热学的研究对象和研究方法.pptx

1概概 述述1热学的研究对象和研究方法热学的研究对象和研究方法 一、一、冷热冷热-温度温度与温度有关的物理规律与温度有关的物理规律热学的意义：热学的意义：1)大量存在大量存在 2)能量转化能量转化对象的特征：大量无规运动的粒子组成对象的特征：大量无规运动的粒子组成超人超人 与宇宙同时出生与宇宙同时出生(150亿年前亿年前)每秒数每秒数10个分子个分子数到现在才数了数到现在才数了第1页/共84页2地球上地球上全部大气全部大气约有约有1044个分子个分子一个人一个人每次呼吸气体每次呼吸气体大约是大约是1022个分子个分子比值接近比值接近1个摩尔的数值个摩尔的数值第2页/共84页3二、研究热现象的两大分支二、研究热现象的两大分支1.热力学热力学 宏观宏观 实验实验 能量能量 可靠可靠2.统计物理统计物理微观微观理论模型理论模型相辅相成、相互补充相辅相成、相互补充普物的任务普物的任务开门、见识开门、见识物理的绿洲物理的绿洲经典粒子经典粒子量子粒子量子粒子牛顿力学规律牛顿力学规律量子力学规律量子力学规律先经典、后量子先经典、后量子概念、方法相通概念、方法相通第3页/共84页4 统计物理的基本思想统计物理的基本思想 宏观上的一些物理量是组成系统的大量分子宏观上的一些物理量是组成系统的大量分子 进行无规运动的一些微观量的统计平均值进行无规运动的一些微观量的统计平均值 宏观量宏观量 实测的物理量实测的物理量 如如 P T V 等等 微观量微观量 组成系统的粒子组成系统的粒子(分子、原子、或其它分子、原子、或其它)的质量、动量、能量等等的质量、动量、能量等等无法直接测量的量无法直接测量的量气体分子系统的统计分布气体分子系统的统计分布第4页/共84页5解决问题的一般思路解决问题的一般思路从单个粒子的行为出发从单个粒子的行为出发大量粒子的行为大量粒子的行为-统计规律统计规律统计的方法统计的方法模式：假设模式：假设 结论结论 验证验证 修正修正 理论理论例如：微观认为宏观量例如：微观认为宏观量P 是大量粒子碰壁的平均作用力是大量粒子碰壁的平均作用力先看一个先看一个碰一次碰一次再看再看集体集体第5页/共84页6统计方法：统计方法：一个粒子的多次行为一个粒子的多次行为多个粒子的一次行为多个粒子的一次行为结果相同结果相同如：掷硬币如：掷硬币 看正反面出现的比例看正反面出现的比例 比例接近比例接近1/2统计规律性：统计规律性：大量随机事件从整体上表现出来的规律性大量随机事件从整体上表现出来的规律性 量必须很大量必须很大(魔术师魔术师)统计规律性具有涨落性质统计规律性具有涨落性质(伽耳顿板演示伽耳顿板演示）第6页/共84页7xx小球落入其中一小球落入其中一.分布服从分布服从统计规律统计规律大量小球在空间的大量小球在空间的格是一个偶然事件格是一个偶然事件 小球数按空间小球数按空间位置位置 x 分布曲线分布曲线伽耳顿板演示伽耳顿板演示第7页/共84页8第8页/共84页9什么叫统计规律？什么叫统计规律？在一定的在一定的宏观条件宏观条件下下 大量偶然大量偶然事件在整体上事件在整体上表现出表现出确定的规律确定的规律统计规律必然伴随着统计规律必然伴随着涨落涨落什么叫涨落？什么叫涨落？对统计规律的偏离现象对统计规律的偏离现象涨落有时大涨落有时大 有时小有时小 有时正有时正 有时负有时负例如：例如：伽耳顿板实验中伽耳顿板实验中 某坐标某坐标x附近附近x区间区间内分子数为内分子数为N 涨落的幅度：涨落的幅度：第9页/共84页10涨落的百分比：涨落的百分比：如如涨落幅度涨落幅度涨落百分比涨落百分比什么概念呢？什么概念呢？某次测量落在这个区间的分子数是：某次测量落在这个区间的分子数是：第10页/共84页11如果在这个区间的分子数是：如果在这个区间的分子数是：涨落幅度涨落幅度和涨落百分比和涨落百分比结论：结论：分子数愈多分子数愈多 涨落的百分比愈小涨落的百分比愈小 涨落实例：涨落实例：微电流测量时电流的涨落微电流测量时电流的涨落电子器件中的电子器件中的“热噪声热噪声”第11页/共84页12热力学基础热力学基础从实验归纳总结从实验归纳总结定律定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律基础定律基础定律地位：地位：相当于力学中的牛顿定律相当于力学中的牛顿定律-能量转化能量转化-过程方向性过程方向性第12页/共84页132平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 本课程中研究对象的理想特征本课程中研究对象的理想特征1.