理想气体状态方程省公开课一等奖全国示范课微课金奖PPT课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,篇 热 学,研究对象,研究目标,研究方法,热力学和统计物理学优缺点,热力学和统计物理学,方法不足,关于物质热运动理论,引言,第1页,研究对象,研究对象复杂性,大量微粒：,10,23,微粒速度：,10,2,10,3,ms,-1,微粒线度：,10,-10,m,微粒质量：,10,-26,kg,微粒每秒碰撞次数：,10,9,热运动：,组成物质大量微观粒子一直不停无规则运动,热力学系统,由不停地做无规则热运动大量微观粒子组成宏观物质系统,第2页,2.研究目标,研究热力学系统热运动本质和运动规律,温度,、,内能熵等以及它们与系统力学、电磁学等性质关系,过程进行方向和程度,系统凝聚状态,如:,第3页,3.研究方法,关于物质热运动，有,宏观,热力学和,微观,统计物学两种理论,热力学,经过对热现象观察、试验和分析，提出关于热现象基本定律，再利用演绎方法构建整个热力学理论体系,统计物理学,考虑宏观物质系统是由大量微观粒子组成这一事实，认为宏观物理量是微观态对应物理量统计平均值,第4页,4.,热力学和统计物理学优缺点,热力学,优点：,普遍性,缺点：,不能研究系统特征，不能解释涨落,统计,物理学,优点：,可研究系统特征，可解释涨落,缺点：,结果近似,第5页,只考虑系统改变前后净结果；不考虑其改变机理,能判断系统改变能否发生以及进行到什么程度；但不考虑改变所需要时间，不知道改变速率,如:,合成氨工业生产,金刚石到石墨转变,除需要热力学（,Thermodynamics,），统计物理学（,Statistical Mechanics,）理论,外，还需要动力学（,Kinetics,）方面理论,5.,热力学和统计物理学方法不足,第6页,第,14,章 温度和气体动理论,1,.,热力学系统与其平衡态,1),热力学系统分类,2),热力学平衡态及其描述,3),热力学平衡态改变,2,.,热力学第零定律与温度,1),热力学第零定律,2),温度,3),状态方程,3.,理想气体状态方程,第7页,1,.,热力学系统及其平衡态,热力学系统,（1）孤立系：,无能量交换，无物质交换,（2）封闭系：,有能量交换，无物质交换,（3）开放系：,有能量交换，有物质交换,Notice,：,1）热力学系统分类,依据系统与环境相互作用情况不一样，,孤立系是个理想化概念、且不是力学中孤立系！,孤立系在,热力学及统计物理中含有非常主要地位！,第8页,另外，热力学系统还有其它分类方法。,依据系统各部分性质是否完全一样，,热力学系统,（1）单相系,（2）复相系,依据系统化学成份是否单一，,热力学系统,（1）单元系,（2）多元系,例：,第9页,2）热力学平衡态及其描述,（1）热力学平衡态,关于热力学平衡态几点说明：,驰豫时间：,初态到平衡态所需时间,热动平衡：,从微观上看,存在涨落：,但热力学忽略了它,非孤立系亦有平衡态：,非孤立系+环境=大孤立系,一个孤立系，不论其初态怎样，在经过足够长时间后，都会到达其各种宏观性质都不随时间发生改变状态,-,热力学平衡态。,第10页,（2）热力学平衡态描述,描述平衡态,宏观物理量,处于平衡态热力学系统，其全部宏观量都含有确定值。但要确定一个平衡态，并不需要指定全部宏观量值。,(,这些宏观量之间存在着一定内在联络，使得它们不会是完全独立。,),状态参量：,相互独立，且能完备地描述系统平衡态最少一组宏观量,态函数：,其它全部可表示为状态参量函数宏观量,1,）状态参量,2,）态函数,（,1,）几何参量：,V,（,2,）力学参量：,p,（,3,）化学参量：,n,i,T,、,U,、,S,等,（,4,）电磁参量：,第11页,Notice,:,在实际处理问题时，经常依数学上方便来选,状态参量,和,态函数,。,上面关于平衡态描述是对,均匀单相系,而言。对于复相系，各相都要用这四类参量来描述，但各相参量不完全是独立。,只需压强（,p,）和体积（,V,）两个状态参量就可确定系统状态，这么系统称,简单系统（或,pV,系统,）,。本课程以后主要以这种系统为例来讨论问题。,注意：,热力学和统计物理决不但限于研究简单系统,!,第12页,另外，均匀系统热力学量还存在物理量另一个分类：,均匀系统热力学量按其与系统质量或物质量关系能够分为两类：,Notice,:,一个广延量除以质量、物质量或体积等广延量便可定义一个强度量。,如，摩尔体积,V,/,n,，密度,m,/,V,，磁化强度,M,/,V,等 都是强度量。,广延量：,与系统质量或物质量成正比。,如：质量,m,，物质量,n,，体积,V,，总磁矩,M,等。,强度量：,与系统质量或物质量无关。,如：压强,p,，温度,T,，磁场强度,H,等。,第13页,（3）热力学平衡态改变,当系统处于热平衡态时，自己不能改变自己状态，,状态改变需要外界作用,。,改变系统平衡态方式,（1）做功,（2）传热,（,3,）物质转移,这种作用可分为以下三类：,第14页,2,.,热力学第零定律与温度,1）热力学第零定律,两个系统热接触和热平衡,热接触：,两个物体经过透热壁相互接触,热平衡：,假设有两个物体,A,和,B,，各自处于平衡状态。