理想气体物态方程与内能.ppt

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1、青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义从宏观上看从宏观上看，热学研究物体的，热学研究物体的宏观热现象宏观热现象：与温度有：与温度有关的物态的物理性质的变化。由观察和实验来总结热关的物态的物理性质的变化。由观察和实验来总结热现象的规律，得出热现象的宏观理论，这部分称为热现象的规律，得出热现象的宏观理论，这部分称为热力学。力学。一热力学一热力学(thermodynamics)的研究对象与研究方法的研究对象与研究方法物态物态(state of matter)：物质存在的物理状态：物质存在的物理状态物质主要存在三种基本物理状态：物质主要存在三种

2、基本物理状态：固态、液态固态、液态和气态和气态热学是研究一切物态的热现象的学科，我们这里热学是研究一切物态的热现象的学科，我们这里主主要研究气态要研究气态，但有时也会牵涉到固态和液态。，但有时也会牵涉到固态和液态。热力学利用宏观上可观测的物理量，如：来热力学利用宏观上可观测的物理量，如：来研究热现象的规律。研究热现象的规律。青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义单个分子单个分子 的运动是无序的，具有偶然性，遵循力学规的运动是无序的，具有偶然性，遵循力学规律。但律。但整体整体（大量分子）服从统计规律（大量分子）服从统计规律。气体动理论利用不可直接测量的、描述个别分子运动气体动理论利用不

3、可直接测量的、描述个别分子运动状态的微观量，如等，来研究热现象的规律。状态的微观量，如等，来研究热现象的规律。从微观上看从微观上看，热学主要研究，热学主要研究宏观热现象的本质宏观热现象的本质，即宏观，即宏观热现象的微观解释：热现象的微观解释：构成宏观物体的大量微观粒子的永构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规运动的统计规律，这部分称为气体动理论不休止的无规运动的统计规律，这部分称为气体动理论，也称为统计物理学。，也称为统计物理学。宏宏观量观量微微观量观量统计平均统计平均青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义热力学热力学（宏观研究方法）与气体动理论（微观研究方（宏观研究方法）与气体

4、动理论（微观研究方法）比较：法）比较：宏观研究方法宏观研究方法1）具有可靠性；具有可靠性；2）知其然而不知其所以然；知其然而不知其所以然；3）应用宏观参量应用宏观参量。微观研究方法微观研究方法 1）揭示宏观现象的本质；揭示宏观现象的本质；2）有局限性，与实际有局限性，与实际有偏差，不可任意推广有偏差，不可任意推广.两种方法的关系两种方法的关系气体动理论气体动理论热力学热力学相辅相成相辅相成青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义二气体的宏观物态参量二气体的宏观物态参量用什么物理量来描述一个热力学系统？用什么物理量来描述一个热力学系统？一个热力学系统，如果没有外界因素的影响，一个热力学系

5、统，如果没有外界因素的影响，当这个系统经过足够长的时间以后，将会达到一个当这个系统经过足够长的时间以后，将会达到一个稳定的、宏观性质不随时间变化的状态，这一状态稳定的、宏观性质不随时间变化的状态，这一状态称为平衡态称为平衡态.（理想状态）（理想状态）从微观上看，组成气体的分子的运动状态时刻从微观上看，组成气体的分子的运动状态时刻都在变化，所以，热力学系统的平衡态是一种动态都在变化，所以，热力学系统的平衡态是一种动态平衡。平衡。一个热力学系统的平衡态一般需要几何参量、力一个热力学系统的平衡态一般需要几何参量、力学参量、化学参量、电磁参量和热学参量来描述。对学参量、化学参量、电磁参量和热学参量来描

6、述。对理想气体，需要：理想气体，需要：青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义1 气体压强气体压强(Pressure)p：作用于容器壁上单位面：作用于容器壁上单位面积的正压力（积的正压力（力学描述力学描述）。）。国际单位：国际单位：2 体积体积(Volume)V：气体所能达到的最大空间（：气体所能达到的最大空间（几几何描述何描述）。）。单位：单位：标准大气压：标准大气压：纬度海平面处纬度海平面处,时的大气压时的大气压.3 温度温度(Temperature)T：气体冷热程度的量度（：气体冷热程度的量度（热热学描述学描述）。）。热力学温标热力学温标(temperature scale)单位

7、单位:开尔文开尔文(Kelvin)K青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义三理想气体三理想气体(ideal gas)物态方程物态方程(equation of state)理想气体宏观定义理想气体宏观定义：遵守三个实验定律的气体：遵守三个实验定律的气体.玻意耳玻意耳(Boyle)定律定律查理查理(Charles)定律定律盖盖吕萨克吕萨克(Gay-Lussac)定律定律T不变时不变时V不变时不变时p不变时不变时记忆方法记忆方法物态方程物态方程：描述：描述物质存在的物理状态所需的参量之间物质存在的物理状态所需的参量之间的函数关系。如的函数关系。如理想气体平衡态宏观参量间的函数关理想气体平衡

