引言及第一章温度幻灯片.ppt

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1、引言及第一章温度1第1页，共46页，编辑于2022年，星期六研究的对象：大量微观粒子所组成的宏观客体大量微观粒子所组成的宏观客体热力学系统热力学系统应用：测温测温热工学和低温技术热工学和低温技术化学、化工化学、化工冶金工业冶金工业在现代科学技术中在现代科学技术中2第2页，共46页，编辑于2022年，星期六0-2热力学系统的宏观描述和微观描述 研究方法宏观理论（热力学）宏观理论（热力学）微观理论（统计物理学）微观理论（统计物理学）在大量实验的基础上总结出热力学基本定律在大量实验的基础上总结出热力学基本定律从气体的微观结构出发，应用力学规律借助统从气体的微观结构出发，应用力学规律借助统计的方法研究

2、热力学规律计的方法研究热力学规律优点：简便、可靠、普适优点：简便、可靠、普适缺点：不能解释热现象的本质缺点：不能解释热现象的本质优点：能解释热现象的本质优点：能解释热现象的本质缺点：数学上的困难缺点：数学上的困难3第3页，共46页，编辑于2022年，星期六0-3热学发展简史第一时期第一时期热学的早期史，开始于热学的早期史，开始于1717世纪末，直到世纪末，直到1919世纪中叶，世纪中叶，这时期，积累了大量的实验和观察的事实，关于热的本性展开了研究和讨论，为热力这时期，积累了大量的实验和观察的事实，关于热的本性展开了研究和讨论，为热力学理论的建立作了准备。学理论的建立作了准备。第二时期第二时期1

3、919世纪中叶到世纪中叶到1919世纪世纪7070年代末，热功相当原理奠定了热力学第一定律年代末，热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础，和卡诺理论结合导致了热力学第二定律的形成，与微粒说结合导致了分子运的基础，和卡诺理论结合导致了热力学第二定律的形成，与微粒说结合导致了分子运动论的建立。但热力学与分子运动论的发展彼此隔绝的。动论的建立。但热力学与分子运动论的发展彼此隔绝的。第三时期第三时期1919世纪世纪7070年代末到年代末到2020世纪初，热力学与分子运动论的结合导致世纪初，热力学与分子运动论的结合导致了统计物理学的产生。了统计物理学的产生。第四时期第四时期起于起于2020世纪世纪303

4、0年代，出现了量子统计物理学和非平衡态理论。形成了年代，出现了量子统计物理学和非平衡态理论。形成了现代理论物理学最重要的一个部门。现代理论物理学最重要的一个部门。4第4页，共46页，编辑于2022年，星期六热的本质热的本质热是一种元素（热质说热是一种元素（热质说 caloric theory caloric theory）热是物质运动的一种表现热是物质运动的一种表现认为热是一种物质的说法：认为热是一种物质的说法：古希腊的德谟克里特（古希腊的德谟克里特（Democritus,Democritus,前前460460371371年）年）哈雷大学的施塔耳（哈雷大学的施塔耳（stahl,1660stah

5、l,166017341734）傅里叶（傅里叶（Fourier,1768Fourier,17681830),1830),于于18221822年建立了傅里叶定律年建立了傅里叶定律布莱克（布莱克（Black,1728Black,172817991799），于），于17551755年发明了冰量热器。年发明了冰量热器。卡诺（卡诺（Sadi Carnot,1796Sadi Carnot,17961832),1832),于于18241824年得出卡诺定理年得出卡诺定理利用热质说得到的成果：利用热质说得到的成果：伽桑狄（伽桑狄（Gassendi,1592Gassendi,159216551655）5第5页，共

6、46页，编辑于2022年，星期六17991799年，戴维年，戴维(Davy,1778(Davy,17781829)1829)把两块冰互相摩擦使之完全熔化把两块冰互相摩擦使之完全熔化18421842年，迈耶（年，迈耶（Mayer,1814Mayer,181418781878）提出能量守恒学说）提出能量守恒学说能量守恒与转换定律，热力学第一定律。能量守恒与转换定律，热力学第一定律。从从18401840年到年到18791879年进行了多种实验测定热功当量并在年进行了多种实验测定热功当量并在18501850年发表了结果年发表了结果认为热是物质运动的一种表现：认为热是物质运动的一种表现：培根（培根（Fr

