大学物理温度与气体动理论详解.pptx

1一、热学的研究对象一、热学的研究对象热学是研究与热学是研究与热现象热现象有关的规律的科学。有关的规律的科学。凡是与物质的热运动或温度有关的物质特凡是与物质的热运动或温度有关的物质特性和状态的变化，统称为性和状态的变化，统称为热现象热现象。大量分子的无规则运动称为大量分子的无规则运动称为热运动热运动。第第2篇篇热学热学 ThermologyThermology2统计规律：统计规律：大量偶然事件整体满足的规律。大量偶然事件整体满足的规律。二、热运动的特点二、热运动的特点（1 1）微观粒子的运动永不停息、无规则。）微观粒子的运动永不停息、无规则。每每个个粒粒子子的的运运动动有有极极大大的的偶偶然然性性无无序序性。性。（2 2）对对大大量量粒粒子子的的整整体体，运运动动表表现现出出必必然然的、确定的规律的、确定的规律统计规律统计规律。3三、热学的研究方法三、热学的研究方法（1）热力学（宏观法）：）热力学（宏观法）：实验规律实验规律严密的推理（应用数学）严密的推理（应用数学）优点：优点：可靠、普遍。可靠、普遍。缺点：缺点：未及微观本质未及微观本质宏观法与微观法相辅相成。宏观法与微观法相辅相成。（2）统计物理学（微观法）：）统计物理学（微观法）：物质的微观结构物质的微观结构+统计的方法。统计的方法。优点：优点：揭示了热现象的微观本质。揭示了热现象的微观本质。缺点：缺点：可靠性、普遍性差。可靠性、普遍性差。48.1-4 平衡态平衡态 温度温度 理想气体状态方程理想气体状态方程8.5 气体的无规则运动气体的无规则运动8.6 理想气体的压强理想气体的压强8.7 温度的微观意义温度的微观意义8.8 能量均分定理能量均分定理8.9-10麦克斯韦速率分布律及其实验验证麦克斯韦速率分布律及其实验验证第第8章章 温度和气体动理论温度和气体动理论(Temperature and Kinetic theory of gases)58.1-4 平衡态平衡态 温度温度 理想气体状态方程理想气体状态方程一一.平衡态平衡态 1.热力学系统分类热力学系统分类（按系统与外界交换特点）（按系统与外界交换特点）(1)孤立系统：与外界无能量和物质交换孤立系统：与外界无能量和物质交换(2)封闭系统：与外界有能量但无物质交换封闭系统：与外界有能量但无物质交换(3)开放系统：与外界有能量和物质交换开放系统：与外界有能量和物质交换热力学系统热力学系统（热力学研究的对象）：（热力学研究的对象）：大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。大量微观粒子（分子、原子等）组成的宏观物体。2.热力学系统分类热力学系统分类（按系统所处状态）：（按系统所处状态）：平衡态系统平衡态系统非平衡态系统非平衡态系统外界外界：热力学系统以外的物体。：热力学系统以外的物体。6绝热壁绝热壁系统系统恒温器恒温器1 1恒温器恒温器2 2系统系统 T1T2稳定态稳定态平衡态平衡态l 平衡态是热学中的一个理想状态平衡态是热学中的一个理想状态热平衡态热平衡态:在无外界的影响下，不论系统初始状态如在无外界的影响下，不论系统初始状态如何，经过足够长的时间后，系统的宏观性质不随时间何，经过足够长的时间后，系统的宏观性质不随时间改变的稳定状态。改变的稳定状态。平衡条件平衡条件:(1)系统与外界在宏观上无能量和物质的交换，系统与外界在宏观上无能量和物质的交换，(2)系统的宏观性质不随时间改变。系统的宏观性质不随时间改变。平衡态是一种热动平衡平衡态是一种热动平衡7微观量微观量:描述系统内个别微观粒子特征的物理量。描述系统内个别微观粒子特征的物理量。(一般只能间接测量一般只能间接测量)例如：分子的质量、速度、动量、体积、能量等例如：分子的质量、速度、动量、体积、能量等平衡状态下，宏观参量是微观参量的统计平均值。平衡状态下，宏观参量是微观参量的统计平均值。状态参量状态参量:描述系统平衡态的相互独立的一组宏观量。描述系统平衡态的相互独立的一组宏观量。如：气体的如：气体的(p、V、T)一一组组态态宏宏观参量观参量一个平衡态一个平衡态描述描述对应对应3.热力学系统的描述热力学系统的描述宏观量宏观量:平衡态下用来描述系统宏观属性的物理量平衡态下用来描述系统宏观属性的物理量(可直接测量可直接测量)例如：压强例如：压强 p、体积、体积 V、温度、温度 T 等。等。8状态方程状态方程:态参量之间的函数关系态参量之间的函数关系(或称物态方程或称物态方程)。状态图状态图:平衡态还常用坐标中的一个点来表示平衡态还常用坐标中的一个点来表示 (pV图、图、pT图、图、VT图图)pVOA(p1,V1,T1)B(p2,V2,T2)9二二.