第一章温度2课件.ppt

§1.1 热力学系力学系统的状的状态参量、平衡参量、平衡态一、热力学系统一、热力学系统热力学系统（简称系统）热力学系统（简称系统）：被确定为研究对象的物体或被确定为研究对象的物体或物体系，或热学所研究的对象物体系，或热学所研究的对象孤立系统：孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统与外界既不交换物质又不交换能量的系统外界：外界：系统边界外部系统边界外部封闭系统：封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统与外界不交换物质但可交换能量的系统开放系统：开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统与外界既交换物质又交换能量的系统热力学与力热力学与力学的区别学的区别热力学参量：压强、体积、温度等热力学参量：压强、体积、温度等热力学的目的：基于热力学的基本定律热力学的目的：基于热力学的基本定律力学的目的：基于牛顿定律（力学参量）力学的目的：基于牛顿定律（力学参量）二、平衡二、平衡态与非平衡与非平衡态1 1、平衡态、平衡态真空孤立系统孤立系统 在在不受外界条件影响下，经过足够不受外界条件影响下，经过足够长时间后系统必将达到一个宏观上看来长时间后系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的不随时间变化的状态，这种状态叫做平状态，这种状态叫做平衡态。

衡态平衡态的特点平衡态的特点1）单一性（）单一性（ p，， T 处处相等处处相等); ); 2）物态的稳定性）物态的稳定性—— 与时间无关；与时间无关； 3）自发过程的终点；）自发过程的终点； 4）热动平衡（有别于力平衡））热动平衡（有别于力平衡）.2 2、非平衡态、非平衡态 在自然界中，平衡态是相对的、特殊的、局部的与暂时在自然界中，平衡态是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的三、热力学平衡三、热力学平衡热热力力学学呈呈现现平平衡衡态态的的条条件件无热流：无热流： 热学平衡条件，系统内部温度处处相等热学平衡条件，系统内部温度处处相等 无粒子流无粒子流：力学平衡条件，系统内部各部分之间、系：力学平衡条件，系统内部各部分之间、系 统与外界之与外界之间应达到力学平衡，通常情况下反达到力学平衡，通常情况下反 映映为压强处处相等压强处处相等 化学平衡化学平衡：化学平衡条件，即在无外场下系统各部分的化：化学平衡条件，即在无外场下系统各部分的化 学学组成成应是处处相等。

应是处处相等平衡态可以用平衡态可以用P P、、V V、、 T T图来表示只要上述三个条件一个来表示只要上述三个条件一个得不到满足，就是非平衡态，不能用得不到满足，就是非平衡态，不能用P P、、V V、、T T图来表示图来表示§1.2 §1.2 温度与温度温度与温度计一、温度一、温度日常生活中，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在微观上，则必须说明，温度是处于热平衡系统的微观粒在微观上，则必须说明，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的度量子热运动强弱程度的度量§1.2 §1.2 温度与温度温度与温度计二、热力学第零定律二、热力学第零定律1、绝热壁与导热壁绝热壁与导热壁2、热力学第零定律热力学第零定律ACBACBACB绝热壁绝热壁 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 A和和B B同时与同时与C C处于处于热平衡，即使热平衡，即使A A和和B B没有接触，它们仍然处于热平衡状没有接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律被称为态，这种规律被称为热力学第零定律热力学第零定律3、热力学第零定律的物理意义热力学第零定律的物理意义•互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征，即它们的温互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征，即它们的温度是相同的。

