温度理想气体状态方程省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

热热 学学 第1页热现象：热现象：与与温度温度相关物理性质改变，统称为热现象。相关物理性质改变，统称为热现象。物体受热后，温度升高，体积膨胀；水被加热后，物体受热后，温度升高，体积膨胀；水被加热后，热热 学学热学是研究热现象理论。热学是研究热现象理论。第2页在159216间，伽利略制作了人类第一支空气温度计李冰父子利用岩石李冰父子利用岩石加热再骤冷会裂开加热再骤冷会裂开原理开凿都江堰原理开凿都江堰热学发展历史热学发展历史第3页1714 年年法法伦伦海海脱脱建建立立华华氏氏温温标标，1742 年年摄摄尔尔修修斯斯建立摄氏温标建立摄氏温标伴伴随随蒸蒸汽汽机机广广泛泛应应用用，促促使使人人们们对对水水蒸蒸气气热热力力性性质质研研究究及及对对改改进进蒸蒸汽汽机机性性能能研研究究，从从而而推推进了热学发展进了热学发展。19世纪热力学第一定律世纪热力学第一定律和第二定律诞生和第二定律诞生开尔文开尔文鲁道夫鲁道夫克劳修斯克劳修斯萨迪萨迪卡诺卡诺第4页路德维希路德维希玻尔兹曼玻尔兹曼约西亚约西亚威拉德威拉德吉布斯吉布斯科学家深入追根问底科学家深入追根问底,希望从分子和原子微希望从分子和原子微观层次上来说明物理规律观层次上来说明物理规律,气体分子动理论气体分子动理论应运而生应运而生 .玻尔兹曼玻尔兹曼与与吉布斯吉布斯发展了经典统发展了经典统计力学。计力学。量量子子力力学学引引进进而而建建立立了了量量子子统统计计力力学学，同同时时非非平平衡衡态态理理论论更更深深入入发发展展，形形成成了了近代理论与试验物理学中最主要一环。近代理论与试验物理学中最主要一环。第5页热学研究方法热学研究方法1.1.宏观法宏观法由由观观察察和和试试验验总总结结出出来来热热现现象象规规律律，组组成成热热现现象象宏宏观观理理论论，叫叫做做热力学热力学。2.2.微观法微观法从从物物质质微微观观结结构构出出发发，即即从从分分子子、原原子子运运动动和和它它们们之之间间相相互互作作用出发，去研究热现象规律。热现象微观理论叫用出发，去研究热现象规律。热现象微观理论叫统计物理学统计物理学。热力学三大定律热力学三大定律分子运动论，统计力学和涨落现象理论分子运动论，统计力学和涨落现象理论宏观基本试验规律宏观基本试验规律热现象规律热现象规律逻辑推理逻辑推理微观模型、假设微观模型、假设统计方法统计方法热现象规律热现象规律第6页12-1 温温 度度第7页12-1-1 平衡态平衡态 状态参量状态参量在热力学中，所研究物体或物体组叫做在热力学中，所研究物体或物体组叫做热力学系统热力学系统。能量交换和物质交换能量交换和物质交换系统所处外部环境称为系统所处外部环境称为外界外界。孤立系统，孤立系统，孤立系统，孤立系统，封闭系统，开放系统封闭系统，开放系统封闭系统，开放系统封闭系统，开放系统大量大量微观粒子（分子、原子）组成微观粒子（分子、原子）组成体积有限体积有限物体体系物体体系体积无限系统（如宇宙）、少许粒子系统体积无限系统（如宇宙）、少许粒子系统都不是热力学系统。都不是热力学系统。第8页 开放系统：开放系统：与外界现有能量与外界现有能量 又有粒子交换。又有粒子交换。孤立系统：孤立系统：与外界没有任何相互作用，既与外界没有任何相互作用，既 无能量交换、也无粒子交换。无能量交换、也无粒子交换。封闭系统：封闭系统：与外界有能量交换、与外界有能量交换、但无粒子交换。但无粒子交换。孤立系统，孤立系统，封闭系统，开放系统封闭系统，开放系统第9页刚性绝热壁刚性绝热壁外界外界孤立系统孤立系统系统系统系统系统外界外界开放系统开放系统外界外界导热壁导热壁外界外界封闭系统封闭系统系统系统导热壁导热壁第10页刚性绝热壁刚性绝热壁外界外界系统系统系统系统外界外界外界外界导热壁导热壁外界外界系统系统例，保温瓶。例，保温瓶。例，铁桶中放入热水，例，铁桶中放入热水，再封闭起来。再封闭起来。例，铝壶在火上烧水。例，铝壶在火上烧水。