7、ancis Bacon,1561Francis Bacon,156116261626）伦福德（伦福德（Count Rumford,1753Count Rumford,175318141814），于），于17981798年发现制造枪炮时所切年发现制造枪炮时所切下的碎屑有很高的温度下的碎屑有很高的温度焦耳（焦耳（James Prescott Joule,1818James Prescott Joule,181818891889）6第6页，共46页，编辑于2022年，星期六19481948年，开尔文（年，开尔文（Kelvin,W.thomson,1824Kelvin,W.thomson,182419

8、071907）制定了绝对温标）制定了绝对温标18501850、5151年克劳修斯（年克劳修斯（K.E Clausius,1822K.E Clausius,182218881888）与开尔文分别得出）与开尔文分别得出了热力学第二定律了热力学第二定律19061906年能斯特（年能斯特（W Nernst,1864W Nernst,186419411941）得出了热力学第三定律）得出了热力学第三定律热力学趋于完善热力学趋于完善统计物理学也发展为完整的理论统计物理学也发展为完整的理论克劳修斯从分子运动论的观点导出了玻意耳定律克劳修斯从分子运动论的观点导出了玻意耳定律麦克斯韦（麦克斯韦（Maxwell,1

9、831Maxwell,183118791879）得出了分子运动速度分布律）得出了分子运动速度分布律玻耳兹曼（玻耳兹曼（Boltzmann,1844Boltzmann,184419061906）给出了热力学定律的统计解释）给出了热力学定律的统计解释吉布斯（吉布斯（Joseph Willard Gibbs,1839Joseph Willard Gibbs,183919031903）建立了统计法）建立了统计法7第7页，共46页，编辑于2022年，星期六内内容容安安排排1 1 热力学基础热力学基础2 2 统计物理学初步知识统计物理学初步知识3 3 物性学方面的知识物性学方面的知识 温度温度 第一章第一

10、章 6 6学时学时热力学第一定律热力学第一定律 第二章第二章 8 8学时学时热力学第二定律热力学第二定律 第三章第三章 6 6学时学时气体动理论气体动理论 第四章第四章 10 10学时学时气体内的输运过程气体内的输运过程 第五章第五章 4 4学时学时非理想气体非理想气体 固体和液体固体和液体 第六章第六章 8 8学时学时相变相变 第七章第七章 8 8学时学时8第8页，共46页，编辑于2022年，星期六第一章 温度 Temperature1-1 平衡态 状态参量 一一 热力学系统的平衡态热力学系统的平衡态热力学系统热力学系统孤立系统孤立系统封闭系统封闭系统开放系统开放系统孤立系统各部分宏观性质不

11、随时间变化的状态孤立系统各部分宏观性质不随时间变化的状态-平衡态，否则为非平衡态平衡态，否则为非平衡态（无能量、无物质交换）（无能量、无物质交换）（有能量、无物质交换）（有能量、无物质交换）（有能量、有物质交换）（有能量、有物质交换）例例9第9页，共46页，编辑于2022年，星期六系统呈现平衡态的条件：系统呈现平衡态的条件：（一）满足热平衡条件（一）满足热平衡条件 系统内部处处温度相等系统内部处处温度相等（二）满足力学平衡条件（二）满足力学平衡条件系统内部各部分，系统与外界之间达到力学平衡系统内部各部分，系统与外界之间达到力学平衡无外场时，压强处处相同无外场时，压强处处相同（三）满足化学平衡条

12、件（三）满足化学平衡条件无外场时，系统各部分化学组成处处相同无外场时，系统各部分化学组成处处相同1 1 条件：孤立系统条件：孤立系统2 2 热动平衡热动平衡3 3 理想状态理想状态例例10第10页，共46页，编辑于2022年，星期六二二 状态参量状态参量 （物态参量）（物态参量）对一定质量，一定种类的化学纯的气体系统，需两个参量描述对一定质量，一定种类的化学纯的气体系统，需两个参量描述1 1 体积体积 V 从几何角度来描述的从几何角度来描述的2 2 压强压强 p 从力学的角度来描述的从力学的角度来描述的3 3 温度温度 T 从热学的角度来描述的从热学的角度来描述的对混合气体：对混合气体：化学参

13、量化学参量摩尔数摩尔数质量质量 M若系统在外场中，电磁参量若系统在外场中，电磁参量11第11页，共46页，编辑于2022年，星期六1-2 热力学第零定律和温度一一 热力学第零定律热力学第零定律1.1.热平衡热平衡 thermal equilibrium不动绝热壁A气体B气体A气体B气体导热壁两个系统处于热平衡两个系统处于热平衡动12第12页，共46页，编辑于2022年，星期六2.2.热力学第零定律热力学第零定律 zeroth law of thermodynamics绝热壁绝热壁导热壁导热壁A、B、C达到达到热平衡热平衡A、B的的状态不状态不变变13第13页，共46页，编辑于2022年，星期六