度是相同的•第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的方法否相同的方法温度计温度计三、温标三、温标o（一）温标的定义及建立n1、温标：温度的数值表示法（温度的量化）n2、温标的建立水水银银摄摄氏氏温温度度计计液态水银的液态水银的体积变化体积变化来反映来反映温度变化温度变化标准状态下：冰水混合物温度为标准状态下：冰水混合物温度为0度度 沸水温度为沸水温度为100度度体积的变化与温度成体积的变化与温度成线性关系线性关系推广推广选定测温属性选定测温属性选定固定点选定固定点(参考点参考点)规定变化关系（线性关系）规定变化关系（线性关系）建建立立温温标标的的三三要要素素三、温标三、温标温度计测温属性定容气体温度计定容气体温度计气体压强气体压强定压气体温度定压气体温度气体体积气体体积铂电阻温度计铂电阻温度计电阻电阻热电偶温度计热电偶温度计热电动势热电动势液体温度液体温度液柱长度液柱长度薄膜温度计薄膜温度计变色等变色等讨论：？摄氏温标的同一性讨论：？摄氏温标的同一性常用摄氏温度计常用摄氏温度计020406080100120△t /℃t / ℃氢定容温度计氢定容温度计水银温度计水银温度计铂电阻温度计铂电阻温度计二氧化碳定压二氧化碳定压总结：总结：1、各种摄氏温标除了所选固定点，都不存在同一性；、各种摄氏温标除了所选固定点，都不存在同一性；2、规定了一种测温属性与温度是线性关系，则其他属性、规定了一种测温属性与温度是线性关系，则其他属性就不一定是严格线性关系；就不一定是严格线性关系；3、各种摄氏温标需要标准温标校准、各种摄氏温标需要标准温标校准 ——理想气体温标；理想气体温标；三、温标三、温标o(二二) 理想气体温标理想气体温标n1、气体温度计：、气体温度计：o定容气体温度计：定容气体温度计：V一定；一定；T(p)o定压气体温度计：定压气体温度计：p一定；一定；T(V)三、温标三、温标o(二二) 理想气体温标理想气体温标n2、定容气体温标、定容气体温标o建立：建立： 测温属性测温属性 一定质量气体在定容下的压强一定质量气体在定容下的压强 固定点固定点 水的三相点水的三相点——273.16K 线性关系线性关系 确定系数确定系数a:2 温 标o(三三) 理想气体温标理想气体温标n2、定容气体温标、定容气体温标o讨论讨论: ? 同一性同一性以测以测温泡温泡内的内的气体气体作为作为研究研究对象对象气体质量与同一性气体质量与同一性?气体种类与同一性气体种类与同一性?结论结论: Ø同一气体同一气体, ptr↓, △ △T ↓; ptr→0, △ △T→0Ø不同气体不同气体, ptr→0, △ △T→0当当ptr→0时时, 定容气体定容气体温标与气体种类及质温标与气体种类及质量无关量无关空气空气N2O2H2200 400 600 800 10000ptr / mmHg0.2△T /K 0.4-0.20三、温标三、温标o(二二) 理想气体温标理想气体温标n3、定压气体温标、定压气体温标o建立建立n讨论讨论: ? 同一性同一性NeN2H2结论结论: Ø同一气体同一气体, p↓, △ △T ↓; p→0, △ △T→0Ø不同气体不同气体, p→0, △ △T→0当当p→0时时, 定压气体温定压气体温标与气体种类及质量无标与气体种类及质量无关关200 400 600 800 1000p / mmHg△T /K 0-0.10三、温标三、温标o(二二) 理想气体温标理想气体温标n4、定压与定容气体温、定压与定容气体温标标n讨论讨论: ? 同一性同一性Ne(p)N2(p)H2(p)结论结论: 当当p→0时时, 定容和定压气体温标与气体种类及质量无定容和定压气体温标与气体种类及质量无关关,趋于同一个极限值趋于同一个极限值.200 400 600 800 1000p,ptr / mmHg△T /K 0-0.10Ne(V)H2(V)N2(V)三、温标三、温标o(二) 理想气体温标结论结论: 1、理想气体温标与气体种类、理想气体温标与气体种类(即气体个性即气体个性)无关无关, 但依赖于气体的共性但依赖于气体的共性.2、对于极低温度（气体液化）和极高温度（、对于极低温度（气体液化）和极高温度（≥1000℃℃）不适用）不适用OrOrOr三、温标三、温标o(三三) 热力学温标热力学温标n热力学温标（开尔文温标）热力学温标（开尔文温标）——是一种是一种不依赖于不依赖于测温测温物质物质和和测温测温属性属性的温标的温标n热力学温度，符号：热力学温度，符号：T；单位：开（尔文），；单位：开（尔文），K；；n定义：定义：1开等于水的三相点热力学温度的开等于水的三相点热力学温度的1/273.16。