导热壁导热壁孤立系统孤立系统封闭系统封闭系统开放系统开放系统第11页一、平衡态一、平衡态在不受外界条件影响下，经过足够长时间后，系统必在不受外界条件影响下，经过足够长时间后，系统必将到达一个宏观性质不随时间改变状态，叫做将到达一个宏观性质不随时间改变状态，叫做平衡态平衡态。平衡态特征平衡态特征：系统内没有宏观粒子流动和能量流动。系统内没有宏观粒子流动和能量流动。处于平衡态系统宏观量不随时间改变，不过组成系统大量分处于平衡态系统宏观量不随时间改变，不过组成系统大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子速度经常在变，子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子速度经常在变，这称为这称为热动平衡热动平衡。A部气体部气体B部部第12页平衡态平衡态冷冷热热稳定态稳定态1）2）稳定态：稳定态：有能量流或粒子流，各处宏观性质不随时间有能量流或粒子流，各处宏观性质不随时间改变状态。改变状态。平衡态是一个理想状态，在实际中并不存在完全不受外界影平衡态是一个理想状态，在实际中并不存在完全不受外界影响，而宏观性质绝对保持不变系统，所以，平衡态是一个理响，而宏观性质绝对保持不变系统，所以，平衡态是一个理想概念。不过在许多实际问题中，能够把实际状态近似地看想概念。不过在许多实际问题中，能够把实际状态近似地看成平衡态来处理。成平衡态来处理。第13页热力学系统平衡状态应了解为热力学系统平衡状态应了解为 A.系统宏观性质不随时间改变状态；系统宏观性质不随时间改变状态；B.系统各处压强和温度相同状态；系统各处压强和温度相同状态；C.系统在恒定外界条件下，与外界无宏观能量和物系统在恒定外界条件下，与外界无宏观能量和物质交换时，经足够长时间后到达稳定状态；质交换时，经足够长时间后到达稳定状态；D.系统中每个分子都处于平衡状态。系统中每个分子都处于平衡状态。#1a0801001a第14页二、状态参量二、状态参量我们把能够独立改变又足以确定热力学系统平衡态一组宏观我们把能够独立改变又足以确定热力学系统平衡态一组宏观物理量称为状态参量。物理量称为状态参量。描述热力学系统状态参量：描述热力学系统状态参量：1）几何参量（如体积）几何参量（如体积）2）力学参量（如压强）力学参量（如压强）3）化学参量（如系统中各种成份摩尔数）化学参量（如系统中各种成份摩尔数）4）电磁参量（如电场强度和磁场强度）电磁参量（如电场强度和磁场强度）在普通情况下，需在普通情况下，需使用以上四类状态使用以上四类状态参量来描述热力学参量来描述热力学系统平衡态。系统平衡态。态函数态函数：由平衡态确定其它宏观物理量（如温度，内能等）都：由平衡态确定其它宏观物理量（如温度，内能等）都能够表示为这四类状态参量函数，称为态函数。能够表示为这四类状态参量函数，称为态函数。广延量广延量：含有可加性，：含有可加性，如体积，内能等等如体积，内能等等强度量强度量：不含有可加性，：不含有可加性，如温度，压强等等如温度，压强等等宏观物理量宏观物理量第15页日常生活中，惯用日常生活中，惯用温度温度来表示冷热程度。来表示冷热程度。极寒极寒 40或低于此值或低于此值 温暖温暖 1819.9 严寒严寒 2029.9 暖暖2021.9 大寒大寒 1014.9 热热 2224.9 小寒小寒 59.9 酷热酷热 2527.9 微寒微寒 04.9 酷热酷热 3034.9凉凉 59.9 奇热奇热 3539 温凉温凉 1011.9 极热极热 高于高于40 12-1-2 热力学第零定律热力学第零定律 温标温标第16页ABC一、热力学第零定律一、热力学第零定律在不受外界影响情况下，只要在不受外界影响情况下，只要A和和B同时同时与与C处于热平衡，即处于热平衡，即使使A和和B没有接触，它们也必定处于热平衡，此规律被称为热没有接触，它们也必定处于热平衡，此规律被称为热力学第零定律。力学第零定律。AB热接触热接触：各处于一定平衡态两个热力学系统相互接触，使它各处于一定平衡态两个热力学系统相互接触，使它们之间发生传热们之间发生传热热接触。热接触。热平衡：热平衡：热接触后两个系统，经一段时间后，到达共同平衡热接触后两个系统，经一段时间后，到达共同平衡态，称为热平衡。态，称为热平衡。