热力学平衡的基本概念.ppt

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1、太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写由大量分子或原子组成的宏观物体，由大量分子或原子组成的宏观物体，称为热力称为热力学系统。学系统。热力学系统外的物体称热力学系统外的物体称外界。外界。第二篇第二篇 热学热学对象的特征：对象的特征：大量无规运动的粒子组成。大量无规运动的粒子组成。一、热学研究对象及内容一、热学研究对象及内容1.1.对象对象热现象：热现象：物质中大量分子热运动的集体表现。物质中大量分子热运动的集体表现。热学研究与热现象有关的热学研究与热现象有关的性质性质和和规律规律。2.2.内容内容太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写二、热学的研究方法二、热

2、学的研究方法以实验事实为基础，从能量的观点研究热现象的宏以实验事实为基础，从能量的观点研究热现象的宏观特性和规律。观特性和规律。从物质的微观结构出发，用从物质的微观结构出发，用统计平均统计平均的方法，研究的方法，研究热现象及规律的微观本质。热现象及规律的微观本质。3.3.宏观方法和微观方法的关系宏观方法和微观方法的关系 相辅相成、互相补充。相辅相成、互相补充。1.1.宏观描述方法宏观描述方法-热力学方法热力学方法2.2.微观描述方法微观描述方法-统计物理方法统计物理方法太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写一一 气体状态参量气体状态参量4-1 4-1 热力学平衡的基本概念热力

3、学平衡的基本概念表示系统有关特性的物理量叫表示系统有关特性的物理量叫状态参量状态参量.描述气体系统的状态参量有描述气体系统的状态参量有:体积体积V,压强压强P,温度温度T.1.体积体积V 气体分子无规则热运动能达到的空间称为气体的气体分子无规则热运动能达到的空间称为气体的体积体积.容器中的气体的体积就是容积容器中的气体的体积就是容积.在在SI中中,单位是立方米单位是立方米.2.压强压强P 大量气体分子与器壁碰撞大量气体分子与器壁碰撞,器壁单位面积所受器壁单位面积所受的正压力的正压力.太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写3.温度温度表征气体热运动剧烈程度的物理量表征气体热运动

4、剧烈程度的物理量.在在SI中中,单位单位:帕斯卡帕斯卡(pa)1pa=1Nm-21 atm=1.013 105pa=760mmHg温度的数值表示叫温标温度的数值表示叫温标.摄氏温标与华氏温标的关系摄氏温标与华氏温标的关系摄氏温标与热力学温标的关系摄氏温标与热力学温标的关系太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写二二 平衡态平衡态热力学热力学状态状态平衡态平衡态非平衡态非平衡态只有在系统处于平衡态的条件下，只有在系统处于平衡态的条件下，状态参量才有确状态参量才有确定的数值和意义。定的数值和意义。在在没有外界影响没有外界影响的情况下，的情况下，系统各部分的系统各部分的宏观性质宏观性

5、质可以可以自发地发生变化自发地发生变化的状态。的状态。在在没有外界影响没有外界影响的情况下，的情况下，系统各部分的系统各部分的宏观性质宏观性质长时长时期期不发生变化不发生变化的状态。的状态。1 1 引入平衡态概念的必要性引入平衡态概念的必要性太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写2 2 平衡条件平衡条件一定质量的气体，如果满足与外界无一定质量的气体，如果满足与外界无能量交能量交换换，内部无内部无化学反应化学反应、依靠分子依靠分子热运动热运动可以使气体内各部分达到：可以使气体内各部分达到：密度密度 均匀、均匀、温度温度 T 均匀、均匀、压强压强 P 均匀均匀核反应的条件，核反应

6、的条件，平衡态是理想化模型，我们研究平衡态的热学规律平衡态是理想化模型，我们研究平衡态的热学规律.此时此时,气体的状态参量不再随时间变化气体的状态参量不再随时间变化,这样这样的状态就是平衡态的状态就是平衡态.太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写平衡态时宏观量不随时间改变，如压强平衡态时宏观量不随时间改变，如压强P恒定恒定,但但不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样样,称为称为涨落现象涨落现象，分子数越多，涨落就越小。，分子数越多，涨落就越小。箱子两侧粒子数不可能严格相同，这里的偏差也箱子两侧粒子数不可能严格相同，这里的偏差

7、也就是涨落就是涨落.处在平衡态的大量分子永远进行热运动，由于碰处在平衡态的大量分子永远进行热运动，由于碰撞，每个分子的速度不断改变，但系统的宏观量撞，每个分子的速度不断改变，但系统的宏观量不随时间改变不随时间改变动态平衡动态平衡.箱子假想分成两相同体积的部箱子假想分成两相同体积的部分分,达到平衡时达到平衡时,两侧粒子有的两侧粒子有的穿越界线穿越界线,但两侧粒子数相同但两侧粒子数相同.三三 动态平衡与涨落动态平衡与涨落太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写1 1 热平衡热平衡:两物体通过热接触，经很长时间后达两物体通过热接触，经很长时间后达到的到的宏观性质宏观性质不再变化的状态

8、称为不再变化的状态称为热平衡态热平衡态。四四 热力学第零定律热力学第零定律 热力学第零定律为热力学第零定律为温度概温度概念的建立提供了实念的建立提供了实验基础验基础,互为热平衡的物体之间必存在一个相同互为热平衡的物体之间必存在一个相同的宏观特征，即相同的温度的宏观特征，即相同的温度.太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写五五 状态方程状态方程状态参量在状态参量在平衡态平衡态下有确定的数值和意义，那么下有确定的数值和意义，那么不同不同状态参量状态参量之间有什么之间有什么关系关系？以理想气体为例，状态参量有以理想气体为例，状态参量有p、V、T，由实验，由实验测得，测得，P、V、T

9、三者有关系：三者有关系：一般地，一个热力学系统达到平衡态时，其一般地，一个热力学系统达到平衡态时，其状状态参量态参量之间满足的函数关系称为该热力学系统的之间满足的函数关系称为该热力学系统的状态方程状态方程.1 1 状态方程的概念状态方程的概念气体的状态方程气体的状态方程太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写玻意耳玻意耳-马略特定律马略特定律PV=constant盖盖吕萨克定律吕萨克定律V/T=constant查理定律查理定律P/T=constantT不变不变P不变不变V不变不变2 理想气体的状态方程理想气体的状态方程理想气体的理想气体的实验定律实验定律温度较高、压强较小、密度

10、较小的气体温度较高、压强较小、密度较小的气体理想气体理想气体太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写一定量的理想气体，在一定量的理想气体，在平衡状态平衡状态下，状态参量下，状态参量P、V、T的关系可以由三条实验定律导出的关系可以由三条实验定律导出 1mol的理想气体在标准状态下，所占的体积的理想气体在标准状态下，所占的体积为为22.4升升.太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写质量为质量为M的气体，在的气体，在标准状态标准状态下的状态参量下的状态参量普适气体恒量普适气体恒量太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写另一种常用形式另一种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常用形式常用形式气体质量气体质量气体的气体的摩尔质量摩尔质量由理想气体状态方程由理想气体状态方程太原理工大学物理系李孟春编写太原理工大学物理系李孟春编写 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的两种形式理想气体状态方程的两种形式