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第一章 温度第1页，本讲稿共25页热力学系统的概念热力学系统（简称系统）：被确定为研究对象的物体或物体系，或热学所研究的对象。孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统外界：系统边界外部封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统热力学与力学的区别热力学参量：压强、体积、温度等热力学的目的：基于热力学的基本定律力学的目的：基于牛顿定律（力学参量）2 第2页，本讲稿共25页1.1 平衡态 状态参量n 一、平衡态：（以气体扩散、热传递、水蒸发为例说明平衡态概念）1、平衡态：在不受外界影响的条件下，宏观性质不随时间变化的状态叫平衡态。说明：这里说得没有外界影响，是指外界对系统既不做功又不传热。如果系统通过做功或热传递的方式与外界交换能量，则它就不可能达到并保持在平衡态。（举例）3 第3页，本讲稿共25页4 平衡态与非平衡态 平衡态真空孤立系统 在不受外界条件影响下，经过足够长时间后系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态，这种状态叫做平衡态。平衡态的特点*1）单一性（处处相等）;2）物态的稳定性 与时间无关；3）自发过程的终点；4）热动平衡（有别于力平衡）.第4页，本讲稿共25页3、热力学平衡热力学呈现平衡态的条件无热流：热学平衡条件，系统内部温度处处相等。无粒子流：力学平衡条件，系统内部各部分之间、系 统与外界之间应达到力学平衡，通常情况下反 映为压强处处相等。化学平衡：化学平衡条件，即在无外场下系统各部分的化 学组成应是处处相等。可以用P、V、T图来表示。只要上述三个条件一个得不到满足，就是非平衡态，不能用P、V、T图来表示。2、非平衡态 在自然界中，平衡态是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。5 第5页，本讲稿共25页4、热动平衡：平衡态是指系统的宏观性质不随时间变化，从微观方面看，在平衡态下，组成系统的分子仍在不停地运动着，只不过分子的运动的平均效果不随时间改变，而这种平衡效果的不变在宏观上就表现为系统达到平衡态。因此，热力学中的平衡态是动的平衡，通常把这种运动叫做热动平衡。6 第6页，本讲稿共25页n 二、状态参量：在热力学中，研究系统的整体运动，因而系统的状态是指系统内部的宏观状态。当系统处在平衡态时具有一些可以确定的物理量来表达的属性。确定物质系统状态的量叫做状态参量。常用的状态参量有四类：几何参量、力学参量、电磁参量、和化学参量。7 第7页，本讲稿共25页n 温度的概念n 热力学第零定律n 温标1.2 温 度8 第8页，本讲稿共25页9 温度日常生活中，常用温度来表示冷热的程度在微观上，则必须说明，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的度量一、热力学第零定律绝热壁与导热壁热力学第零定律ACBA CBACB绝热壁第9页，本讲稿共25页一、热力学第零定律：1、热接触：彼此之间能够发生热交换的两个热力学系统的接触叫做热接触。2、热平衡：一般说来，热接触后两个系统的状态都将发生变化，但经过一段时间后，两个系统的状态不再变化两个系统最后达到一个共同的平衡态。这种平衡态是两个系统在发生传热的条件下达到的，所以叫做热平衡。3、热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。这个结论通常叫做热力学第零定律。10 第10页，本讲稿共25页 在不受外界影响的情况下，只要A和B同时与C处于热平衡，即使A和B没有接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律被称为热力学第零定律。热力学第零定律的物理意义互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征，即它们的温度是相同的。第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的方法。温度计11 第11页，本讲稿共25页n 4、温度的定义：热力学第零定律反映出，处于同一热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质，我们定义这个决定系统热平衡的宏观性质为温度，也就是说：温度是决定一系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质。它的表达征就在于一切至为热平衡的系统都具有相同的温度。