【正文】 固定點 ：水的三相點 關(guān) 系： 假設(shè)當時， 則定壓氣體溫標：實驗發(fā)現(xiàn)：理想氣體溫標 —— 極限溫標 四、各種溫標間的關(guān)系 (the Relation between Various Temerature Scales) 1960年，國際計量大會規(guī)定攝氏溫標由熱力學(xué)溫標導(dǎo)出 167。所以，不可能通過修正而得到確定不變的刻度。能否在刻度時扣除漏進氣體的壓強，而仍由水銀柱的高度來直接指示待測氣體的壓強呢？也不行。如果氣壓計內(nèi)混進了一些空氣，則這種氣體也具有一定的壓強。圖 2表明經(jīng)驗溫標有賴于測溫物質(zhì)。F水的沸點： 212176。 溫度的數(shù)值表示法稱為溫標 思考題： 熱力學(xué)第零定律是不是邏輯推理的結(jié)果？熱力學(xué)第零定律是否反映了在某種意義下的某種對稱性 ? 167。處于熱平 衡的各系 統(tǒng)溫度相同。 這說明，熱接觸只是為熱平衡的建立創(chuàng)造條 件，每個系統(tǒng)熱平衡時的溫度僅決定于系統(tǒng) 內(nèi)部大量微觀粒子無規(guī)運動的狀態(tài)。溫度是狀態(tài)的函數(shù)，在實質(zhì)上反映了組 成系統(tǒng)大量微觀粒子無規(guī)則運動的激烈程度。 l 熱力學(xué)第熱力學(xué)第 0定律定律l 如果兩個系統(tǒng)分別與處于確定狀態(tài)的第三個系統(tǒng)達到熱平衡，則這兩個系統(tǒng)彼此也將處于熱平衡。 通過導(dǎo)熱板兩個系統(tǒng)的相互作用叫熱接觸。厚木板，石 棉板等都可視為絕熱板。 溫度熱平衡將兩個分別處于平衡態(tài)的系 統(tǒng) A和 B用一剛性隔板分隔開。此時只需體積和壓強就可確定系統(tǒng) 的平衡態(tài)，我們稱這種系統(tǒng)為簡單系統(tǒng)（或 pv系統(tǒng)）。l 狀態(tài)參量狀態(tài)參量 ———— 平衡態(tài)的描述平衡態(tài)的描述 l確定平衡態(tài)的宏觀性質(zhì)的量稱為狀態(tài)參量。一個與外界不斷地有能量交換的熱力學(xué)系統(tǒng)所處的狀態(tài)，顯然不是平衡態(tài)而是穩(wěn)定態(tài)。 金 屬桿就是一個熱力學(xué)系統(tǒng)。穩(wěn)恒態(tài)是非平衡態(tài)。 平衡態(tài)是系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的一種特殊情況。 （簡稱外界） 與所研究的熱力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互作用 的其它物體 。 氣體的狀態(tài)方程167。 平衡態(tài) 狀態(tài)參量167。微觀方法的實質(zhì) ： 視宏觀性質(zhì)為大量微觀粒子運動的平均效果，視宏觀物理量為相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計平均值。熱力學(xué)的局限性：? 它只適用于粒子數(shù)很多的宏觀系統(tǒng)； ? 它主要研究物質(zhì)在平衡態(tài)下的性質(zhì)，它不能解答系統(tǒng)如何從非平衡態(tài)進入平衡態(tài)的過程； ? 它把物質(zhì)看成為連續(xù)體，不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)宏觀方法的實質(zhì) ：用能量轉(zhuǎn)化的觀點研究熱現(xiàn)象7 微 觀 描述 過 程： 統(tǒng)計 物理學(xué) 統(tǒng)計 物理學(xué) 則 是 熱 物理學(xué)的微 觀 描述方法，它從物 質(zhì) 由大數(shù)分子、原子組 成的前提出 發(fā) ，運用 統(tǒng)計 的方法，找出微 觀 量與宏 觀 量之 間 的關(guān)系。? 