第17页一、热力学第零定律一、热力学第零定律在在不不受受外外界界影影响响情情况况下下，只只要要A和和B同同时时与与C处处于于热热平平衡衡，即即使使A和和B没没有有接接触触，它它们们也也必必定定处处于于热热平平衡衡，此规律被称为热力学第零定律。此规律被称为热力学第零定律。热力学第零定律为建立温度概念提供了试验基础热力学第零定律为建立温度概念提供了试验基础。互为热平衡系统含有相同温度。互为热平衡系统含有相同温度。推证：互为热平衡热力学系统含有一个数值相等状态函数，推证：互为热平衡热力学系统含有一个数值相等状态函数，这个函数定义为这个函数定义为温度温度。第18页温度数值表示法叫温标。温度数值表示法叫温标。1、经验温标、经验温标二、温标二、温标经验温标三要素：经验温标三要素：1）选择测温物质，确定测温属性；）选择测温物质，确定测温属性；2）选定固定点；）选定固定点；3）要求测温属性随温度改变关系）要求测温属性随温度改变关系凡是以某种物质某一特征随冷热程度改变为依凡是以某种物质某一特征随冷热程度改变为依据而确定温标为经验温标。据而确定温标为经验温标。ABA 和和 B 热平衡，热平衡，TA=TB；B A，A 改变很小，改变很小，TB 基本基本是原来体系是原来体系 A 温度温度第19页冰点：冰点：0C(1atm，纯冰和纯水混合物，纯冰和纯水混合物)汽点：汽点：100C（1atm，纯水和水蒸气混合物），纯水和水蒸气混合物）测温属性随温度作线性改变测温属性随温度作线性改变历史上摄氏温标历史上摄氏温标问题：用各种不一样摄氏温度计测量同一对象温度时，所得问题：用各种不一样摄氏温度计测量同一对象温度时，所得结果是否相同呢？结果是否相同呢？温温 度度 计计测温属性测温属性定体气体温度计定体气体温度计定压气体温度计定压气体温度计铂电阻温度计铂电阻温度计铂铂-铂铑热电偶温度计铂铑热电偶温度计液体温度计液体温度计压强压强体积体积电阻电阻热电动势热电动势液柱长度液柱长度几个惯用温度计几个惯用温度计第20页tC20406080100温度计低于横坐温度计低于横坐标值：标值：t-0.1-0.2-0.3-0.4水银水银二氧化碳定压二氧化碳定压铂铂-铂铑热电偶铂铑热电偶铂电阻铂电阻横坐标表示横坐标表示氢定容温度计氢定容温度计纵坐标表示其它温度计读数低于横坐标值纵坐标表示其它温度计读数低于横坐标值用不一样测温物质所建立摄氏温标，除冰点和汽点按用不一样测温物质所建立摄氏温标，除冰点和汽点按要求相同外，其它温度并不严格一致。要求相同外，其它温度并不严格一致。不一样摄氏温度计测温值差异不一样摄氏温度计测温值差异第21页定容气体温度计定容气体温度计百分比系数百分比系数a a由固定点来确定由固定点来确定固定点选固定点选水三相点水三相点，并要求它，并要求它温度为温度为273.16开（开（K）ptr为气体温度计中气体在水为气体温度计中气体在水三相点时压强三相点时压强定压气体温度计定压气体温度计2.理想气体温标理想气体温标OBMMhO位位置置不不变变，气气体体体体积积相相同同，压压强强不不一一样样，则则温温度度不不一一样样。温度是压强函数。温度是压强函数。第22页定容气体温度计定容气体温度计定压气体温度计定压气体温度计试验结果表明：不论采取何种气体，不论是定压还定容，所试验结果表明：不论采取何种气体，不论是定压还定容，所建立温标在建立温标在气体压强趋于零气体压强趋于零时，都趋于一共同极限值。时，都趋于一共同极限值。这个极限温度叫做这个极限温度叫做理想气体温标理想气体温标。利用不一样气体作为测温利用不一样气体作为测温物质，所得温度值相差很物质，所得温度值相差很小。小。对对于于极极低低温温度度（气气体体液液化化点点以以下下）和和高高温温（1200K左左右右），理想气体温标就不适用了。理想气体温标就不适用了。理想气体温标不依赖于任何一个气体个性，用不一样气体时理想气体温标不依赖于任何一个气体个性，用不一样气体时所指示温度是相同。所指示温度是相同。第23页3.热力学温标热力学温标 一一个个不不依依赖赖于于测测温温物物质质和和测测温温属属性性温温标标，单单位位为为开开尔尔文（文（K）。国际要求，热力学温标是最基本温标。）。国际要求，热力学温标是最基本温标。