物理1热学的预备知识白底

1、热学（Heat）,大量分子的无规则运动称为热运动。 热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现 热学是研究与热现象有关的规律的科学。,宏观法与微观法相辅相成。,热学的研究方法：,1.宏观法. 最基本的实验规律逻辑推理(运用数学) -称为热力学 优点：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质。,2.微观法. 物质的微观结构 + 统计方法 -称为统计力学 其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论) 优点：揭示了热现象的微观本质。 缺点：可靠性、普遍性差。,大学热学基础,第一章 温度,热力学系统与外界 热力学研究的对象-热力学系统. 研究物理现象时，通常选取一部分物质，并认为这部分物质可以从其周围物质中划分出来作为一个整体来研究。 热力学系统以外的物体称为外界。,1.1 宏观和微观,例：若汽缸内气体为系统，其它为外界,孤立系统-无能量又无质量交换 封闭系统-无质量交换 绝热系统-无热量交换 开放系统-有能量又有质量交换,宏观量与微观量,对热力学系统的两种描述方法：,1. 宏观量 从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量 如 M、V、 P、T 等,平衡态,平衡态是一个理想化模型 我们主要研究平衡态

2、的热学规律。,说明两个概念：,动态平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞， 每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间 改变。这称为动态平衡。,箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越界线，但 两侧粒子数相同。,粒子数是宏观量,一定质量的气体与外界无能量交换，内部无化学反应、 核反应，仅由于分子 热运动 使气体内各部分达到：,（又称热动平衡态，是一种理想状态）,密度 均匀、,温度 T 均匀、,压强 P 均匀的状态。,涨落 处在平衡态的系统的宏观量，如压强P，不随时 间改变， 但不能保证任何时刻大量分子撞击器 壁的情况完全一样， 这称为涨落现象。 分子数越多，涨落就越小。,上例中两侧粒子数不可能 严格相同，这里的偏差也 就是涨落。,布朗运动是可观测的涨落现象之一。,状态参量平衡态的描述 确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量。 常用的状态参量有四类： 几何参量（如：气体体积） 力学参量（如：气体压强） 化学参量（如：混合气体各化学组 分的质量和摩尔数等） 电磁参量（如：电场和磁场强度， 电极化和磁化强度等）,1.2 温度,A、B 两体系互不影响各自达到

3、平衡态,A、B 两体系的平衡态有联系 达到共同的热平衡状态（热平衡） A、B 两体系有共同的宏观性质， 称为系统的温度。,处于热平衡的多个系统具有相同的温度,温度测量,（热力学第0定律） 设 A 和 B、B 和 C 分别热平衡， 则 A 和 C 一定热平衡。,A 和 B 热平衡， TA=TB ；,B A， A 改变很小，TA 基本是原来体系 A 的温度,热胀冷缩特性，标准状态下，冰水混合，B 上留一刻痕， 水沸腾，又一刻痕，之间百等份，就是摄氏温标（Co）。,酒精或水银,温度是状态的函数，在实质上反映了组 成系统大量微观粒子无规则运动的激烈程度。 实验表明，将几个达到热平衡状态的系统分 开之后，并不会改变每个系统的热平衡状态。 这说明，热接触只是为热平衡的建立创造条 件，每个系统热平衡时的温度仅决定于系统 内部大量微观粒子无规运动的状态。,温度是热学中特有的物理量，它决定一 系统是否与其他系统处于热平衡。处于热平 衡的各系统温度相同。,1.3 温标,以第0 定律为实验基础定义的温度是一个宏 观概念，量化之后就成为一个可测量的宏观量。 对温度进行量化，首先必须确定温标。 *温标定义：温度