温度温度.温度概念温度概念 温度表征物体冷热程度的宏观状态参量。温度表征物体冷热程度的宏观状态参量。温度概念的建立是以热平衡为基础温度概念的建立是以热平衡为基础ABCABC实验表明：实验表明：若若A与与C热平衡热平衡B也与也与C热平衡热平衡则则A与与B必然热平衡必然热平衡热力学第零定律热力学第零定律:如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么，这两个系统彼此也处于热平衡么，这两个系统彼此也处于热平衡(热平衡定律热平衡定律)。10定义定义:处在相互热平衡状态的系统处在相互热平衡状态的系统拥有某一共同的拥有某一共同的宏观物理性质宏观物理性质叫叫温度温度温度温度。一切处于同一热平衡态的系统有相同的温度一切处于同一热平衡态的系统有相同的温度.温标温标温度的数值表示法温度的数值表示法三要素：三要素：（1）测温物质和测温属性；）测温物质和测温属性；（2）选定点；）选定点；（3）规定测温属性随温度的变化关系。）规定测温属性随温度的变化关系。11(1)*摄氏温标摄氏温标 t（1）选选：液液体体（水水银银或或酒酒精精）体体积积随随温温度度膨膨胀胀标标志志温温度；度；（2）定点：）定点：1atm下水的冰点及沸点；下水的冰点及沸点；（3）液体体积随温度成线性关系：）液体体积随温度成线性关系：标准状态下，冰水混合，留一刻痕，标准状态下，冰水混合，留一刻痕，水沸腾，又水沸腾，又一刻痕，之间一刻痕，之间100等份，等份，1份就是份就是1 C（摄氏度）。（摄氏度）。A 和和 B 处于平衡态，处于平衡态，tA=tBAB酒精或水银酒精或水银12(3)理想气体温标理想气体温标测温物质测温物质:理想气体理想气体测温特性：测温特性：规定：水的三相点温度为规定：水的三相点温度为 T3=273.16K 温度单位为温度单位为 K(Kelvin)在在 0.5K的范围有效。的范围有效。由克拉珀龙方程导出由克拉珀龙方程导出(2)*华氏温标华氏温标 tF 13(4)热力学温标热力学温标（又叫绝对温标）又叫绝对温标）一种与测温质和测温特性无关的温标。一种与测温质和测温特性无关的温标。开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温标，称热力学温标。标，称热力学温标。是从是从热量热量的角度来定义的的角度来定义的,它不依赖测温物质及其它不依赖测温物质及其测温属性，在所有范围适用测温属性，在所有范围适用.规定：水的三相点规定：水的三相点 T3=273.16 K 单位单位 K在有效范围内理想气体温标在有效范围内理想气体温标=热力学温标热力学温标摄氏温标与绝对温标的关系：摄氏温标与绝对温标的关系：t=(T273.15)14标准状态下：标准状态下：P0=1.013 105 Pa T0=273.16K 1 mol气体的体积气体的体积 Vm,0=22.4l=22.4 10-3m3 则：则：V0=vVm,0 得：得：对质量为对质量为 M 的理想气体的理想气体 由于由于得到：得到：三三.理想气体状态方程理想气体状态方程15理想气体状态方程理想气体状态方程M气体质量气体质量(kg)Mmol摩尔质量摩尔质量(kg/mol)普适气体常量普适气体常量or摩尔气体常量摩尔气体常量其中：其中：16理想气体状态方程的理想气体状态方程的另一形式另一形式1 mol 的任何气体都有：的任何气体都有：阿伏伽德罗阿伏伽德罗常量常量n 分子数密度分子数密度(m-3)k=R/NA=1.38 10-23J/K 玻尔兹曼玻尔兹曼(Boltzmann)常量常量17 例例1.两个相同的容器装有氢气，以一细玻璃管相两个相同的容器装有氢气，以一细玻璃管相连通，管中用一滴水银作活塞，如图所示当左边容连通，管中用一滴水银作活塞，如图所示当左边容器的温度为器的温度为 0、而右边容器的温度为、而右边容器的温度为20时，水银时，水银滴刚好在管的中央试问，当左边容器温度由滴刚好在管的中央试问，当左边容器温度由 0增增到到 5、而右边容器温度由、而右边容器温度由20增到增到30时，水银滴时，水银滴是否会移动？如何移动？是否会移动？如何移动？H20H220解：左、右两边氢气的压强相等、解：左、右两边氢气的压强相等、体积也相等，两边气体的状态方体积也相等，两边气体的状态方程为：程为：由由p1=p2得：得：18开始时开始时V1=V2，则有，则有 当温度改变为当温度改变为T/1278 K，T/2303 K时，两边体时，两边体积比为积比为=0.9847 p 的分子的平均速率表达式为的分子的平均速率表达式为 .表示速率分布在表示速率分布在0 p区间内的数占总分子数区间内的数占总分子数的百分比的百分比