对象对象 理想气体理想气体 宏观定义：宏观定义：严格遵守气体三定律严格遵守气体三定律 实际气体理想化：实际气体理想化：P 不太高不太高 T 不太低不太低微观上也有定义微观上也有定义理论框架主体是理论框架主体是理想气体理想气体1)在理想气体理论在理想气体理论基础上加以修正基础上加以修正2)经验经验若高压若高压 低温？低温？第13页/共84页142.状态状态平衡态平衡态定义：定义：在不受外界影响的条件下在不受外界影响的条件下 对一个孤立对一个孤立系统系统 经过足够长的时间后经过足够长的时间后 系统达系统达到到一个宏观性质不随时间变化的状态一个宏观性质不随时间变化的状态用一组宏观量描述某时的状态用一组宏观量描述某时的状态非平衡态非平衡态第14页/共84页15实际上的处理：实际上的处理：1)是否可看作平衡态？是否可看作平衡态？足够长足够长2)实在不行实在不行-分小块分小块3)远离平衡态远离平衡态-非线性非线性 耗散结构耗散结构本课的主体：本课的主体：平衡态平衡态介绍：介绍：远离平衡态远离平衡态恒高温恒高温恒低温恒低温第15页/共84页16温度温度 一、几个基本概念一、几个基本概念 1.温度温度处于热平衡的系统所具有的共同的宏观性质处于热平衡的系统所具有的共同的宏观性质 2.热平衡定律热平衡定律(热力学第零定律热力学第零定律)实验表明实验表明：若：若 A与与C热平衡热平衡 B与与C热平衡热平衡 则则 A与与B热平衡热平衡意义：意义：互为热平衡的物体必然存在一个相同的互为热平衡的物体必然存在一个相同的 特征特征-它们的温度相同它们的温度相同第16页/共84页17二、理想气体状态方程二、理想气体状态方程M-质量质量 -mol 质量质量V-理气活动空间理气活动空间R-普适气体恒量普适气体恒量第零定律第零定律 不仅给出了温度的概念不仅给出了温度的概念 而且而且指指 出了判别温度是否相同的方法出了判别温度是否相同的方法 热力学温标T（单位：K 开尔文），摄氏温标与热力学温标的换算关系：第17页/共84页18常用形式常用形式系统内有系统内有 N个分子个分子每个分子质量每个分子质量 m常用形式常用形式第18页/共84页19 分子数密度分子数密度 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数理想气体状态方程理想气体状态方程第19页/共84页20热力学系统由大量粒子组成热力学系统由大量粒子组成1)标况标况十亿亿亿十亿亿亿第20页/共84页212)高真空高真空十亿十亿 大量、无规大量、无规 统计方法统计方法 数学基础数学基础-概率论概率论第21页/共84页221.理气状态方程理气状态方程2.不漏气系统不漏气系统各状态的关系各状态的关系讨论讨论第22页/共84页233.P-V 图图通常还画通常还画 P-T、P-VT-V、T E 图图PVP V 图上一个图上一个点点代表一个代表一个平衡态平衡态一条一条线线代表一个准代表一个准静态过程静态过程第23页/共84页243 功功 热量热量 热力学第一定律热力学第一定律保守系系统在其质心参考系中的机械能守恒定律系统的内能等于系统 的内动能及各质点间的势能的总和改变热力学状态的两种能量交换形式热力学过程 系统状态发生变化的过程第24页/共84页251.外界对系统作功外界对系统作功 宏观功宏观功2.