14、在不受外界影响下，只要在不受外界影响下，只要A和和B同时与同时与C处于热平衡，处于热平衡，即使即使A和和B没有热接触，它们仍处于热平衡没有热接触，它们仍处于热平衡热平衡热平衡定律定律Fowler于于1939年提出的，称为热力学第零定律年提出的，称为热力学第零定律二二 温度的概念温度的概念一切互为热平衡的系统都具有相同的温度一切互为热平衡的系统都具有相同的温度14第14页，共46页，编辑于2022年，星期六温度数值表示法温度数值表示法温标温标一一 经验温标经验温标 Empirical Temperature Scale 利用某一测温物质的某一测温属性建立的温标利用某一测温物质的某一测温属性建立的

15、温标例例 p=C，气体或液体的体积随，气体或液体的体积随T V V=C，气体或液体的压强随，气体或液体的压强随T p 金属丝的电阻随金属丝的电阻随T R光强的亮度随温度光强的亮度随温度T亮度亮度经验温标经验温标1-3 温标的建立15第15页，共46页，编辑于2022年，星期六建立一种经验温标要包含建立一种经验温标要包含三个要素：三个要素：（1）选择某种测温物质，确定它的测温属性）选择某种测温物质，确定它的测温属性（2）对测温属性随温度的变化关系作出规定）对测温属性随温度的变化关系作出规定（3）选定标准温度点并规定其数值）选定标准温度点并规定其数值设：设：测温参量测温参量被测系统与温度计（测温质

16、）被测系统与温度计（测温质）热平衡热平衡时的时的温度值温度值令：令：可得：可得：待定常数待定常数16第16页，共46页，编辑于2022年，星期六常用的几种：常用的几种：1 选定水的冰点和沸点为标准点，规定选定水的冰点和沸点为标准点，规定1atm下下0和和1002 选定水的冰点和沸点为标准点，规定选定水的冰点和沸点为标准点，规定1atm下下32和和2123 选定水的三相点为标准点，选定水的三相点为标准点，温度值选为温度值选为273.16K摄氏温标摄氏温标 Celsius scale华氏温标华氏温标 Fahrenheit scale开尔文温标（热力学温标）开尔文温标（热力学温标）与与为线性关系：为

17、线性关系：设：冰点时，温度设：冰点时，温度测温参量测温参量沸点时，温度沸点时，温度测温参量测温参量17第17页，共46页，编辑于2022年，星期六18第18页，共46页，编辑于2022年，星期六二二 理想气体温标理想气体温标1.1.气体温度计气体温度计 Gas Thermometer一定质量的气体，一定质量的气体，p不变，不变，定压气体温度计定压气体温度计V不变不变，定体定体气体温度计气体温度计2.2.理想气体温标理想气体温标 Perfect Gas Temperature Scale 规定：标准的温度点选用水的三相点，温度值规定：标准的温度点选用水的三相点，温度值273.16K对定体气体温度

18、计对定体气体温度计:该气体在水的三相点时的压强值该气体在水的三相点时的压强值19第19页，共46页，编辑于2022年，星期六实验实验:实验结果说明实验结果说明:1 实际气体不是理想的实际气体不是理想的3 若用定压气体温度计若用定压气体温度计.可得可得2 随随 减小减小,测得的测得的 差别也愈来愈小差别也愈来愈小,不同气不同气体都有同样结果体都有同样结果用用定体气体温度计定体气体温度计测量水的汽点测量水的汽点(沸点沸点)的温度的温度20第20页，共46页，编辑于2022年，星期六结论结论:(体积体积V不变不变)(压强压强p不变不变)无论何种气体，无论是定体还是定压所建立的温标，在无论何种气体，无

19、论是定体还是定压所建立的温标，在气体压强趋于零时气体压强趋于零时,都趋于一共同的极限值都趋于一共同的极限值,这个极限值的这个极限值的温标为理想气体温标温标为理想气体温标:气体的液化点以下和高温气体的液化点以下和高温1000 以上不适用以上不适用最低温度为最低温度为1K,1K,用氦为测温质用氦为测温质21第21页，共46页，编辑于2022年，星期六三热力学温标和国际温标三热力学温标和国际温标不依赖测温物质和测温属性的温标不依赖测温物质和测温属性的温标-热力学温标热力学温标可用理想气体温标在一定范围内实现热力学温标可用理想气体温标在一定范围内实现热力学温标开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温

