第一讲-理想气体压强、温度及状态方程...ppt

　　—— 大学物理学大学物理学 ——　　　　　　　　热学　　　　　　　　　热学　热学热学物质与冷热有关的性质，以及性质随冷热变化的规律物质与冷热有关的性质，以及性质随冷热变化的规律——研究研究与热现象有关的理论与热现象有关的理论研究对象：研究对象： 热力学系统热力学系统 （宏观系统）（宏观系统）●包含极大量的分子、原子（包含极大量的分子、原子（NA =6.023×1023 ）；）；●分为分为孤立系统、封闭系统、开放系统孤立系统、封闭系统、开放系统 热力学：热力学：统计物理学：统计物理学：观察观察+实验实验归纳归纳宏观规律宏观规律推理推理粒子运动及粒子运动及相互作用相互作用力学规律力学规律统计方法统计方法微观理论微观理论热力学系统热力学系统（孤立系统、封闭系统、开放系统）（孤立系统、封闭系统、开放系统）统统计计物物理理（（本本书书第第一一章章只只讨讨论论气气体体分分子子运运动动论论部部分分））研研究究途途径径热力学热力学热力学系统的状态热力学系统的状态热热力力学学系系统统的变化规律的变化规律热热力力学学第第一定律一定律热热力力学学第第二定律二定律热热力力学学过过程程必必须须能能量量守守恒恒实实际际热热力力学学过过程程都都具具有有方方向向性性平衡态平衡态理理想想气气体体的的状态方程状态方程非平衡态非平衡态1–11–1　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　1 1、宏观量与微观量、宏观量与微观量 宏观量：宏观量： 表征系统整体的物理量，表征系统整体的物理量， 可具体测量。

可具体测量如气体质量、温度、压强、体积等如气体质量、温度、压强、体积等 广延量（可加性）广延量（可加性） 强度量（无可加性）强度量（无可加性） 微观量：描写单个微观粒子运动状态的物理量，微观量：描写单个微观粒子运动状态的物理量，不能直接测量不能直接测量如分子的质量、如分子的质量、 直径、速度、能量等直径、速度、能量等宏观量是微观量的统计平均值！宏观量是微观量的统计平均值！2 2、平衡态、平衡态 　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　【平衡态】【平衡态】在无外界影响的条件下，系统的宏观性质在无外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间改变的状态不随时间改变的状态1 1、无外界影响：外界对系统不做功，也不传热无外界影响：外界对系统不做功，也不传热2 2、平衡态、平衡态稳定态；稳定态；（热动平衡）（热动平衡）Q３、平衡态３、平衡态————理想状态理想状态（平衡总存在涨落）（平衡总存在涨落）４、驰豫过程：系统向平衡态过渡的过程４、驰豫过程：系统向平衡态过渡的过程3 3、状态参量、状态参量 【状态参量】可以相互独立变化，并足以确定系统【状态参量】可以相互独立变化，并足以确定系统平衡态的一组宏观量平衡态的一组宏观量。

•几何参量几何参量 如：气体的体积等如：气体的体积等•力学参量力学参量 如：气体的压强等如：气体的压强等•化学参量化学参量 如：各化学组分的质量和摩尔质量等如：各化学组分的质量和摩尔质量等•电磁参量电磁参量 如：电场和磁场强度等如：电场和磁场强度等•热学参量热学参量 温度温度　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　当系统处在平衡态时描述系统的各种宏观量取惟一确定值当系统处在平衡态时描述系统的各种宏观量取惟一确定值BA绝热板绝热板1 1、温度、温度各自达到各自达到平衡态平衡态BA导热板导热板同时达到同时达到平衡态平衡态达到热平衡的系统具有共同的内部属性达到热平衡的系统具有共同的内部属性 ——温度温度•若若A、、B与与C均达到热平衡，则均达到热平衡，则A与与B必然处于热平衡必然处于热平衡——热力学热力学第零定律第零定律　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　原理：一切互为热平衡的物体都具有相同的温度原理：一切互为热平衡的物体都具有相同的温度 A 和和 B 热平衡，热平衡， TA=TBB << A，， A的温度改变很小，的温度改变很小，TA 基本是原来体系基本是原来体系 A 的温度；的温度；TB可通过可通过B的某一状态参量标志。