热热力力学学温温度度是是基基本本物物理理量量，1K等等于于水水三三相相点点热热力力学学温温度度1/273.16。热力学温标是一个理想化温标。理想气体温标在它所能热力学温标是一个理想化温标。理想气体温标在它所能确定温度范围内，理想气体温标和热力学温标是完全一确定温度范围内，理想气体温标和热力学温标是完全一致。致。第24页国际实用温标三要素：国际实用温标三要素：4、国际实用温标、国际实用温标ITS-90（当前采取（当前采取1990年国际温标）年国际温标）1）定义固定点：纯物质三相点，凝固点和沸点。）定义固定点：纯物质三相点，凝固点和沸点。2）要求在不一样待测温度区内使用标准测温）要求在不一样待测温度区内使用标准测温 仪器（如热电阻温度计、辐射高温计等）。仪器（如热电阻温度计、辐射高温计等）。3）给定在不一样固定点之间标准测温仪器读数与国际）给定在不一样固定点之间标准测温仪器读数与国际温标值之间关系内插值公式。温标值之间关系内插值公式。尽可能与作为基本温标热力学温标一致，还要使各国都尽可能与作为基本温标热力学温标一致，还要使各国都能以很高准确度复现出一样温标，而且所要求测温仪器能以很高准确度复现出一样温标，而且所要求测温仪器应尽可能使用起来方便。应尽可能使用起来方便。第25页要求摄氏温标由热力学温标导出要求摄氏温标由热力学温标导出t=T-273.15第26页一些实际温度值一些实际温度值热力学零度是不能到达。热力学零度是不能到达。-热力学第三定律热力学第三定律第27页12-1-3 理想气体状态方程理想气体状态方程在一定平衡态，热力学系统含有确定几何参量、力学参量、在一定平衡态，热力学系统含有确定几何参量、力学参量、电磁参量，同时也含有确定温度。电磁参量，同时也含有确定温度。对于一定质量气体，能够用压强和体积来描述其平衡态，因对于一定质量气体，能够用压强和体积来描述其平衡态，因而，温度可写为而，温度可写为气体状态方程气体状态方程玻意耳定律玻意耳定律查理定律查理定律盖盖-吕萨克定律吕萨克定律试验定律试验定律第28页物质量物质量：基本量，单位摩尔（：基本量，单位摩尔（mol）摩尔是一系统物质量，所包含基本单元数目等于摩尔是一系统物质量，所包含基本单元数目等于0.012kg 碳碳-12原子数目。原子数目。阿伏伽德罗常量阿伏伽德罗常量(Avogadro constant)NA=6.02214129（27）x 1023mol-1M：质量；：质量；为摩尔质量；分子数为摩尔质量；分子数N；为摩尔数为摩尔数玻意耳定律玻意耳定律理想气体温标定义理想气体温标定义理想气体状态方程理想气体状态方程0.012kg碳碳-12中包含碳中包含碳12原子数量原子数量阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律第29页玻意耳定律玻意耳定律气体温度保持不变时，其压强和体积成反比。气体温度保持不变时，其压强和体积成反比。气体压强越低，它恪守玻意耳定律准确度越高。气体压强越低，它恪守玻意耳定律准确度越高。设有设有mol理想气体理想气体由理想气体温标定义由理想气体温标定义2）等温过程）等温过程玻意耳定律玻意耳定律1）等容过程）等容过程阿伏伽德罗定律阿伏伽德罗定律在温度和压强相同条件下，在温度和压强相同条件下，1mol任何气体体积都相同。任何气体体积都相同。Vm试验测得在标准条件下（试验测得在标准条件下（1atm，冰点），冰点），1mol气体体积为气体体积为22.4升升第30页理想气体状态方程理想气体状态方程R为普适气体常量为普适气体常量k为玻尔兹曼常量为玻尔兹曼常量k=1.3806488（13）x 10-23 JK-1能严格满足理想气体状态方程气体被称为理想气体。能严格满足理想气体状态方程气体被称为理想气体。第31页例例:一容器内贮有一容器内贮有气体气体,温度是温度是27 C,(1)压强为压强为1.013 105Pa时时,在在1m3中有多少个分子中有多少个分子;(2)压强为压强为1.33 10 5Pa,在在1m3中有多少个分子中有多少个分子?解解:(1)(2)洛喜密脱常量洛喜密脱常量：标准状态下，标准状态下，1m3气体所含气体分子数气体所含气体分子数第32页