熱現(xiàn)象 ━ 隨機現(xiàn)象5 熱學(xué)的研究方法 (Study Methods of Thermology)宏 觀 描述方法與微 觀 描述方法 宏 觀 描述方法： 熱 力學(xué)方法熱 力學(xué)： 由 觀 察和 實驗總結(jié) 出來的 熱現(xiàn) 象 規(guī) 律，構(gòu)成 熱現(xiàn) 象的宏 觀 理 論， 叫做 熱 力學(xué) 。? 熱現(xiàn)象是熱運動的宏觀表現(xiàn)。? 實驗表明：分子運動的激烈程度與溫度有關(guān)，大量分子的無規(guī)則運動稱為熱運動?！稛釋W(xué)》電子教案面向物理學(xué)本科學(xué)生 主講：高慧引言宏觀理論 微觀理論 物性學(xué)熱一律 熱二律熱學(xué)的研究對象，方法熱學(xué)發(fā)展簡述氣體動理論（平衡態(tài)）氣體內(nèi)輸運過程非理想氣體、固體、液體相變熱學(xué)內(nèi)容體系示意圖引言第一章 溫度第二章 氣體分子運動論的基本概念第三章 氣體分子熱運動速率和能量的統(tǒng)計分布律第四章 氣體內(nèi)的輸運過程第五章 熱力學(xué)第一定律第六章 熱力學(xué)第二定律第七章 固體第八章 液體第九章 相變 引言（ Preface）? 宏觀物體由大量微觀粒子組成 。微觀粒子處在永恒的混亂運動之中。熱運動是熱現(xiàn)象的微觀實質(zhì)。? 熱運動在本質(zhì)上不同于機械運動。熱 力學(xué)方法的 優(yōu) 點：熱 力學(xué)基本定律是自然界中的普適 規(guī) 律，只要在數(shù)學(xué)推理 過 程中不加上其它假 設(shè) ， 這 些 結(jié)論 也具有同 樣 的可靠性與普遍性。微 觀 描述方法的局限性：在于它在數(shù)學(xué)上遇到很大的困 難 ，由此而作出 簡化假 設(shè) （微 觀 模型）后所得的理 論結(jié) 果與 實驗 不能完全符合 。 第一章 溫度167。 溫度167。 平衡態(tài) 狀態(tài)參量l 系統(tǒng)與外界系統(tǒng)與外界 （簡稱系統(tǒng)） 在給定范圍內(nèi)，由大量微觀粒子所組成的宏觀客體 。l 熱力學(xué)平衡態(tài)熱力學(xué)平衡態(tài) 一個系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，如果它的 宏觀性質(zhì)不再隨時間變化，我們就說這個系統(tǒng) 處于熱力學(xué)平衡態(tài)。 與穩(wěn)恒態(tài)的區(qū)別，穩(wěn)恒態(tài)不隨時間變化，但 由于有外界的影響，故在系統(tǒng)內(nèi)部存在能量 流或粒子流。對平衡態(tài) 的理解應(yīng)將 “無外界影響 ”與 “不隨時間變化 ” 同時考慮，缺一不可。根據(jù)平衡態(tài)的定義，雖然桿上各點的溫度將不隨時間而改變，但是桿與外界（冰、沸水）仍有能量的交換。 100 oc 0 oc金屬桿金屬桿注意注意 熱動平衡 : 平衡態(tài)下，組成系統(tǒng)的微觀粒子仍處于不 停的無規(guī)運動之中，只是它們的統(tǒng)計平均效 果不隨時間變化，因此熱力學(xué)平衡態(tài)是一種 動態(tài)平衡，稱之為熱動平衡。 – 常用的狀態(tài)參量有四類： 幾何參量 （如：氣體體積） 力學(xué)參量 （如：氣體壓強） 化學(xué)參量 （如：混合氣體各化學(xué)組分的質(zhì)量和摩爾數(shù)等） 電磁參量 （如：電場和磁場強度，電極化和磁化強度等） 注意： 如果在所研究的問題中既不涉及電磁性質(zhì)又無須考慮與化學(xué)成分有關(guān)的性質(zhì)，系統(tǒng)中又 不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則不必引入電磁參量和化 學(xué)參量。