的某一状态参量标志应用：温度计应用：温度计BA2 2、温标、温标 —— ——温度的数值表示方法温度的数值表示方法1 1）经验温标）经验温标例：利用水银或酒精的体积热胀冷缩性质　　　　　例：利用水银或酒精的体积热胀冷缩性质　　　　　————水银、酒精温度计水银、酒精温度计不同测温质或不同测温属性测量同一温度数值可能不同不同测温质或不同测温属性测量同一温度数值可能不同　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　1.1.选定测温物质的某一随温度变化的属性来标志温度选定测温物质的某一随温度变化的属性来标志温度2.2.指定这一属性随温度按线性关系变化指定这一属性随温度按线性关系变化3.3.选定固定点，即标准温度选定固定点，即标准温度（（2 2）理想气体温标）理想气体温标 ————以理想气体为测温物质以理想气体为测温物质 在任何压强都严格遵守玻意耳定律的气体在任何压强都严格遵守玻意耳定律的气体　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　 Boyle定律：定律：一定质量的气体，在一定的温度下，一定质量的气体，在一定的温度下，其压强和体积的乘积为常量。

即其压强和体积的乘积为常量即PV=const.（（只决定于温度）只决定于温度） 理想气体温标理想气体温标T确定标准温度值确定标准温度值一定量理想一定量理想气体在任意压强气体在任意压强(P)和体积和体积(V )下的温度下的温度为为理想气体在理想气体在时时的压强、体积的压强、体积.（定容温度计）（定容温度计）（定压温度计）（定压温度计）　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　（（2 2）理想气体温标）理想气体温标 ————以理想气体为测量物质以理想气体为测量物质（（3 3）热力学温标）热力学温标开尔文（威廉开尔文（威廉··汤姆逊）汤姆逊） 　　既然卡诺热机的效率与工作　　既然卡诺热机的效率与工作物质无关，那么我们就可以确定物质无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物一种温标，使它不依赖于任何物质，这种温标比根据气体定律建质，这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性立的温标更具有优越性1854年，年，开尔文：开尔文：与理想气体温标一致与理想气体温标一致　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　对于一定质量对于一定质量（（v摩尔摩尔））的理想气体的理想气体————普适气体常数普适气体常数M————气体质量气体质量μ ——摩尔质量摩尔质量————玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　理想气体状态方程的其他几种形式理想气体状态方程的其他几种形式提示：由气体状态方程提示：由气体状态方程例例1 1、容器内有压强为、容器内有压强为3×105Pa, 温度温度270c，，密度为密度为0.241kg/m3 的某种气体，试分析这是哪种气体。

的某种气体，试分析这是哪种气体氢气氢气　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　例例2 2、对理想气体加热，测得由状态、对理想气体加热，测得由状态1 1到状态到状态2 2，压强，压强和绝对温度关系如图，问气体体积如何变化？和绝对温度关系如图，问气体体积如何变化？p1p2OT1T22提示提示：由：由1pT又由图又由图　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　容器内尚存的气体质量容器内尚存的气体质量例例3 3、容器内装有氧气、容器内装有氧气0.1Kg，压强为，压强为10个大气压，个大气压，温度温度470C, ,因容器漏气，经若干时间后，压强降为因容器漏气，经若干时间后，压强降为原来的原来的5/8，温度降为，温度降为270C，，问问: : 1. 1.容器容积有多大？容器容积有多大？ 2. 2.漏去多少氧气（可看作理想气体）？漏去多少氧气（可看作理想气体）？提示：提示：漏去气体的质量漏去气体的质量　　—— 热学热学 ——　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　　　　　　平衡态　温度　理想气体状态方程　1–21–2　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　1 1、宏观物体由大量分子、原子组成，、宏观物体由大量分子、原子组成， 分子间存在间隙；分子间存在间隙；2 2、分子之间存在相互作用力；、分子之间存在相互作用力；——分子有效直径分子有效直径斥力斥力引力引力————短程力短程力3 3、分子在永不停息地作热运动，与温度有关。

分子在永不停息地作热运动，与温度有关特征特征1:1:永恒的运动，永恒的运动，频繁的碰撞；频繁的碰撞；多多— — 分子数多分子数多快快 — — 分子运动快分子运动快乱乱 — — 单个单个分子运动无序，分子运动无序，碰撞频繁（碰撞频繁（ ～～1010亿次亿次/ /秒秒 ）） （混乱性和无序性）（混乱性和无序性）例：例：气体、液体、固体的扩散气体、液体、固体的扩散　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　特征特征2:2:　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　 统计规律性统计规律性大量分子的集体行为大量分子的集体行为遵循确定的统计规律；遵循确定的统计规律；大量偶然事件的整大量偶然事件的整体所遵循的规律体所遵循的规律例：伽尔顿板实验规律例：伽尔顿板实验规律 . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　一切与热现象有关的宏观量的值都是统计平均值。