结论结论: 1、热力学温标是最基本的温标；是一种理想温标；、热力学温标是最基本的温标；是一种理想温标；2、理想气体温标在其适应的范围，与热力学温标一致，为可实现的温标理想气体温标在其适应的范围，与热力学温标一致，为可实现的温标三、温标三、温标o(四四) 摄氏温标和华氏温标摄氏温标和华氏温标n摄氏温标：摄氏温标：符号，符号，t；； 单位：摄氏度（单位：摄氏度（℃℃）；定义：）；定义：n华氏温标华氏温标: 符号，符号，tF；单位：华氏度（；单位：华氏度（℉℉）；定义）；定义:实实用用温温度度计计简简介介膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导 体温度计、频率温度计体温度计、频率温度计辐射测温法：光学高温计、比色高温计、辐射高温计辐射测温法：光学高温计、比色高温计、辐射高温计声学测温法：声学温度计、噪声温度计声学测温法：声学温度计、噪声温度计课堂练习题题: : 道尔顿提出一种温标：规定在给定的压强下理想气体体积的相对增量正比于温度的增量，采用在标准大气压时水的冰点温度为0摄氏度，沸点温度为100摄氏度。

试用摄氏温度t来表示道尔顿温标的温度 解解: 设理想气体的压强一定时设理想气体的压强一定时,温度的增量为温度的增量为da,相应的体积的相对增量为相应的体积的相对增量为 △ △V/V,比例系数为比例系数为α,则按规定有则按规定有: 完成上式得完成上式得积分分,参考点参考点 , 则任意温度下则任意温度下: 理想气体摄氏温标理想气体摄氏温标: 综上综上,&参考点选择参考点选择: 20 §1.3 物态方程一、物态方程一、物态方程平衡态平衡态 把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、温度）之间所满足的函数关系称为该物质的温度）之间所满足的函数关系称为该物质的物态方程或称状态物态方程或称状态方程二、玻意耳定律二、玻意耳定律二、理想气体物态方程 n n在气体压强趋近于零的极限情况下，可以引入理想气体温标在气体压强趋近于零的极限情况下，可以引入理想气体温标的定义，并且这时玻意耳定律和阿伏伽德罗定律都严格成立，的定义，并且这时玻意耳定律和阿伏伽德罗定律都严格成立，据此，就能导出理想气体物态方程。

据此，就能导出理想气体物态方程n n对于定压气体温度计有对于定压气体温度计有 V V( (T T)=)=V VtrtrT T( (V V) )/ /273.16K.273.16K.n n用此温度计内气体的压强用此温度计内气体的压强( (即即p ptrtr) )乘上式两端可得乘上式两端可得 n np ptrtrV V( (T T)=)=p ptrtrV VtrtrT T( (V V) )/ /273.16K273.16K = =p ptrtr ( (  v vtrtr) )T T( (V V) )/ /273.16K273.16K = =  ( (p ptrtrv vtrtr / /273.16K)273.16K)T T( (V V) ). . 三、理想气体物态方程n n在等温条件下随意将此温度计内气体的压强和体积分别改在等温条件下随意将此温度计内气体的压强和体积分别改变为任意值变为任意值 p p 和和V V，则由玻意耳定律可知，则由玻意耳定律可知 pV=ppV=ptrtrV V( (T T) ) = =  ( (p ptrtrv vtrtr / /273.16K)273.16K)T T( (V V) ). . n n在气体压强趋近于零的极限情况下，按照理想气体温标的在气体压强趋近于零的极限情况下，按照理想气体温标的定义，定义，T T( (V V) )将趋近于理想气体温度将趋近于理想气体温度( (即热力学温度即热力学温度) ) T T，同，同时根据阿伏伽德罗定律可知时根据阿伏伽德罗定律可知( (p ptrtrv vtrtr / /273.16K)273.16K)也将是与气也将是与气体性质无关的常量。

