物理学热学物态方程幻灯片.ppt
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1、物理学热学物态方程第1页,共21页,编辑于2022年,星期日1.4 物态方程物态方程 1.4.1 1.4.1 物态方程(物态方程(equation of statesequation of states)o处处于于平平衡衡态态的的系系统统,只只要要系系统统处处于于某某一一确确定定的的平平衡衡态态,系统的热力学参量也将同时确定。系统的热力学参量也将同时确定。o不不管管系系统统状状态态如如何何改改变变,给给定定的的系系统统,处处于于平平衡衡态态的的各各热热力学参量之间存在确定的函数关系。力学参量之间存在确定的函数关系。o我我们们把把处处于于平平衡衡态态的的某某种种物物质质的的热热力力学学参参量量(
2、如如压压强强、体体积积、温温度度)之之间间所所满满足足的的函函数数关关系系称称为为物物质质的的物物态态方方程程或或称状态方程称状态方程。o例例如如化化学学纯纯的的气气体体、液液体体、固固体体的的温温度度T Ti i都都可可分分别别由由各自的压强各自的压强 p pi i 及摩尔体积及摩尔体积V Vi,mi,m来表示,即来表示,即其中其中i i分别表示气、液、固。分别表示气、液、固。第2页,共21页,编辑于2022年,星期日 o它们是分别描述气态、液态、固态的物态方程。它们是分别描述气态、液态、固态的物态方程。o实实际际上上并并不不限限于于气气、液液、固固三三种种情情况况。有有的的系系统统,即即使
3、使V V、p p不变,温度仍可随其物理量而变。不变,温度仍可随其物理量而变。o例例如如将将金金属属拉拉伸伸,金金属属丝丝的的温温度度会会升升高高,这这时时虽虽然然金金属属丝丝的的压压强强、体体积积均均未未变变,但但其其长长度度L L及及内内部部应应力力F F 都都增增加加,说明金属丝的温度说明金属丝的温度T T 是是F F、L L的函数的函数.o f(F,L,T)f(F,L,T)=0 =0 o该该式式称称为为拉拉伸伸金金属属丝丝的的物物态态方方程程。还还可可存存在在其其他他各各种种物态方程。物态方程。o物态方程中都显含温度物态方程中都显含温度 T.T.o物态方程常是一些由理论和实验相结合的方法
4、定出的半经物态方程常是一些由理论和实验相结合的方法定出的半经验公式。验公式。第3页,共21页,编辑于2022年,星期日1.4.2 1.4.2 体膨胀系数、体膨胀系数、压缩系数、压强系数、热膨胀现象压缩系数、压强系数、热膨胀现象o(一一)体膨胀系数、压缩系数、压强系数体膨胀系数、压缩系数、压强系数 o状态方程有状态方程有3 3个变量个变量,若某一变量保持不变若某一变量保持不变,其它两个变量之其它两个变量之间可以建立微商关系(这就是偏微商)间可以建立微商关系(这就是偏微商),因而可由状态因而可由状态方程求得反映系统的重要特性的三个系数方程求得反映系统的重要特性的三个系数.o(1)(1)等温压缩系数
5、等温压缩系数 由于物质受压时其体积一般总是要缩小的由于物质受压时其体积一般总是要缩小的,而等温压缩系数应该而等温压缩系数应该大于零,所以有个负号大于零,所以有个负号.第4页,共21页,编辑于2022年,星期日(2 2)体膨胀系数)体膨胀系数o它表示在压强不变的条件下,单位温度变化所引起的它表示在压强不变的条件下,单位温度变化所引起的体积的相对变化体积的相对变化.o由由于于物物体体具具有有3 3维维结结构构,在在体体积积增增大大的的同同时时必必然然伴伴随随有有线度的增加线度的增加,这一性质是由这一性质是由线膨胀系数线膨胀系数来表示。来表示。第5页,共21页,编辑于2022年,星期日 o对于各向同
6、性物质,即各个方向的物理性质均相同的物质。在对于各向同性物质,即各个方向的物理性质均相同的物质。在一级近似情况下一级近似情况下,体膨胀系数与线膨胀系数之间有如下关体膨胀系数与线膨胀系数之间有如下关系系 o(3)(3)相对压力系数相对压力系数 V Vo它表示在体积不变的条件下,单位温度变化所引起的压强的相它表示在体积不变的条件下,单位温度变化所引起的压强的相对变化对变化o一个物质系统的物态方程的精确表达式往往是很复杂的一个物质系统的物态方程的精确表达式往往是很复杂的,在热学在热学宏观理论中它只能由实验来确定宏观理论中它只能由实验来确定o由实验来测定一个化学纯的物质系统的物态方程,常常是由实验来测
7、定一个化学纯的物质系统的物态方程,常常是通过测量等温压缩系数、体膨胀系数、相对压力系数通过测量等温压缩系数、体膨胀系数、相对压力系数,而而最后得到物态方程的最后得到物态方程的第6页,共21页,编辑于2022年,星期日(二)热膨胀现象(二)热膨胀现象 o岩石被加热以后急剧冷却岩石被加热以后急剧冷却,在强烈的收缩过程中岩石会出在强烈的收缩过程中岩石会出现裂缝。现裂缝。o20002000多年前兴修的都江堰水利工程(现己被列为世界文化多年前兴修的都江堰水利工程(现己被列为世界文化遗产)就是利用这种方法凿山开河遗产)就是利用这种方法凿山开河,o热膨胀也是导致岩石的侵蚀的一种因素热膨胀也是导致岩石的侵蚀的
8、一种因素 o由于昼夜气温变化大由于昼夜气温变化大,在冬季或者在夏季气候的忽冷忽热在冬季或者在夏季气候的忽冷忽热,热胀冷缩致使岩石开裂热胀冷缩致使岩石开裂.岩石风化,有的甚至最后变成沙岩石风化,有的甚至最后变成沙漠漠.第7页,共21页,编辑于2022年,星期日热膨胀的照片热膨胀的照片第8页,共21页,编辑于2022年,星期日1.4.2 理想气体物态方程理想气体物态方程(一一)气体的实验定律气体的实验定律o只只要要在在足足够够宽宽广广的的温温度度压压强强变变化化范范围围内内进进行行比比较较精精细细的的研研究究,就就可可发发现现,气气体体的的物物态态方方程程相相当当复复杂杂,而且同气体所遵循的规律也
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