一切与热现象有关的宏观量的值都是统计平均值在任一给定瞬间观测值与统计平均值有偏差在任一给定瞬间观测值与统计平均值有偏差 统计规律的特点统计规律的特点（（1 1）只对大量偶然的事件才有意义）只对大量偶然的事件才有意义. .（（2 2）它是不同于个体规律的整体规律）它是不同于个体规律的整体规律( (量变到质变量变到质变). ).（（3 3）总是伴随着涨落）总是伴随着涨落. .1 1、理想气体的分子模型、理想气体的分子模型1 1）分子可以看作质点，服从牛顿运动定律；）分子可以看作质点，服从牛顿运动定律；2 2）除碰撞外，分子之间的作用可忽略不计；）除碰撞外，分子之间的作用可忽略不计；3 3）分子间及与器壁间的碰撞是完全弹性的；）分子间及与器壁间的碰撞是完全弹性的；4 4）不计重力不计重力自由运动的弹性质点自由运动的弹性质点　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　2 2、、理想气体在热力学平衡状态下的统计假设理想气体在热力学平衡状态下的统计假设1 1）分子按位置分布均匀）分子按位置分布均匀: : 各处分子数密度相同各处分子数密度相同。

dV——体积元体积元（宏观小，微观大）（宏观小，微观大）————分子朝各方向运动机会均等分子朝各方向运动机会均等2 2）分子速度按方向分布均匀）分子速度按方向分布均匀: :•结论结论1 1：：•结论结论2 2：：　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　2、推导思路：、推导思路：lxlzly　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　 气体对器壁的压强是大量分子气体对器壁的压强是大量分子对容器不断碰撞的平均效果对容器不断碰撞的平均效果 一定质量的处于平衡态的某种一定质量的处于平衡态的某种理想气体理想气体 ( V, N, m)1、研究对象：、研究对象：所有分子对面所有分子对面ABCD的冲力的冲力速度为速度为 的分子对面的分子对面ABCD的冲力的冲力一个速度为一个速度为 的分子对面的分子对面ABCD的冲量的冲量ABCD　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　ABCD3、结果：、结果：物理意义：物理意义：Ø揭示气体压强的本质；揭示气体压强的本质；Ø 只是统计概念，只只是统计概念，只对大量分子才有意义。

对大量分子才有意义【【意义意义】温度是】温度是气体分子平均平动动能大小的量度气体分子平均平动动能大小的量度ε εt t是温度是温度T的单值函数的单值函数　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　推论：道尔顿分压定律：推论：道尔顿分压定律：P＝＝P1＋＋P2＋＋…说明说明（（3 3）由温度公式，当）由温度公式，当T=0T=0时，时，而分子总在运动，而分子总在运动，故故 T=0 T=0 永远达不到永远达不到 ! !　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　（（1 1）温度反映气体分子无规则热运动的强度，）温度反映气体分子无规则热运动的强度，与系统的整体运动无关与系统的整体运动无关2 2）温度是统计概念，是大量分子热运动的集）温度是统计概念，是大量分子热运动的集体表现，只能用于大量分子体表现，只能用于大量分子方均根速率方均根速率: :•同种气体：同种气体：•同温、不同气体：同温、不同气体：表表1-1 在在0°C时气体的方均根速率时气体的方均根速率气体种类气体种类 方均根速率方均根速率(m.s(m.s-1-1 ) ) 摩尔质量摩尔质量(10(10-3-3kg.molkg.mol-1 ) O2 4.61 102 32 .0 N2 4.93 102 28.0 H2 1.84 103 2.02 CO2 3.93 102 44.0 H2 O 6.15 102 18.0　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　例例1. 1. 容积为容积为 的容器内装有的容器内装有 个个氧分子和氧分子和 个氮分子的混合气体，混合气个氮分子的混合气体，混合气体的压强体的压强 。

试求：试求： （（1 1））分子的平均平动动能；分子的平均平动动能； （（2 2）混合气体的温度）混合气体的温度　　—— 热学热学 ——　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　　　　　　理想气体压强　温度的微观意义　例例2 2：当盛有理想气体的密封容器相对某参：当盛有理想气体的密封容器相对某参考系匀速运动时，气体的温度会不会升高？考系匀速运动时，气体的温度会不会升高？若容器突然停止，气体温度会不会升高？若容器突然停止，气体温度会不会升高？作业作业P148：：1.6预习预习能量均分定理能量均分定理 理想气体内能理想气体内能。