12-1 温度 理想气体状态方程.ppt

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1、热热 学学 热现象：热现象：与与温度温度有关的物理性质的变化，统称为热现象。有关的物理性质的变化，统称为热现象。物体受热后，温度升高，体积膨胀；水被加热后，物体受热后，温度升高，体积膨胀；水被加热后，热热 学学热学是研究热现象的理论。热学是研究热现象的理论。在在 15921600年年 间间，伽伽利利略略制制作作了了人人类类第第一支空气温度计一支空气温度计李冰父子利用岩石李冰父子利用岩石加热再骤冷会裂开加热再骤冷会裂开的原理开凿都江堰的原理开凿都江堰热学发展历史热学发展历史1714 年年法法伦伦海海脱脱建建立立的的华华氏氏温温标标，1742 年年摄摄尔尔修修斯斯建立的摄氏温标建立的摄氏温标随随着

2、着蒸蒸汽汽机机的的广广泛泛应应用用，促促使使人人们们对对水水蒸蒸气气热热力力性性质质的的研研究究及及对对改改善善蒸蒸汽汽机机性性能能的的研研究究，从而推动了热学的发展从而推动了热学的发展。19世纪热力学第一定律世纪热力学第一定律和第二定律诞生和第二定律诞生开尔文开尔文鲁道夫鲁道夫克劳修斯克劳修斯萨迪萨迪卡诺卡诺路德维希路德维希玻尔兹曼玻尔兹曼约西亚约西亚威拉德威拉德吉布斯吉布斯科学家进一步追根问底科学家进一步追根问底,希望从分子和原子希望从分子和原子的微观层次上来说明物理规律的微观层次上来说明物理规律,气体分子动气体分子动理论应运而生理论应运而生 .玻尔兹曼玻尔兹曼与与吉布斯吉布斯发展了经发展

3、了经典统计力学。典统计力学。量量子子力力学学的的引引进进而而建建立立了了量量子子统统计计力力学学，同同时时非非平平衡衡态态理理论论更更进进一一步步的的发发展展，形形成成了了近近代代理理论论与与实实验验物物理理学学中中最最重重要要的的一环。一环。热学的研究方法热学的研究方法1.1.宏观法宏观法由由观观察察和和实实验验总总结结出出来来的的热热现现象象规规律律，构构成成热热现现象象的的宏宏观观理理论论，叫做叫做热力学热力学。2.2.微观法微观法从从物物质质微微观观结结构构出出发发，即即从从分分子子、原原子子的的运运动动和和它它们们之之间间的的相相互互作作用用出出发发，去去研研究究热热现现象象的的规规

4、律律。热热现现象象的的微微观观理理论论叫叫统统计计物理学物理学。热力学三大定律热力学三大定律分子运动论，统计力学和涨落现象理论分子运动论，统计力学和涨落现象理论宏观基本实验规律宏观基本实验规律热现象规律热现象规律逻辑推理逻辑推理微观模型、假设微观模型、假设统计方法统计方法热现象规律热现象规律12-1 温温 度度12-1-1 平衡态平衡态 状态参量状态参量在热力学中，所研究的物体或物体组叫做在热力学中，所研究的物体或物体组叫做热力学系统热力学系统。能量交换和物质交换能量交换和物质交换系统所处的外部环境称为系统所处的外部环境称为外界外界。孤立系统，孤立系统，孤立系统，孤立系统，封闭系统，开放系统封

5、闭系统，开放系统封闭系统，开放系统封闭系统，开放系统大量大量微观粒子（分子、原子）构成的微观粒子（分子、原子）构成的体积有限体积有限的物体体系的物体体系体积无限系统（如宇宙）、少量粒子系统体积无限系统（如宇宙）、少量粒子系统都不是热力学系统。都不是热力学系统。开放系统：开放系统：与外界既有能量与外界既有能量 又有粒子交换。又有粒子交换。孤立系统：孤立系统：与外界没有任何相互作用，既与外界没有任何相互作用，既 无能量交换、也无粒子交换。无能量交换、也无粒子交换。封闭系统：封闭系统：与外界有能量交换、与外界有能量交换、但无粒子交换。但无粒子交换。孤立系统，孤立系统，封闭系统，开放系统封闭系统，开放

6、系统刚性绝热壁刚性绝热壁外界外界孤立系统孤立系统系统系统系统系统外界外界开放系统开放系统外界外界导热壁导热壁外界外界封闭系统封闭系统系统系统导热壁导热壁刚性绝热壁刚性绝热壁外界外界系统系统系统系统外界外界外界外界导热壁导热壁外界外界系统系统例，保温瓶。例，保温瓶。例，铁桶中放入热水，例，铁桶中放入热水，再封闭起来。再封闭起来。例，铝壶在火上烧水。例，铝壶在火上烧水。导热壁导热壁孤立系统孤立系统封闭系统封闭系统开放系统开放系统一、平衡态一、平衡态在不受外界条件影响下，经过足够长的时间后，系统在不受外界条件影响下，经过足够长的时间后，系统必将达到一个宏观性质不随时间变化的状态，叫做必将达到一个宏观