从外界吸收热量从外界吸收热量 微观功微观功结论：结论：1)改变系统状态改变系统状态(E)的方式有两种的方式有两种作功作功传热递传热递2)作功、传热是相同性质的物理量作功、传热是相同性质的物理量 均是均是 过程量过程量第25页/共84页26适用一切过程适用一切过程 一切系统一切系统初末态是平衡态初末态是平衡态热力学第一定律热力学第一定律 对系统做的功对系统做的功则以 表示系统对外界做的功，则 热力学第一定律第26页/共84页27l每一时刻系统都处于平衡态每一时刻系统都处于平衡态l实际过程的理想化实际过程的理想化-无限缓慢无限缓慢(准准)l“无限缓慢无限缓慢”：系统变化的过程时间：系统变化的过程时间驰豫时驰豫时间间例例1 气体的准静态压缩气体的准静态压缩过程时间过程时间 1 秒秒准静态过程准静态过程驰豫时驰豫时间间0 =0 绝热过程的过程方程例11.3（27页）理解记忆理解记忆3030页表页表11.211.2第47页/共84页48二、二、自由膨胀自由膨胀 特点：特点：迅速迅速 来不及与外界交换热量来不及与外界交换热量 则则Q=0 非静态过程非静态过程 无过程方程无过程方程 办法：办法：只能靠普遍的定律（热只能靠普遍的定律（热 律）律）自由膨胀自由膨胀绝热（热绝热（热一定律）一定律）第48页/共84页49自由膨胀自由膨胀理气理气状态方程状态方程能量能量守恒守恒由由因为自由膨胀因为自由膨胀 所以系统对外不作功所以系统对外不作功 即即得得第49页/共84页50 自由膨胀自由膨胀能量能量守恒守恒思考：绝热自由膨胀思考：绝热自由膨胀初态和末态温度相同初态和末态温度相同内能不变，温度复原内能不变，温度复原理气理气第50页/共84页511.循环过程循环过程系统经历一个热力学过程后系统经历一个热力学过程后 又回到初态又回到初态2.能量特点能量特点8 循环过程（热机循环与制冷循环）循环过程（热机循环与制冷循环）第51页/共84页521.热机循环热机循环目的：吸热对外作功目的：吸热对外作功1)PV 图图正正2)热流图热流图高温热源高温热源低温热源低温热源3)指标指标-效率效率2.制冷循环制冷循环目的：通过外界作功目的：通过外界作功 从从低温热源吸热低温热源吸热1)PV 图图逆逆2)热流图热流图高温高温低温低温3)制冷系数制冷系数第52页/共84页53重要说明重要说明：在热机、制冷机部分在热机、制冷机部分 由于实际中的需要或由于实际中的需要或说是习惯说是习惯 无论是吸热还是放热一律取正值无论是吸热还是放热一律取正值则热机效率和制冷系数写成：则热机效率和制冷系数写成：例题11.5，11.6，11.7（见33，34页）第53页/共84页5411 卡诺循环卡诺循环 只与两个恒温热源交换能量的无摩擦的只与两个恒温热源交换能量的无摩擦的 准静态循环准静态循环1.卡诺热机卡诺热机热流图热流图P V 图图第54页/共84页55恒温热源过程恒温热源过程 吸吸 放热放热绝热过程方程绝热过程方程第55页/共84页56由两个绝热过程得循环闭合条件由两个绝热过程得循环闭合条件卡诺热机效率卡诺热机效率代入数据得代入数据得第56页/共84页57只与只与T1和和T2有关有关与物质种类、膨胀的体积无关与物质种类、膨胀的体积无关提高高温热源的温度现实些提高高温热源的温度现实些2)理论指导作用理论指导作用 讨论讨论1)卡诺热机效率卡诺热机效率第57页/共84页58进一步说明进一步说明热机循环不向低温热源放热是不可能的热机循环不向低温热源放热是不可能的热机循环至少需要两个热源热机循环至少需要两个热源3)理论说明低温热源温度理论说明低温热源温度T2 0 说明说明热机效率热机效率且只能且只能注意注意:第79页/共84页80三、三、熵与热量熵与热量1.克劳修斯熵公式克劳修斯熵公式由热力学温标由热力学温标卡诺循环卡诺循环可逆循环中有可逆循环中有第80页/共84页81可逆循环可逆循环任意可逆过程任意可逆过程(准静态、无摩擦准静态、无摩擦)PV Qi1 Qi2Ti1Ti2卡诺循环卡诺循环第81页/共84页82克劳修斯等式克劳修斯等式注意：注意：1)积分路径的限制积分路径的限制2)热温比热温比火火 商商中国文化中国文化-沿可逆过程！沿可逆过程！第82页/共84页83沿可逆过程的积分与路径无关沿可逆过程的积分与路径无关反映了始末的某个状态量的变化反映了始末的某个状态量的变化12PV可逆可逆(a)可逆可逆(b)可逆循环可逆循环即即令令第83页/共84页84感谢您的观看！第84页/共84页