热学-李偆版-绪论课件

热学-李偆版-绪论热学的定义热学研究什么？热学是研究热现象及其规律的物理学分支，它主要研究温度、热量、热力学和热传递等物理量和过程，以及它们与物质性质之间的关系。热学是物理学的重要组成部分，它为研究其他领域，例如化学、生物、材料科学、地球科学和工程学等提供了理论基础。热学的意义热学在工业生产、能源利用、环境保护、生命科学等各个领域都具有重要意义。它帮助我们理解和利用热能，开发新能源技术，解决能源危机和环境污染问题，并为医学、农业、交通运输等领域提供技术支持。热学的研究对象热力学系统热力学系统是指我们研究的物体或物体系，它可以是简单的气体、液体或固体，也可以是复杂的机器、生物体或宇宙。热力学过程热力学过程是指热力学系统从一个状态变化到另一个状态的过程，例如气体的膨胀、水的沸腾、冰的融化等等。热力学性质热力学性质是指用来描述热力学系统的物理量，例如温度、压强、体积、热量、熵、吉布斯自由能等等。热力学定律热力学定律是热学研究的基石，它们描述了热力学系统中的基本规律，例如能量守恒定律、熵增定律等等。热学发展简史1古代人类很早就认识到热能，并利用它来烹饪、取暖和冶炼金属。古埃及人已经使用水力车和风力车来获取能量。古希腊人对热现象进行了初步的观察和研究，例如毕达哥拉斯认为热是物质的一种属性，亚里士多德认为热是一种运动形式。2文艺复兴文艺复兴时期，人们开始用实验方法来研究热现象。伽利略发明了温度计，牛顿提出了热传导定律。这些研究为热学的发展奠定了基础。3近代18世纪末，瓦特发明了蒸汽机，标志着热力学研究进入了一个新的阶段。卡诺提出了卡诺循环，为热力学第二定律奠定了基础。4现代19世纪末，热力学研究取得了重大进展，例如吉布斯建立了热力学统计方法，开创了统计物理学。温度概念的发展感知温度人类最初通过触觉感知温度，例如将手放在物体上，判断其冷热。感官测量古代人们利用感官来测量温度，例如将手放入水中，判断水温。工具测量伽利略发明了第一个温度计，它利用液体膨胀来测量温度。科学定义随着科学的发展，人们对温度的概念有了更深入的理解，并将其定义为物质微观粒子平均动能的反映。温度单位和温度计摄氏度(°C)摄氏度是国际上通用的温度单位，它以水的冰点为0度，沸点为100度。华氏度(°F)华氏度是另一种常用的温度单位，它以水的冰点为32度，沸点为212度。开尔文(°K)开尔文是热力学温度单位，它是国际单位制（SI）的温度单位。它以绝对零度为零度，水的冰点为273.15开尔文。温度的测量和计量单位1温度计温度计是一种测量温度的仪器，它利用物质的热膨胀或电阻变化来指示温度。2温度测量温度测量是指使用温度计测量物体的温度，并以相应的计量单位表示。3温度计量单位温度计量单位是指用来表示温度的单位，例如摄氏度、华氏度、开尔文等等。物质的热容概念1热量热量是指物体在热传递过程中所吸收或放出的能量，它是一个过程量，而不是状态量。2热容热容是指物体温度升高1摄氏度（或1开尔文）所吸收的热量，它是物质的热性质之一。3比热容比热容是指单位质量的物质温度升高1摄氏度（或1开尔文）所吸收的热量，它是物质的特性之一。物质的热膨胀现象1热膨胀当物体温度升高时，其体积会膨胀，这种现象称为热膨胀。2热胀冷缩大多数物质在温度升高时膨胀，温度降低时收缩，这种现象称为热胀冷缩。3膨胀系数膨胀系数是描述物质热膨胀程度的物理量，它反映了物质在温度变化1摄氏度时体积或长度的变化量。热膨胀系数和影响因素热膨胀系数热膨胀系数是描述物质热膨胀程度的物理量，它反映了物质在温度变化1摄氏度时体积或长度的变化量。影响因素物质的热膨胀系数受多种因素影响，例如物质的种类、温度、压强等。不同物质的热膨胀系数不同，例如金属的热膨胀系数通常比液体和气体大得多。相变现象及相变热气体的热力学性质气体的状态气体的状态由温度、压强和体积三个物理量决定。气体的性质气体具有可压缩性和流动性，它能够填充任何形状的容器，并能被压缩成更小的体积。气体状态方程理想气体理想气体是指理想情况下，气体分子之间没有相互作用力的气体，其状态方程为PV=nRT。实际气体实际气体是指真实存在的气体，其分子之间存在相互作用力，因此实际气体的状态方程比理想气体状态方程更为复杂。范德瓦尔斯方程范德瓦尔斯方程是一种修正的实际气体状态方程，它考虑了气体分子之间的相互作用力和分子本身的体积。气体状态变化的功和热1功气体在膨胀或压缩过程中，会对环境做功或环境对气体做功。2热气体在温度变化过程中，会吸收或放出热量。