20、标开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温标也是理论也是理论温标温标.1.1.热力学温标热力学温标 Thermodynamic Scale of Temperature22第22页，共46页，编辑于2022年，星期六要点要点:1 规定热力学温标为基本温标规定热力学温标为基本温标,单位单位:开尔文开尔文 符号符号:K2 规定水的三相点的热力学温度为规定水的三相点的热力学温度为273.16K3 摄氏温标由热力学温标导出摄氏温标由热力学温标导出:t=T-273.152.2.国际温标国际温标 International Temperature Scale 国际间协议性温标国际间协议性温标ITS90

21、温度范围从温度范围从0.65K-2357.77K23第23页，共46页，编辑于2022年，星期六 温度的范围温度的范围24第24页，共46页，编辑于2022年，星期六四四 温度测量的方法温度测量的方法（一）膨胀测温法（一）膨胀测温法玻璃液体温度计玻璃液体温度计双金属温度计双金属温度计-30600-80600（二）压力测温法（二）压力测温法定体气体温度计定体气体温度计压力压力表式温度计表式温度计4K550精度高精度高蒸气压式温度计蒸气压式温度计（三）电磁学测温法（三）电磁学测温法电阻温度计电阻温度计温差热电偶温差热电偶温度计温度计灵敏度高灵敏度高半导体热敏电阻温度计半导体热敏电阻温度计（四）辐射

22、测温法（四）辐射测温法频率温度计频率温度计光学温度计光学温度计准确度最高，可数字准确度最高，可数字 化化辐射高温度计辐射高温度计（五）声学测温法（五）声学测温法比色高温度计比色高温度计声学温度计声学温度计噪声温度计噪声温度计灵敏度高灵敏度高25第25页，共46页，编辑于2022年，星期六1-4理想气体状态方程 一一 热力学系统的状态方程热力学系统的状态方程若对于一个一定质量的各向同性的热力学系统，在无外场作用下，可用若对于一个一定质量的各向同性的热力学系统，在无外场作用下，可用V、p、T 三个参量来描述，实验表明这三者不是独立的。三个参量来描述，实验表明这三者不是独立的。或或二二 理想气体及其

23、状态方程理想气体及其状态方程由实验由实验找出理想气体状态方程找出理想气体状态方程结论结论:R普适气体常量普适气体常量 universal gas constant（摩尔气体常量）摩尔气体常量）无论什么气体，多少温度，当无论什么气体，多少温度，当p 0时，时，常量，定义用常量，定义用R表示表示 严格遵从严格遵从 的气体的气体理想气体理想气体Equation of state of perfect gas 26第26页，共46页，编辑于2022年，星期六1mol 理想气体状态方程理想气体状态方程对对M质量的理想气体，设摩尔质量质量的理想气体，设摩尔质量则有则有 摩尔气体摩尔气体M 质量的理想气体状

24、态方程质量的理想气体状态方程1 1 理想气体不存在理想气体不存在2 2 常温常压下实际气体近似为理想气体常温常压下实际气体近似为理想气体在标准状态下，在标准状态下，1mol理想气体理想气体27第27页，共46页，编辑于2022年，星期六由理想气体物态方程由理想气体物态方程实验定律实验定律1 当当不变时，不变时，常数常数玻意耳玻意耳马略特定律马略特定律2 当当不变时，不变时，常数常数盖吕萨克定律盖吕萨克定律称为气体的体膨胀系数称为气体的体膨胀系数常数常数查理定律查理定律压强（温度）系数压强（温度）系数3 当当不变时，不变时，4 阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律在相同在相同 T 和和 p，1mol任何

25、气体的任何气体的V 相等相等28第28页，共46页，编辑于2022年，星期六三三 混合理想气体状态方程混合理想气体状态方程若气体由若气体由A种气体种气体，由由B种气体，种气体，种理想气体组成种理想气体组成道尔顿分压定律：道尔顿分压定律：Dalton law of partial pressure混合气体压强等于各组分的分压强之和混合气体压强等于各组分的分压强之和各组分单独存在时与混合气体同温同体积时的压强令令 为混合气体的摩尔数为混合气体的摩尔数混合理想气体物态方程混合理想气体物态方程平均摩尔质量平均摩尔质量29第29页，共46页，编辑于2022年，星期六四四 理想气体的理想气体的p V T