7、性质不随时间变化的状态，叫做平平衡态衡态。平衡态的特征平衡态的特征：系统内没有宏观粒子流动和能量流动。系统内没有宏观粒子流动和能量流动。处在平衡态的系统的宏观量不随时间改变，但是组成系统的处在平衡态的系统的宏观量不随时间改变，但是组成系统的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，这称为常在变，这称为热动平衡热动平衡。A部气体部气体B部部平衡态平衡态冷冷热热稳定态稳定态1）2）稳定态：稳定态：有能量流或粒子流，各处宏观性质不随时间有能量流或粒子流，各处宏观性质不随时间变化的状态。变化的状态。平衡态是一种理想状态，在实际中并不

8、存在完全不受外界影平衡态是一种理想状态，在实际中并不存在完全不受外界影响，而宏观性质绝对保持不变的系统，所以，平衡态是一个响，而宏观性质绝对保持不变的系统，所以，平衡态是一个理想的概念。但是在许多实际问题中，可以把实际状态近似理想的概念。但是在许多实际问题中，可以把实际状态近似地当作平衡态来处理。地当作平衡态来处理。热力学系统的平衡状态应理解为热力学系统的平衡状态应理解为 A.系统的宏观性质不随时间变化的状态；系统的宏观性质不随时间变化的状态；B.系统各处压强和温度相同的状态；系统各处压强和温度相同的状态；C.系统在恒定的外界条件下，与外界无宏观能量和系统在恒定的外界条件下，与外界无宏观能量和

9、物质交换时，经足够长时间后达到的稳定状态；物质交换时，经足够长时间后达到的稳定状态；D.系统中每个分子都处于平衡的状态。系统中每个分子都处于平衡的状态。#1a0801001a二、状态参量二、状态参量我们把可以独立变化又足以确定热力学系统平衡态的一组宏我们把可以独立变化又足以确定热力学系统平衡态的一组宏观物理量称为状态参量。观物理量称为状态参量。描述热力学系统的状态参量：描述热力学系统的状态参量：1）几何参量（如体积）几何参量（如体积）2）力学参量（如压强）力学参量（如压强）3）化学参量（如系统中各种成分的摩尔数）化学参量（如系统中各种成分的摩尔数）4）电磁参量（如电场强度和磁场强度）电磁参量（

10、如电场强度和磁场强度）在一般情况下，需在一般情况下，需使用以上四类状态使用以上四类状态参量来描述热力学参量来描述热力学系统的平衡态。系统的平衡态。态函数态函数：由平衡态确定的其他宏观物理量（如温度，内能等）：由平衡态确定的其他宏观物理量（如温度，内能等）都可以表示为这四类状态参量的函数，称为态函数。都可以表示为这四类状态参量的函数，称为态函数。广延量广延量：具有可加性，：具有可加性，如体积，内能等等如体积，内能等等强度量强度量：不具有可加性，：不具有可加性，如温度，压强等等如温度，压强等等宏观物理量宏观物理量日常生活中，常用日常生活中，常用温度温度来表示冷热的程度。来表示冷热的程度。极寒极寒

11、40或低于此值或低于此值 温暖温暖 1819.9 严寒严寒 2029.9 暖暖2021.9 大寒大寒 1014.9 热热 2224.9 小寒小寒 59.9 炎热炎热 2527.9 微寒微寒 04.9 酷热酷热 3034.9凉凉 59.9 奇热奇热 3539 温凉温凉 1011.9 极热极热 高于高于40 12-1-2 热力学第零定律热力学第零定律 温标温标ABC一、热力学第零定律一、热力学第零定律在不受外界影响的情况下，只要在不受外界影响的情况下，只要A和和B同时同时与与C处于热平衡，处于热平衡，即使即使A和和B没有接触，它们也必定处于热平衡，此规律被称为没有接触，它们也必定处于热平衡，此规律

12、被称为热力学第零定律。热力学第零定律。AB热接触热接触：各处于一定平衡态的两个热力学系统相互接触，使各处于一定平衡态的两个热力学系统相互接触，使它们之间发生传热它们之间发生传热热接触。热接触。热平衡：热平衡：热接触后的两个系统，经一段时间后，达到共同的热接触后的两个系统，经一段时间后，达到共同的平衡态，称为热平衡。平衡态，称为热平衡。一、热力学第零定律一、热力学第零定律在在不不受受外外界界影影响响的的情情况况下下，只只要要A和和B同同时时与与C处处于于热热平平衡衡，即即使使A和和B没没有有接接触触，它它们们也也必必定定处处于于热热平平衡衡，此规律被称为热力学第零定律。此规律被称为热力学第零定律