体性质无关的常量 二、理想气体物态方程n n若令若令( (p ptrtrv vtrtr / /273.16K)=273.16K)=R R，在气体压强趋近于零，在气体压强趋近于零的极限情况下就得到的极限情况下就得到: : n npV=pV=  RT RTn n这样，根据玻意耳定律和阿伏伽德罗定律，再利这样，根据玻意耳定律和阿伏伽德罗定律，再利用理想气体温标的定义，就导出了理想气体物态用理想气体温标的定义，就导出了理想气体物态方程 理想气体的宏观定义 n n通常把严格遵守理想气体物态方程的气体称为理通常把严格遵守理想气体物态方程的气体称为理想气体因而也可以说，凡严格服从玻意耳定律想气体因而也可以说，凡严格服从玻意耳定律和阿伏伽德罗定律的气体是理想气体和阿伏伽德罗定律的气体是理想气体n n实际上，理想气体也严格服从焦耳定律实际上，理想气体也严格服从焦耳定律————气体气体的内能只是温度的函数因此有人认为：只有严的内能只是温度的函数因此有人认为：只有严格服从玻意耳定律、阿伏伽德罗定律和焦耳定律格服从玻意耳定律、阿伏伽德罗定律和焦耳定律的气体才是理想气体的气体才是理想气体 理想气体的宏观定义n n但是以后在理论上又可以证明：凡严格遵守理想但是以后在理论上又可以证明：凡严格遵守理想气体物态方程的气体必定也严格服从焦耳定律。

气体物态方程的气体必定也严格服从焦耳定律 n n因而，最终又可以说：凡严格遵守理想气体物态因而，最终又可以说：凡严格遵守理想气体物态方程的气体就是理想气体方程的气体就是理想气体 n n当然也可以说：凡严格服从当然也可以说：凡严格服从玻意耳定律玻意耳定律和和阿伏伽阿伏伽德罗定律的气体德罗定律的气体就是就是理想气体理想气体 一口气里的分子数 n n理想气体物态方程为理想气体物态方程为 pV=pV= RTRTn n由此可得由此可得• • p=p= RT/VRT/V = =( (N/NN/NA A) )RT/VRT/V = =( (N/VN/V)()(R/NR/NA A) )T T =nkT. =nkT.n n因此，理想气体在标准状态下的分子数密度（即因此，理想气体在标准状态下的分子数密度（即洛施密特常量洛施密特常量）为）为n n n n0 0==p p0 0 / /( (kTkT0 0) ) =1.013 =1.013 10105 5/ /(1.38(1.38 1010-23-23 273) 273)  2.692.69 10102525 (m (m-3-3).).n n成年人呼吸时每呼出一口气的体积约为成年人呼吸时每呼出一口气的体积约为成年人呼吸时每呼出一口气的体积约为成年人呼吸时每呼出一口气的体积约为VV1 1=0.40L=0.40L，由此可见，一口气里包含的分子数约为，由此可见，一口气里包含的分子数约为，由此可见，一口气里包含的分子数约为，由此可见，一口气里包含的分子数约为n nNN1 1==n n0 0VV1 1 =2.7=2.7   10102222   0.400.40    1.11.1   101022 22 ( (个个个个). ). n n地球表面地球表面71%71%是海洋，陆地平均高度为是海洋，陆地平均高度为 875 m875 m，并，并不高。

因而可以近似认为整个大气层都是从海平面向上不高因而可以近似认为整个大气层都是从海平面向上延伸的而延伸的而大气的重量大气的重量可用标准大气压与地球表面积可用标准大气压与地球表面积 S S 的的积积来估算n n于是，地球大气里的分子总数约为于是，地球大气里的分子总数约为n nNN==SpSp0 0/ /[ [g g( (    /N /NAA)])] = =SpSp0 0NNAA/ /( (   g g) ) =4 =4(6.4(6.4   10106 6) )2 2   1.01.0   10105 5   6.06.0   10102323/ /(29(29   1010- -3 3   9.8)9.8)    1.11.1   101044 44 ( (个个个个).). 地球大气里的分子总数n n地球大气分子的总数与一口气里的分子数之比为地球大气分子的总数与一口气里的分子数之比为 N/NN/N1 1 1.11.1 10104444 / /(1.1(1.1 10102222) ) =1.0 =1.0 10102222. . n n这就表明地球大气大约包含了这就表明地球大气大约包含了1.01.0 10102222口气，而一口气，而一口气里又有口气里又有1.11.1 10102222个分子，两者数量级相同，数个分子，两者数量级相同，数值上差不多。