假如令,A,、,B,进行热接触，经验表明：普通来说,A,、,B,平衡都会受到破坏，它们状态都将发生改变，不过经过足够长时间之后，它们状态便不再发生改变，而到达一个共同平衡态，我们称为,A,、,B,到达了热平衡,。,第15页,2,),温度,(1),温度概念导出,不失普通性，考虑三个简单系统,A、B,和,C。,假如,A、B,分别与,C,到达了热平衡，考虑到彼此处于热平衡两系统状态参量（描述系统可独立改变宏观物理量）之间一定存在一个关系以表示彼此处于热平衡这一事实。,假如两个热力学系统各自与第三个热力学系统到达了热平衡，那么它们彼此亦处于热平衡。,热力学第零定律,C,A,B,C,A,B,第16页,则有，,17,第17页,例,摄氏温标、华氏温标等。,(2),温度测量或数值表示方法：温标,经验温标：,以某物质某一特征随温度改变为依据 而确定温标。确定经验温标三要素：,选测温物质测温特征,a,要求,T,=,f,(,a,),选固定点，并要求其温度数值。,热力学第零律说明，处于热平衡两系统存在一相同态函数,。,依据经验，系统到达热平衡时冷热程度温度相同。,故，这一相同态函数即为系统温度。,第18页,但，,因经验温标温度读数与测温物质测温特征相关，即使都用同一测温物质，用其不一样测温属性温度计来测同一热力学系统温度，其读数除固定点外，并不严格一致。,原因是：,不一样测温属性随温度改变规律不一样。普通不可能要求两种测温属性同时严格与温度呈相同（比如线性）关系。故物理学上已不再使用摄氏温标和华氏温标等经验温标，而是用不依赖于任何物质任何属性热力学温标。,第19页,理想气体温标,测温物质:,理想气体,测温特征:,定容气体压强或定压气体体积,固定点:,水三相点，并要求其温度为,273.16,K,理想气体温标,对于不一样气体温度计，当测温泡中气体压强减小时，各种气体温度计之间读数差异减小。当测温泡中气体压强趋于零时，各气体温度计读数趋于共同极限，与气体种类无关。故可建立一个标准温标，即用任何一个气体，不论是定容还是定压温度计，在气体压强趋于零时极限温标，称为理想气体温标。,第20页,定义：,当温度计中气体压强为,p,时，理想气体温度计温,度为,其中,p,t,表示在三相点下温度计中气体压强。,热力学温标,由热力学第二定律可引入不依赖于任何物质详细特征温标；能够证实在理想气体温标可使用范围内与之一致。,第21页,3,),状态方程,(1),状态方程,温度与状态参量之间关系叫状态方程，,关于状态方程，作以下说明：,因各系统状态方程显然不一样，故热力学不可能给出其详细形式，即只能由试验（或,+,推理)得到。,状态方程是代数方程，它可视为微分方程（普通用全微分方程）在已知或极限条件下解。,第22页,数学上，方程,(6),也可写成,比如,对于简单系统(,pV,系统,),，状态方程可写成,而在以上方程中选谁为态函数都一样，比如,选体积,V,作态函数,时,有,由方程,(7),可得,但应注意，代数方程,(7),和微分方程,(8),在数学上是不等价。,第23页,（,2,）与状态方程相关三个物质系数,试验上，易测。这么方程,(8),可表示为:,对于实际情况，为了便于求得状态方程，引入以下一些参数:,其中,，,，,T,是,T,，,p,函数。状态方程标准上可由上述微分方程再加已知条件或极限条件得到。,第24页,另外，,在试验上不易测量，它可利用p,、,V,和,T,偏导数间存,在关系：,Notice：,可将,p,，,V,推广到任意广义力,Y,，,广义位移,y,。,如，描述金属丝几何参量和力学参量分别是长度和张力可引入线涨系数和等温杨氏模量两个系数。,及参数 定义,由以下关系得到,第25页,几个常见物质状态方程,理想气体,热力学中把严格恪守玻意耳定律、焦耳定律和阿氏定律气体称为理想气体。依据玻意耳定律、阿氏定律和理想气体温标定义，可得理想气体状态方程为,其中,n,是理想气体摩尔数，,R,是摩尔气体常量。,第26页,2.实际气体,从微观上看，理想气体没有考虑气体分子间作用力。假如考虑气体分子间相互作用，有以下两种形式实际气体状态方程,1范德瓦尔斯方程：,其中,a、b,为常量。对于不一样气体有不一样值,可由试验测定。,是分别考虑到分子间吸引和排斥力引入修正项。,第27页,3.,理想气体状态方程,其中，,P,0,，,V,0,，,T,0,为标准状态下参量。,玻意耳定律,阿伏伽德罗定律,理想气体温标,定义普适气体常量,其中,V,m,0,为摩尔体积,理想气体状态方程,第28页,令，,M,为气体摩尔质量,N,为系统中分子总数,m,为,系统,气体质量,k,为玻耳兹曼常数,N,A,为,阿伏加德罗,常数,p,为气体体积密度,理想气体状态方程其它形式,第29页,例题：,求大气压强,P,随高度,h,改变规律,。设空气温度不随高度改变。,d,h,f,上,=(P+,d,P)S,f,下,=,PS,G,=,r,gS,d,h,由力平衡条件,:,密度能够由理想气体状态方程得到,:,（,1,）,（,2,）,（,2,）代入（,1,）,解：,得到,第30页,设空气温度不随高度改变。大气分子数密度随高度改变。,例题：,在地面,第31页,