13、。热力学第零定律为建立温度概念提供了实验基础热力学第零定律为建立温度概念提供了实验基础。互为热平衡的系统具有相同的温度。互为热平衡的系统具有相同的温度。推证：互为热平衡的热力学系统具有一个数值相等的状态推证：互为热平衡的热力学系统具有一个数值相等的状态函数，这个函数定义为函数，这个函数定义为温度温度。温度的数值表示法叫温标。温度的数值表示法叫温标。1、经验温标、经验温标二、温标二、温标经验温标的三要素：经验温标的三要素：1）选择测温物质，确定测温属性；）选择测温物质，确定测温属性；2）选定固定点；）选定固定点；3）规定测温属性随温度的变化关系）规定测温属性随温度的变化关系凡是以某种物质的某一特

14、性随冷热程度的变化凡是以某种物质的某一特性随冷热程度的变化为依据而确定的温标为经验温标。为依据而确定的温标为经验温标。ABA 和和 B 热平衡，热平衡，TA=TB；B A，A 改变很小，改变很小，TB 基本基本是原来体系是原来体系 A 的温度的温度冰点：冰点：0C(1atm，纯冰和纯水混合物，纯冰和纯水混合物)汽点：汽点：100C（1atm，纯水和水蒸气混合物），纯水和水蒸气混合物）测温属性随温度作线性变化测温属性随温度作线性变化历史上的摄氏温标历史上的摄氏温标问题：用各种不同的摄氏温度计测量同一对象的温度时，所问题：用各种不同的摄氏温度计测量同一对象的温度时，所得结果是否相同呢？得结果是否相

15、同呢？温温 度度 计计测温属性测温属性定体气体温度计定体气体温度计定压气体温度计定压气体温度计铂电阻温度计铂电阻温度计铂铂-铂铑热电偶温度计铂铑热电偶温度计液体温度计液体温度计压强压强体积体积电阻电阻热电动势热电动势液柱长度液柱长度几种常用的温度计几种常用的温度计tC20406080100温度计低于横坐温度计低于横坐标的值：标的值：t-0.1-0.2-0.3-0.4水银水银二氧化碳定压二氧化碳定压铂铂-铂铑热电偶铂铑热电偶铂电阻铂电阻横坐标表示横坐标表示氢定容温度计氢定容温度计纵坐标表示其他温度计读数低于横坐标的值纵坐标表示其他温度计读数低于横坐标的值用不同的测温物质所建立的摄氏温标，除冰点和

16、汽点用不同的测温物质所建立的摄氏温标，除冰点和汽点按规定相同外，其他温度并不严格一致。按规定相同外，其他温度并不严格一致。不同的摄氏温度计测温值的差异不同的摄氏温度计测温值的差异定容气体温度计定容气体温度计比例系数比例系数a a由固定点来确定由固定点来确定固定点选固定点选水的三相点水的三相点，并规定，并规定它的温度为它的温度为273.16开（开（K）ptr为气体温度计中的气体在为气体温度计中的气体在水的三相点时的压强水的三相点时的压强定压气体温度计定压气体温度计2.理想气体温标理想气体温标OBMMhO位位置置不不变变，气气体体体体积积相相同同，压压强强不不同同，则则温温度度不不同同。温温度是压

17、强的函数。度是压强的函数。定容气体温度计定容气体温度计定压气体温度计定压气体温度计实验结果表明：不论采用何种气体，无论是定压还定容，所实验结果表明：不论采用何种气体，无论是定压还定容，所建立的温标在建立的温标在气体压强趋于零气体压强趋于零时，都趋于一共同的极限值。时，都趋于一共同的极限值。这个极限温度叫做这个极限温度叫做理想气体温标理想气体温标。利用不同气体作为测温物利用不同气体作为测温物质，所得温度值相差很小。质，所得温度值相差很小。对对于于极极低低的的温温度度（气气体体的的液液化化点点以以下下）和和高高温温（1200K左左右右），理想气体温标就不适用了。，理想气体温标就不适用了。理想气体温