26、图图1 V不变时，投影在不变时，投影在pT图上图上为等体线是一直线。为等体线是一直线。2 T不变时，投影在不变时，投影在pV图上图上为等温线是一双曲线。为等温线是一双曲线。3 p不变时，投影在不变时，投影在VT图图上为等压线是一直线。上为等压线是一直线。等温线越靠近原点等温线越靠近原点等压线30第30页，共46页，编辑于2022年，星期六理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用要求要求:1 对对的物理内容有全面的理解的物理内容有全面的理解2 确定合适的研究对象，认真分析状态及过程特征确定合适的研究对象，认真分析状态及过程特征例11氧气瓶体积氧气瓶体积V=30L，充满氧气后压强为，充满氧气后

27、压强为p1=130atm,按理当按理当压强下降到压强下降到p2=10atm时要重新充气，现在每天用时要重新充气，现在每天用v=40L，p3=1atm的氧气，问一瓶氧气用多少天？的氧气，问一瓶氧气用多少天？31第31页，共46页，编辑于2022年，星期六例2一水银气压计管一水银气压计管.水银面到管顶的距离为水银面到管顶的距离为lmm,在标准大气压相当在标准大气压相当于于HmmHg高和温度高和温度t1下，有一个空气泡进入管中，因此管内下，有一个空气泡进入管中，因此管内水银柱长度减为水银柱长度减为h1mm,试求修正量试求修正量PP的表达式，引入这个修的表达式，引入这个修正量将可以在任何温度正量将可以

28、在任何温度t管内水银柱的任何高度管内水银柱的任何高度hmm时利用气时利用气压计准确测量气压。压计准确测量气压。例3一只气球一只气球,在标准状态下可带在标准状态下可带179N的总负载的总负载,当上升到气压为当上升到气压为0.66atm,温度为温度为-10 的高度时的高度时,气球所带的总负载是多少气球所带的总负载是多少?(?(气气球体积不变球体积不变)32第32页，共46页，编辑于2022年，星期六例4Gas at room temperature and pressure is confined to a cylinder by a piston,the piston is now pushed

29、 in so as to reduce the volume to one-eighth of its original value.After the gas temperature has returned to room temperature,what is the gauge pressure of the gas in kPa?Local atmospheric pressure is 740 mm of mercurySolved Problems33第33页，共46页，编辑于2022年，星期六34第34页，共46页，编辑于2022年，星期六测温泡待测液体毛细管保持在同一水平，目

30、的使测温泡中气体的体积不变定体气体温度计示意图定体气体温度计示意图水银气压计35第35页，共46页，编辑于2022年，星期六玻璃液体温度计示意图玻璃液体温度计示意图36第36页，共46页，编辑于2022年，星期六两种线膨胀系数不同的金属组合在一起，一端固定，当温度变化时，两金属热膨胀不同，带动指针偏转指示温度。双金属温度计示意图双金属温度计示意图或可用于温度自动控制。当温度升高时，金属片弯曲与导线相连，实现自动控制。如：冰箱中的温度控制器37第37页，共46页，编辑于2022年，星期六压缩流体充入弹簧管，使弹簧管的曲率变化，通过杠杆、齿轮等带动指针。测温泡毛细管压力表未测温时，温度计温度为室温

31、T。，压强为p。弹簧管压力表示意图弹簧管压力表示意图38第38页，共46页，编辑于2022年，星期六A、B两种不同的金属丝C1、C2同种铜丝电位差计参考结参考结冰水混合物（或液氮）的杜瓦瓶A和B构成的测量结 L 置于被测温区39第39页，共46页，编辑于2022年，星期六调节电阻R改变灯丝亮度当它与待测光源像亮度相等时，灯丝的像消失读出物体亮度温度40第40页，共46页，编辑于2022年，星期六41第41页，共46页，编辑于2022年，星期六一个理论，如果它的前提越简单，而且能说明各种类型的问题越多，适用的范围越广，那么它给人的印象就越深刻。因此，经典热力学给我留下了深刻的印象，经典热力学是具

32、有普遍内容的唯一的物理理论。爱因斯坦 一九四九年42第42页，共46页，编辑于2022年，星期六抽掉抽掉过程中过程中p、T 相等相等扩散扩散43第43页，共46页，编辑于2022年，星期六orButSubstitution givesgauge pressure is the difference between actual andatmospheric pressure.Therefore,The gauge read in kPa is44第44页，共46页，编辑于2022年，星期六测温质测温质45第45页，共46页，编辑于2022年，星期六理想气体理想气体取取1mol的的CO2气体气体在同一温度下，测量不同的在同一温度下，测量不同的p下的下的V换一温度，重复实验换一温度，重复实验换不同的气体，重复实验换不同的气体，重复实验理想气体理想气体46第46页，共46页，编辑于2022年，星期六