8、态宏观参量间的函数关系系青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义摩尔摩尔(mole)气体常量气体常量一定质量的一定质量的同种气体同种气体理想气体物理想气体物态方程态方程1 mol气体的分子数为气体的分子数为 Avogadro 常数常数(个分子个分子/mol)对于理想气体对于理想气体青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义如何计算？如何计算？标准状态：标准状态：1 mol气体的体积气体的体积青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义五准静态过程五准静态过程(quasi-static process)（理想化的过程）（理想化的过程）准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过的

9、准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程每一中间状态均可近似当作平衡态的过程.气体气体活塞活塞砂子砂子12青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义六功六功(work)（过程量）（过程量）准静态过程功的计算准静态过程功的计算注意：注意：作功与过程有关作功与过程有关.宏观运动能量宏观运动能量热运动能量热运动能量 功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状态的变化态的变化.青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义气体对外界作功气体对外界作功气体对外界不作功气体对外界不作功外界对气体作正功，外界对气体

10、作正功，气体对外界作负功气体对外界作负功注意注意气体对外界作功气体对外界作功外界对气体作功外界对气体作功青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义七热量七热量(heat)（过程量）（过程量）通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间存在温差而发生的能量传递存在温差而发生的能量传递.1）过程量：与过程有关；）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；）等效性：改变系统热运动状态作用相同；宏观运动宏观运动分子热运动分子热运动功功分子热运动分子热运动分子热运动分子热运动热量热量3）功与热量的物理本质不同）功与热量的物理本质不同.1卡卡

11、(calorie)=4.18 J ，1 J=0.24 卡卡功与热量的异同功与热量的异同吸热吸热放热放热规定规定青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义作机械功改变系统作机械功改变系统 状态的焦耳实验状态的焦耳实验AV作电功改变系统作电功改变系统 状态的实验状态的实验青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义八热力学第一定律八热力学第一定律我们可以通过作功、传热等方式，把外界的能我们可以通过作功、传热等方式，把外界的能量传给气体。如果外界对气体作正功，同时气体又量传给气体。如果外界对气体作正功，同时气体又吸收热量，根据能量守恒定律，气体的能量必然增吸收热量，根据能量守恒定律，气体的

12、能量必然增加。加。从宏观上看，气体增加的能量表现在哪里呢？从宏观上看，气体增加的能量表现在哪里呢？气体变热了，温度升高了！气体变热了，温度升高了！从微观上看，气体增加的能量又表现在哪里呢？从微观上看，气体增加的能量又表现在哪里呢？气体分子运动的机械能！气体分子运动的机械能！气体分子运动的动能与分子之间的势能、分子内气体分子运动的动能与分子之间的势能、分子内部原子振动的动能与原子间的势能，总称为气体的部原子振动的动能与原子间的势能，总称为气体的内内能能(internal energy)。青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义以后我们可以证明：以后我们可以证明：理想气体的内能理想气体的内

13、能仅是温度的函数。仅是温度的函数。系统内能为表征系统状态的单值函数，它的增系统内能为表征系统状态的单值函数，它的增量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的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。过程无关。由能量守恒定律：系统吸收的热量由能量守恒定律：系统吸收的热量青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 实验证明系统从实验证明系统从 A 状态变化到状态变化到 B 状态，可以采用状态，可以采用做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态确定，外界做功和传给系统的热量之和保持不变确定，外界做功和传给系统的热量之和保持不变

14、.2AB1*2AB1*青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 系统内能的增量只与系统起始和终了状态有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关，与系统所经历的过程无关.理想气体内能理想气体内能:表征系统状态的单值函数表征系统状态的单值函数,理想气体的内能仅是温度的函数理想气体的内能仅是温度的函数.2AB1*2AB1*青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义九热力学第一定律九热力学第一定律 系统系统从外界吸收的热量从外界吸收的热量,一部分使系统的内能增加一部分使系统的内能增加,另另一部分使系统一部分使系统对外界对外界做功做功.准静态过程准静态过程微小过程微小过程12*青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 1）能量转换和守恒定律。第一类永动机能量转换和守恒定律。第一类永动机(perpetual motion machine)不消耗内能，不需外界传递热量而不消耗内能，不需外界传递热量而对外作功是不可能制成的。对外作功是不可能制成的。2）实验经验总结，自然界的普遍规律。实验经验总结，自然界的普遍规律。+系统吸热系统吸热系统放热系统放热内能增加内能增加内能减少内能减少系统对外界做功系统对外界做功外界对系统做功外界对系统做功第一定律的符号规定第一定律的符号规定物理意义物理意义