3热力学第一定律热力学第一定律表明，气体状态变化过程中吸收的热量等于气体内部能量的增加和气体对环境所做的功的总和。理想气体和实际气体1理想气体理想气体是指理想情况下，气体分子之间没有相互作用力的气体，它是一个理论模型，用于简化气体的研究。2实际气体实际气体是指真实存在的气体，其分子之间存在相互作用力，因此实际气体的性质比理想气体更复杂。3理想气体和实际气体的区别理想气体和实际气体之间的主要区别在于分子之间的相互作用力。理想气体假设分子之间没有相互作用力，而实际气体则考虑了分子之间的吸引力和排斥力。气体分子运动理论分子热运动气体分子处于永不停息的无规则运动中，这种运动称为分子热运动。分子动能由于分子热运动，气体分子具有动能，称为分子动能。分子势能气体分子之间存在相互作用力，因此它们也具有势能，称为分子势能。气体的温度气体的温度是反映气体分子平均动能大小的物理量。分子动能理论1平均动能气体分子的平均动能与气体的温度成正比。2气体压强气体压强是由气体分子撞击容器壁产生的，它与气体分子的平均动能成正比。3气体体积气体的体积与气体分子的平均动能和气体分子的数量成正比。分子热运动的统计性质1麦克斯韦速度分布在一定温度下，气体分子速度分布服从麦克斯韦速度分布规律，即不同速度的分子在气体中所占比例不同。2统计平均气体分子的平均动能、平均速度等物理量是通过统计方法计算得到的。3统计涨落由于分子运动的随机性，气体分子的速度、动能等物理量会发生微小的涨落，这种现象称为统计涨落。分子的平均自由程1自由程分子在两次碰撞之间所经过的距离称为自由程。2平均自由程平均自由程是指分子在一定时间内所经过的自由程的平均值。3影响因素平均自由程与气体分子的密度、大小和温度有关。分子密度越高，分子大小越大，温度越低，平均自由程越短。气体分子的碰撞过程弹性碰撞在理想气体中，分子之间的碰撞是弹性碰撞，即碰撞前后动能守恒。非弹性碰撞在实际气体中，分子之间的碰撞可能是非弹性碰撞，即碰撞前后动能不守恒，部分动能会转化为内能。气体的粘滞性质粘滞性粘滞性是指流体抵抗剪切变形的能力。粘滞系数粘滞系数是描述流体粘滞程度的物理量，它反映了流体在剪切变形时抵抗运动的程度。气体的导热性质导热导热是指热量在物体内部通过分子热运动传递的过程。导热系数导热系数是描述物质导热能力的物理量，它反映了物质在温度梯度下传递热量的能力。热传导方程热传导方程描述了热量在物体内部的传递规律。物质内部的热量传输热传导热传导是指热量在物体内部通过分子热运动传递的过程，例如用金属勺子舀热汤，勺子会逐渐变热。热对流热对流是指热量通过流体的流动来传递的过程，例如开水锅中的水会向上流动，而冷水会向下流动，从而使水均匀受热。热辐射热辐射是指热量通过电磁波来传递的过程，例如太阳辐射到地球的热量。热的传导机理和导热系数1传导机理热的传导是通过物体内部分子之间的相互作用来实现的，温度高的分子会将能量传递给温度低的分子，从而实现热量的传递。2导热系数导热系数是指物质在单位温度梯度下，单位时间内通过单位面积的热量，它反映了物质导热能力的大小。3影响因素物质的导热系数受多种因素影响，例如物质的种类、温度、密度、结构等。导热过程中的边界条件温度边界条件温度边界条件是指物体边界上的温度分布，例如物体与环境之间的温度差。热流边界条件热流边界条件是指物体边界上的热流密度，例如物体表面接收的热量。对流边界条件对流边界条件是指物体边界上的对流换热系数，它反映了物体表面与流体之间的热交换能力。热的对流传递机理1对流对流是指热量通过流体的流动来传递的过程，例如开水锅中的水会向上流动，而冷水会向下流动，从而使水均匀受热。2自然对流自然对流是指由于温度差引起的流体流动，例如热气球上升。3强制对流强制对流是指通过外力来驱动流体的流动，例如风扇吹风。自然对流和强制对流1自然对流自然对流是指由于温度差引起的流体流动，例如热气球上升。2强制对流强制对流是指通过外力来驱动流体的流动，例如风扇吹风。3影响因素自然对流和强制对流的效率受多种因素影响，例如温度差、流体的性质、流体速度等。辐射热的基本定律1黑体辐射黑体是指能够完全吸收所有入射辐射的物体，它也是最好的热辐射体。2斯特藩-玻尔兹曼定律斯特藩-玻尔兹曼定律描述了黑体辐射能量与温度之间的关系，即黑体辐射能量与温度的四次方成正比。3维恩位移定律维恩位移定律描述了黑体辐射能量的峰值波长与温度之间的关系，即峰值波长与温度成反比。太阳辐射对地球的影响太阳