167。 若隔板為 “絕熱板 ”（如圖 (a)）， 則 A， B兩系統(tǒng)的狀態(tài)可獨立地 變化而互不影響。(a)絕熱板絕熱板 ABAB導(dǎo)熱板導(dǎo)熱板 (b)? 若隔板為 “導(dǎo)熱板 ”（如圖 (b)），則 A,B兩系統(tǒng)狀 態(tài)不能獨立地改變 , 一個系統(tǒng)狀態(tài)的變 化會引起 另一系統(tǒng)狀態(tài)的變化 ,金屬板即為導(dǎo)熱板。? 通過導(dǎo)熱板進行熱接觸的兩個系統(tǒng)組成一復(fù)合系統(tǒng)，當復(fù)合系統(tǒng)達到平衡態(tài)時，我們就說兩個系統(tǒng)處于熱平衡。 l 溫度溫度 互為熱平衡的幾個熱力學(xué)系統(tǒng)，必然具 – 有某種共同的宏觀性質(zhì)，我們將這種決定系 統(tǒng)熱平衡的宏觀性質(zhì)定義為溫度。 實驗表明，將幾個達到熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)分 開之后，并不會改變每個系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)。 溫度是熱學(xué)中特有的物理量，它決定一系統(tǒng)是 否與其他系統(tǒng)處于熱平衡。 熱力學(xué)第零定律只能說明物體之間是否達到了熱平衡，即物體的溫度是否相同，它不能比較尚未達到熱平衡的物體的溫度的高低。 溫標 (Temperature Scale)一、經(jīng)驗溫標 (Experience Temperature Scale)三要素a) 測溫物質(zhì)和測溫屬性b) 定標點c) 標度法兩種常用的經(jīng)驗溫標：1714年，華侖海脫測溫物質(zhì)：水銀測溫屬性：水銀柱長度 X定標點：水的冰點： 32176。F變化關(guān)系：2 .攝氏溫標1742年，攝爾西斯圖 1為攝氏溫標與華氏溫標的關(guān)系。圖 11圖 12百分度溫標：水銀氣壓計中上面空著的部分為什么要保持真空？如果混進了空氣，將產(chǎn)生什么影響？能通過刻度修正這一影響嗎？答：只有氣壓計上面空著的部分是真空，才能用氣壓計水銀柱高度直接指示所測氣體的壓強。這時，水銀柱高度所指示的壓強將小于所測氣體的真實壓強，而成了待測氣體與氣壓計內(nèi)氣體的壓強之差。因為水銀氣壓計內(nèi)部氣體的壓強隨著溫度和體積的變化而變化，對不同壓強和不同溫度的待測氣體測量時，內(nèi)部氣體的壓強是不同的。因此，氣壓計上端必需是真空的。 氣體的狀態(tài)方程 （ Gas State Equation）狀態(tài)方程：溫度與狀態(tài)參量之間的函數(shù)關(guān)系。呂薩克定律查理定律其中一、理想氣體狀態(tài)方程 (Idealgas State Equation) 又設(shè)用定壓氣體溫度計測溫 據(jù)定壓氣體溫標公式有將玻 — 馬定律代入上式，得從而有將 C 代回玻 — 馬定律，得 據(jù)阿伏伽德羅定律當 p→0 時，在同溫同壓下 1摩爾的任何氣體所占的體積都相同，即 都相同，因此 對各種氣體都一樣，是普適氣體常數(shù)，理想氣體狀態(tài)方程二、普適氣體常數(shù) (Universal Gas Constant)思考題：1. R 是宏觀常數(shù)還是微觀常數(shù)？，為什么在冬天空氣的密度比較大？答：對理想氣體來說，總是適用的。換句話說，把空氣近似看作理想氣體，當溫度低的冬天，大氣壓強 P差別不大時，空氣的密度比較大。