值上差不多 n n人们常说：我们都是炎黄子孙如果炎帝人们常说：我们都是炎黄子孙如果炎帝( (或者黄帝或者黄帝) )在临终时呼出了一口气，经过几千年后这口气里的分在临终时呼出了一口气，经过几千年后这口气里的分子现在应该已经均匀地分布在整个大气中子现在应该已经均匀地分布在整个大气中 n n由此可见：我们现在呼吸的每一口气里，都应当由此可见：我们现在呼吸的每一口气里，都应当包含有炎帝（或者黄帝）临终时呼出的那一口气包含有炎帝（或者黄帝）临终时呼出的那一口气中的一个分子中的一个分子. .n n基于同样的理由，在我们每个人的血管里也总有基于同样的理由，在我们每个人的血管里也总有炎帝（或者黄帝）的血液中的水分子在流动，并炎帝（或者黄帝）的血液中的水分子在流动，并且这样的分子的数目多达成千上万个且这样的分子的数目多达成千上万个32 四、混合理想气体物态方程道尔顿分压定律道尔顿分压定律:阿马格分体积定律 n n根据理想气体物态方程和道尔顿分压定律可以导出根据理想气体物态方程和道尔顿分压定律可以导出阿马格分体积定律，具体的推导过程如下阿马格分体积定律，具体的推导过程如下 n n将理想气体物态方程应用于混合理想气体中的第将理想气体物态方程应用于混合理想气体中的第 i i 种组分可得种组分可得: :n npVpVi i = =  i iRTRT = = VpVpi i. .n n对各种组分求和得对各种组分求和得: :n np p V Vi i = =   i iRTRT = = V V p pi i. .n n用用 p p 除上式左右两端则得除上式左右两端则得: :  V Vi i = = V V p pi i/ /p p. . n n由道尔顿分压定律知由道尔顿分压定律知p p = =  p pi i，由此可见，由此可见  V Vi i = = V.V.n n以上结果表明：以上结果表明：混合理想气体的体积等于各组分混合理想气体的体积等于各组分的分体积之和的分体积之和，这个结论称为，这个结论称为阿马格分体积定律阿马格分体积定律。

平均摩尔质量 n nMM = =  M Mi i = =  i i  i i n n体积分数体积分数( (压强分数压强分数) ) V Vi i /V = p /V = pi i /p /p ==  i i / /  = N= Ni i /N = n/N = ni i /n/n 摩尔质量分数摩尔质量分数: :  i i / / n n质量分数质量分数: : MMi i /M/M = ( = ( i i / / )()( i i / / ) ) = ( = (V Vi i /V/V)()( i i / / ) ) = ( = ( i i / / ) ) 由质量分数Mi /M 求平均摩尔质量 n n = M/ = M/(i) = M/[(Mi /i)] =1/{[(Mi /M)(1/i)]}n n1= [(Mi /M)i1]由体积分数Vi /V求平均摩尔质量 n n  = = M/M/  = ( = ( MMi i) )/ /  =( =(  i i i i) )/ /  = =  ( ( i i / / ) ) i i = =  ( (V Vi i /V /V) ) i i 请注意：请注意：p = p =  p pi i、、V = V =  V Vi i、、  = =   i i、、N = N =  N Ni i、、n = n =  n ni i、、M = M =  MMi i、、  = =   i i , ,这些等式都成立。

这些等式都成立 n n但是，但是，平均摩尔质量平均摩尔质量      i i，并且，并且分子的平均质分子的平均质量量m m    mmi i，使用时一定要分清使用时一定要分清n n混合理想气体的密度和其中各组分的密度混合理想气体的密度和其中各组分的密度干洁大气的干洁大气的平均摩尔质量平均摩尔质量、、密度密度与其中与其中各组分的密度各组分的密度非理想气体物态方程n n非理想气体物态方程非理想气体物态方程 范德瓦耳斯方程范德瓦耳斯方程 范德瓦耳斯气体范德瓦耳斯气体第一章小结 n n作业作业:13,15,19,30,32。