18、标不依赖于任何一种气体的个性，用不同的气体理想气体温标不依赖于任何一种气体的个性，用不同的气体时所指示的温度是相同的。时所指示的温度是相同的。3.热力学温标热力学温标 一一种种不不依依赖赖于于测测温温物物质质和和测测温温属属性性的的温温标标，单单位位为为开开尔文（尔文（K）。国际规定，热力学温标是最基本的温标。）。国际规定，热力学温标是最基本的温标。热热力力学学温温度度是是基基本本物物理理量量，1K等等于于水水三三相相点点热热力力学学温温度的度的1/273.16。热力学温标是一种理想化的温标。理想气体温标在它所热力学温标是一种理想化的温标。理想气体温标在它所能确定的温度范围内，理想气体温标和热

19、力学温标是完能确定的温度范围内，理想气体温标和热力学温标是完全一致的。全一致的。国际实用温标三要素：国际实用温标三要素：4、国际实用温标、国际实用温标ITS-90（目前采用（目前采用1990年国际温标）年国际温标）1）定义固定点：纯物质的三相点，凝固点和沸点。）定义固定点：纯物质的三相点，凝固点和沸点。2）规定在不同的待测温度区内使用的标准测温）规定在不同的待测温度区内使用的标准测温 仪器（如热电阻温度计、辐射高温计等）。仪器（如热电阻温度计、辐射高温计等）。3）给定在不同的固定点之间标准测温仪器读数与国际）给定在不同的固定点之间标准测温仪器读数与国际温标值之间关系的内插值公式。温标值之间关系

20、的内插值公式。尽可能与作为基本温标的热力学温标一致，还要使各国尽可能与作为基本温标的热力学温标一致，还要使各国都能以很高的准确度复现出同样的温标，而且所规定的都能以很高的准确度复现出同样的温标，而且所规定的测温仪器应尽可能使用起来方便。测温仪器应尽可能使用起来方便。规定摄氏温标由热力学温标导出规定摄氏温标由热力学温标导出t=T-273.15一些实际的温度值一些实际的温度值热力学零度是不能达到的。热力学零度是不能达到的。-热力学第三定律热力学第三定律12-1-3 理想气体状态方程理想气体状态方程在一定的平衡态，热力学系统具有确定的几何参量、力学在一定的平衡态，热力学系统具有确定的几何参量、力学参

21、量、电磁参量，同时也具有确定的温度。参量、电磁参量，同时也具有确定的温度。对于一定质量的气体，可以用压强和体积来描述其平衡态，对于一定质量的气体，可以用压强和体积来描述其平衡态，因而，温度可写为因而，温度可写为气体状态方程气体状态方程玻意耳定律玻意耳定律查理定律查理定律盖盖-吕萨克定律吕萨克定律实验定律实验定律物质的量物质的量：基本量，单位摩尔（：基本量，单位摩尔（mol）摩尔是一系统的物质的量，所包含的基本单元的数目等于摩尔是一系统的物质的量，所包含的基本单元的数目等于0.012kg 碳碳-12的原子数目。的原子数目。阿伏伽德罗常量阿伏伽德罗常量(Avogadro constant)NA=6

22、.02214129（27）x 1023mol-1M：质量；：质量；为摩尔质量；分子数为摩尔质量；分子数N；为摩尔数为摩尔数玻意耳定律玻意耳定律理想气体温标的定义理想气体温标的定义理想气体状态方程理想气体状态方程0.012kg碳碳-12中包含的碳中包含的碳12的原子的数量的原子的数量阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律玻意耳定律玻意耳定律气体的温度保持不变时，其压强和体积成反比。气体的温度保持不变时，其压强和体积成反比。气体的压强越低，它遵守玻意耳定律的准确度越高。气体的压强越低，它遵守玻意耳定律的准确度越高。设有设有mol的理想气体的理想气体由理想气体温标的定义由理想气体温标的定义2）等温过程）等温过

23、程玻意耳定律玻意耳定律1）等容过程）等容过程阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律在温度和压强相同的条件下，在温度和压强相同的条件下，1mol任何气体的体积都相同。任何气体的体积都相同。Vm实验测得在标准条件下（实验测得在标准条件下（1atm，冰点），冰点），1mol气体的体积为气体的体积为22.4升升理想气体状态方程理想气体状态方程R为普适气体常量为普适气体常量k为玻尔兹曼常量为玻尔兹曼常量k=1.3806488（13）x 10-23 JK-1能严格满足理想气体状态方程的气体被称为理想气体。能严格满足理想气体状态方程的气体被称为理想气体。例例:一容器内贮有一容器内贮有气体气体,温度是温度是27 C,(1)压强为压强为1.013 105Pa时时,在在1m3中有多少个分子中有多少个分子;(2)压强为压强为1.33 10 5Pa,在在1m3中有多少个分子中有多少个分子?解解:(1)(2)洛喜密脱常量洛喜密脱常量：标准状态下，标准状态下，1m3气体所含的气体分子数气体所含的气体分子数