12 第12页，本讲稿共25页n 5、温度计测量温度的依据：n 由于一切至为热平衡的系统都具有相同的温度，于是我们可以选择适当的系统为标准，用它作温度计，测量使温度计与待测系统接触，只要经过一段时间等它们达到热平衡后，温度计的温度就等于待测系统的温度，而温度计的温度则可以通过它的某一个状态参量标志出来。13 第13页，本讲稿共25页二、温标1、温标的定义：温度的数值表示法叫温标。2、建立一种温标的三要素（以液体摄氏温标温度为例）：选择某种物质（叫做测温物质）的某一随温度变化的属性（叫做测温属性）来表志温度；选定固定点；对测温属性随温度的变化关系作出规定。3、说明：用不同的测温物质（或者同一测温物质的不同测温属性）所建立的摄氏温标，除冰点和汽点按规定相同外，其它温度并不严格一致。参P13图1-3，原因是：不同物质或同一物质的不同属性随温度的变化关系不同。14 第14页，本讲稿共25页n 二氧化碳、水银、铂-铂铑热电偶、铂电阻温度计差异15 第15页，本讲稿共25页n 三、气体温度计：n 在温度计量工作中实际采用理想气体温标为标准温标，这种温标是用气体温度计实验的，所以下面先介绍气体温度计。n 以定容气体温度计为例：其示意图如：P14图14 测温泡B 压强计的左臂M、右臂M1测量时，使测温泡B与待测系统相接触，上下移动压强计的右臂M1，使左臂中的水银面在不同的温度下始终固定在同一位置O处，以保持气体的体积不变。16 第16页，本讲稿共25页n 四、理想气体温标：n 1、定容定压是气体温标建立过程：设用T(p)表示定容气体温度计与待测系统达到热平衡时的温度值，用P表示这时用温度计测得并修正的气体压强值，规定T(p)与P或正比。即令：T(p)=P（1.1）式中是比例系数，它需用选择的固定点来确定。1954年以后，国际上规定只用一个固定点（水的三相点）来建立温标并严格规定水的三相点的温度为73.16“度”。（“度”“开”）设用Ptr表示气体在三相点时的压强，代入（1.1）表达式可得：273K=Ptr 因此（1.1式可以写成）17 第17页，本讲稿共25页n 实验表明：用不同的气体所确定的定容温标，除规定对水的三相点的读数相同外，对其它温度的读数也相差很少，而且这些微小的差别在温度计所用的气体极稀薄时逐渐消失。（以测定水在汽点时温度为例说明）。如图1-5所示给出了四种不同气体实验的结果，可以看出：气体的压强Ptr越低，即测温泡内的气体越稀薄，不同气体定容温标的差别越小 18 第18页，本讲稿共25页当压强Ptr0时，各种气体定容温标的差别完全消失。给出相同的温度值：lim T(Ptr)=373.15k.与上面定义定容气体相似，可以定义定压气体温为 19 第19页，本讲稿共25页n 2、理想气体温标：由上面的实验结果表明，无论是定容还是定压，所建立的温标在气体压强趋于零时都趋于一共同的极限值，这个极限温标叫理想气体温标（简称气体温标），它的定义式为：20 第20页，本讲稿共25页n 3、理想气体温标的特点：n 这种温标不依赖于任何一种气体的个性，用不同气体时所指示的温度几乎完全一致（所以都要推至压强为零）但它毕竟有赖于气体的共性。对极低的温度（气体的液化点以下）和高温1000 是上限就不适用了，用这种温标所能测量的最低温度为1K。21 第21页，本讲稿共25页五、热力学温标：n 1、热力学温标：热力学温标是一种完全不依赖于任何测温物质及其物理属性的温标，它是由开尔文最先引入的，是在热力学第二定律的基础上引入的，所以有时也称开尔文温标，用这种温标所确定的温度叫热力学温度，用T表示，它的单位叫“开尔文”“K”，1K等于水的三相点的热力学温度的1/273.16。n 2、热力学温标与理想气体温标的关系：在理想气体温标所能确定的温度范围内，理想气体温标与热力学温标是完全一致的。22 第22页，本讲稿共25页 六、摄氏温标与华氏温标：n 1960年国际计量大会对摄氏温标做了新的定义，规定它由热力学温标导出，定义式为：单位摄氏度：华氏温标的温度tF与t之间的关系：冰点（0.00）为32.0,气点（100.0）为212.0。而1华氏度为1摄氏度的5/9。23 第23页，本讲稿共25页 摄氏温标、华氏温标t是摄氏温标汽点 三相点 冰点绝对零度英美等国使用 671.67 491.69 491.670TR R兰氏温标英美等国使用 212.00 32.02 32.00-459.67tF F华氏温标国际通用 100.00 0.01 0.00-273.15t C摄氏温标国际通用T=T 373.15 273.16 273.150T K热力学温度通用 情况与热力学温度的关系固定点的温度值 符号单位温度24 第24页，本讲稿共25页七、国际实用温标实用温度计简介膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导体温度 计、频率温度计辐射测温法：光学高温计、比色高温计、辐射高温计声学测温法：声学温度计、噪声温度计开尔文25 第25页，本讲稿共25页