因此，白天和夜晚艇所排開水的體 積 不 變 ，由于艇內(nèi)所充氣體的量不 變 ，大氣 壓 不 變 ， 則 所充氣體的 壓 強 P也不 變 （忽略橡皮艇本身 彈 力的 變 化）。 為 了使艇排開水的體 積 保持不變 ，所以到了夜晚，艇浸入水中的深度將增加。s Partial Pressure Law四、混合理想氣體狀態(tài)方程 (Mixtd Ideal State Equation) 因此 第二章 氣體分子運動論的基本概念167。167。167。 物質(zhì)的微觀模型宏觀物體由大量原子或分子構(gòu)成，原子或分子之間有空隙。分子間有相互作用力 宏觀物體都是由 大量 不停息地運動著的、彼此有相互作用的分子或原子組成 . 利用掃描隧道顯微鏡技術(shù)把一個個原子排列成 IBM 字母的照片 . 現(xiàn)代的儀器已可以觀察和測量分子或原子的大小以及它們在物體中的排列情況 , 例如 X 光分析儀 ,電子顯微鏡 , 掃描隧道顯微鏡等 . 對于由 大量 分子組成的熱力學(xué) 系統(tǒng) 從 微 觀上加以研究時 , 必須用 統(tǒng)計 的方法 . 167。平衡態(tài)下，氣體的溫度和壓強都不隨時間改變。 除碰撞瞬間外，分子之間及分子與器壁之間沒有相互作用力，不計分子所受的重力。動占有優(yōu)勢 ，分子的速度在各方向分量的各種平均值是相等的 二：平衡態(tài)下的統(tǒng)計假設(shè) 例如： 注意： 三、理想氣體壓強公式壓強的產(chǎn)生 單個分子碰撞器壁的作用力是不連續(xù)的、偶然的、不均勻的。單個分子 多個分子 平均效果密集雨點對雨傘的沖擊力大量氣體分子對器壁持續(xù)不斷的碰撞產(chǎn)生壓力氣體分子 器壁從微觀上看，氣體的壓強等于大量分子在單位時間內(nèi)施加在單位面積器壁上的平均沖量。設(shè)在體積為 V的容器中儲有 N個質(zhì)量為 m的分子組成的理想氣體。分子數(shù)密度為 n=N/V.壓強的微觀實質(zhì)一個分子在一次碰撞中對 dA的作用結(jié)論：一個分子在一次碰撞中對 dA 施于的沖量為理想氣體壓強公式的推導(dǎo) dt 時間內(nèi)所有分子施于 dA的總沖量 dI(1) dt內(nèi)能與 dA相碰，分子速度為 的分子數(shù)(2) dt內(nèi)能與 dA相碰，分子速度為 的分子施于 dA 的沖量(3) dt內(nèi)能與 dA相碰的所有分子施于 dA的總沖量dI（ 4）等幾率假設(shè) — 平衡態(tài)下，分子向各個方向運動的幾率均等。這說明了宏觀量的微觀本質(zhì) —— 宏觀量是相應(yīng)的微觀量的統(tǒng)計平均值！ 它不僅對壓強是這樣，我們以后會看到其他的熱力學(xué)宏觀量也是這樣，正因為如此，我們在定義壓強時都必須強調(diào)是統(tǒng)計平均值所以壓強公式不是一個力學(xué)規(guī)律而是統(tǒng)計規(guī)律。一容積為 V= 的容器內(nèi)裝有 N1=1024 個 氧分子N2=1024 個氮分子的混合氣體， 混合氣體的壓強 p =104 Pa 。 溫度的微觀解釋(Microscopic Explanation of Temperature)一、溫度的微觀解釋?是分子雜亂無章熱運動的平均平動動能，它不包括整體定向運動動能。溫度是表征大量分子熱運動激烈程度的宏觀物理量，和壓強一樣是統(tǒng)計量。絕對溫度是分子熱運動劇烈程度的度量思考題 ： 怎樣理解一個分子的平均平動動能？如果容器內(nèi)僅有一個分子，能否根據(jù)此式計算它的動能？答：一個分子的平均平動動能是一個統(tǒng)計平均值，表示了在一定條件下，大量分子作無規(guī)則運動時，其中任意一個分子在任意時刻的平動動能無確定的數(shù)值，但在任意一段微觀很長而宏觀很短的時間內(nèi)，每個分子的平均平動動能都是3/2kT。容