯曲液面附加压强dldfdf1df2φroSφRCRpps4=-外内热学第六节液体毛细管的气体栓塞现象第一章热学基本概念和物质聚集态第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期日饱和蒸汽压凹液面上的饱和蒸汽压小于平液面上的饱和蒸汽压。凸液面上的饱和蒸汽压大于平液面上的饱和蒸汽压。热学第六节液体第一章热学基本概念和物质聚集态第五十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期日热学第六节液体第一章热学基本概念和物质聚集态第五十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期日第七节物质聚集态随状态参量的转化与共存1.相变物态：物质的聚集形态相：系统中物质的物理、化学性质均匀一致的部分元：化学成分相变：系统的物理性质随外界条件（P，T）发生了变化，系统的物质结构发生了变化.一级相变：伴有相