4、的数值表示法。,经验温标 建立经验温标三要素： 1. 选择物质测温属性X:如保持等容的气体的 压强p; 保持定压的气体的体积V;电阻R等。 2. 规定温度T 与测温属性X 之间的函数关系， 通常假定为线性关系，如：T(x)=a.X 3. 规定一个标准点：1954年起，水的三相点 温度（273.16k) 被取为标准点。三相点指 冰、水、汽共存的状态，这点的温度可由 三相点瓶胆取得。,需要一个作为统 一标准的温标,思考： 各种物质的各种测温属性随温度的变化 不可能都是一致的，如果我们规定某物质的 某种测温属性与温度成线性关系，则其他测 温属性与温度的关系就不可能是线性的。因 此，用不同的测温物质或同一物质的不同性 质建立温标往往不一致。,理想气体温标,以气体为测温性质可制成定容（或定压）气体温度计 测温物质：某种气体 测温属性：气体体积不变时气体的压强P 线性关系：Tv(p)=a . p .（1） （a可根据纯水的三相点的温度来确定） 将测温泡置于纯水三相点瓶胆中，平衡 后测得泡内气体压强为Ptr 此时泡内气体 的温度为273.16k由（1）式 得： a=273.16k/Ptr .（2）,

5、理想气体温标,实验表明 ： 以不同气体为测温物质，Tv(P)存在差异。 但在Ptr降低时，差异逐渐消失，在PtrO的 极限下，亦即测温泡内的气体密度趋于零的 极限下，它们趋于一个共同的极限温标，称 为理想气体温标。,体积保持不变,摄氏温度 t 与理想气体温度 T的关系 t=T-273.15,稀薄的实际气体接近理想气体， 温度很低时气体液化，气体温度 计失效。,热力学温标与任何物质 特性无关，但与理想气 体温标等价,理论温标热力学温标 热力学温标是建立在第二定律基础上，不 依赖于任何物质的特性的温标。 热力学温度国际单位为“开尔文”，简称开记为K 可证明在理想气体温标有效范围内，热力学温标与理想气体温标完全一致。 常用的摄氏温标 t（ C)定义：t = T273.15,理想气体温标利用了气体的性质，因此在 温度低于液化温度时，此温标便失去意义。 能测量的最低温度为0.5 K ( 低压3He气体）。,摄氏温标：,华氏温标：,1.4 理想气体状态方程,一个热力学系统的平衡态可由四种状态参量确定。第0定律表明，平衡态下的热力学系统存在一个状态函数温度。温度与四种状态参量必然存在一定的关系。所谓

6、状态方程就是温度与状态参量之间的函数关系式 此定义适合于任何热力学系统. 状态方程在热力学中是通过大量实践总结来的。然而应用统计物理学， 原则上可根据物质的微观结构推导出来。,一、理想气体,一般气体，在压强不太大（与大气压相比）和温度不太低（与室温相比）的条件下，遵守玻意耳马略特定律、盖吕萨克定律和查理定律。我们把绝对遵守上述三条定律的气体称为理想气体。显然，理想气体是在一定条件下，对大量实际气体的抽象和近似，是一种理想模型。,定义：,一定质量的理想气体，当不必考虑电磁性质 和化学性质时，可看作简单系统。 T、 V、 和P的函数关系即其状态方程。,PV=常数,玻意耳定律：,理想气体状态方程：,二、理想气体状态方程,一定质量的同种理想气体，任一状态下的 PV/T 的值都相等。,用v0，P0，T0 表示该气体在标准状态 下的相应的状态参量值,:,其中 V0= .v0 ( 为气体摩尔数，v0为标准状态下气体的摩尔体积 ),P0 v0 P V = T T0,根据阿佛加德罗定律：在相同的温度和压 强下1mol任何理想气体的体积都相同。,P0v0 = R（普适气体常数） T0,( M气体质量 ， 气体摩尔质量）,则由上式可得理想气体状态方程：,PV = RT,或,M PV= RT ,说明：,1.,2.引入玻尔兹曼常数,*理想气体状态方程的又一表达式,标准状态下：,N0：阿伏伽德罗常数,气体总质量,气体摩尔质量,P = n k T,玻尔兹曼常数,

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