熱學(xué)第1章2015

1、西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-1頁第1章 溫度西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-2頁1.1 溫度（溫度（temperature） 2.熱物理學(xué)中最核心的概念是熱物理學(xué)中最核心的概念是溫度溫度和和熱量熱量。這兩個概念很易。這兩個概念很易發(fā)生混淆。發(fā)生混淆。3.要對溫度概念作深入理解，在宏觀上應(yīng)對溫度建立嚴格的科要對溫度概念作深入理解，在宏觀上應(yīng)對溫度建立嚴格的科學(xué)定義，因而必須引入學(xué)定義，因而必須引入熱平衡熱平衡的概念與的概念與熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律。1. 溫度是熱力學(xué)所特有的溫度是熱力學(xué)所特有的4.在微觀上在微觀上:溫度是處于熱平衡系統(tǒng)的微觀粒子熱運動強弱程溫度是處于熱平衡系統(tǒng)的微觀

2、粒子熱運動強弱程度的量度。度的量度。 互為熱平衡的物體之間必存在一個相同的特征互為熱平衡的物體之間必存在一個相同的特征它它們的溫度是相同的。們的溫度是相同的。1 溫度溫度說明說明西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-3頁1.2 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律（zeroth law of thermodynamics) 在不受外界影響的情況下，在不受外界影響的情況下，只要熱力學(xué)系統(tǒng)只要熱力學(xué)系統(tǒng)A和和B同時與同時與C處于處于熱平衡熱平衡，即使，即使A和和B沒有熱沒有熱接觸，它們?nèi)匀惶幱跓崞胶鉅罱佑|，它們?nèi)匀惶幱跓崞胶鉅顟B(tài)，這種規(guī)律被稱為熱平衡定態(tài)，這種規(guī)律被稱為熱平衡定律律-熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定

3、律1. 熱力學(xué)第零定律告訴我們，互為熱平衡的物體之間必存在熱力學(xué)第零定律告訴我們，互為熱平衡的物體之間必存在一個一個相同的特征相同的特征:溫度溫度-溫度的宏觀定義溫度的宏觀定義2. 熱力學(xué)第零定律不僅給出了溫度的概念，而且指出了判別溫?zé)崃W(xué)第零定律不僅給出了溫度的概念，而且指出了判別溫度是否相同的方法（測溫方法）。度是否相同的方法（測溫方法）。討論討論西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-4頁1.3 溫標(biāo)（溫標(biāo)（temperature scale）一、溫標(biāo)的建立、經(jīng)驗溫標(biāo)一、溫標(biāo)的建立、經(jīng)驗溫標(biāo)(1) 溫標(biāo)溫標(biāo)(2) 經(jīng)驗溫標(biāo)（經(jīng)驗溫標(biāo)（empirical temperature scale）溫度

4、的數(shù)值表示法溫度的數(shù)值表示法溫標(biāo)溫標(biāo) 任何物質(zhì)的任何屬性，只要它隨冷熱程度發(fā)生單調(diào)的、任何物質(zhì)的任何屬性，只要它隨冷熱程度發(fā)生單調(diào)的、較顯著的改變，就可被用來計量溫度較顯著的改變，就可被用來計量溫度-經(jīng)驗溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)例：在固定壓強下液體（或氣體）的體積，例：在固定壓強下液體（或氣體）的體積，在固定體積下在固定體積下 氣體的壓強，以及金屬氣體的壓強，以及金屬絲電阻或低溫下半導(dǎo)體的電阻等都隨絲電阻或低溫下半導(dǎo)體的電阻等都隨溫度單調(diào)地、較顯著地變化。溫度單調(diào)地、較顯著地變化。西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-5頁(1) 測溫屬性測溫屬性(2) 選定固定點選定固定點 以氣體為測溫物質(zhì)，利用理想氣體狀態(tài)

5、方程中體積（或以氣體為測溫物質(zhì)，利用理想氣體狀態(tài)方程中體積（或壓強）不變時壓強（或體積）與溫度成正比關(guān)系所確定的溫壓強）不變時壓強（或體積）與溫度成正比關(guān)系所確定的溫標(biāo)稱為理想氣體溫標(biāo)。標(biāo)稱為理想氣體溫標(biāo)。u理想氣體溫標(biāo)理想氣體溫標(biāo)u經(jīng)驗溫標(biāo)（經(jīng)驗溫標(biāo)（empirical temperature scale）taxb(3) 進行分度進行分度 不同測量物質(zhì)或不同測溫屬性所確定的經(jīng)驗溫標(biāo)并不嚴不同測量物質(zhì)或不同測溫屬性所確定的經(jīng)驗溫標(biāo)并不嚴格一致。格一致。 氣體溫度計分為氣體溫度計分為定體定體及及定壓定壓氣體溫度計兩種氣體溫度計兩種熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）說明說明水的水的三相點

6、三相點：273.16K 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-6頁l l 理想氣體溫標(biāo)：理想氣體溫標(biāo)：設(shè)設(shè)T（P）表示定體氣體溫度計與待測系統(tǒng)達到熱平衡時）表示定體氣體溫度計與待測系統(tǒng)達到熱平衡時的溫度數(shù)值，由理想氣體定律知的溫度數(shù)值，由理想氣體定律知0()pVTpR 設(shè)該氣體溫度計在水的三相點時壓強為設(shè)該氣體溫度計在水的三相點時壓強為 ptr，則，則水的三相點的溫度水的三相點的溫度273.16K0273.16K(/)trp VR氣體溫度計在壓強為氣體溫度計在壓強為 p 時測出的溫度為時測出的溫度為(體積不變體積不變)(其中其中V0不變不變 )( )273.16KtrpT pp只有在只有在 ptr

7、0，氣體質(zhì)量趨于零時的氣體才是理想氣體，氣體質(zhì)量趨于零時的氣體才是理想氣體0()273.16limtrptrpTpKp0/273.16K/trVRp(體積體積不變不變 )(體積體積不變不變 )西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-7頁 在同一測溫泡中先后充入不同質(zhì)量的同一氣體（壓強不在同一測溫泡中先后充入不同質(zhì)量的同一氣體（壓強不同），然后測出不同質(zhì)量氣體分別在水的三相點及待測溫度同），然后測出不同質(zhì)量氣體分別在水的三相點及待測溫度（如汽點）時的壓強（如汽點）時的壓強 ptr和和p. 定出所對應(yīng)的定出所對應(yīng)的T（p）, ,然后作出然后作出 T（p） ptr圖形，將曲線外推到圖形，將曲線外推到 p

8、ptr0時的極限數(shù)值就是所時的極限數(shù)值就是所測出的溫度。測出的溫度。只有在只有在 p ptr0時四條曲線才會時四條曲線才會聚一點。這時的數(shù)值聚一點。這時的數(shù)值373.15K才是才是由氣體溫度計所定出由氣體溫度計所定出的的理理想氣體溫標(biāo)想氣體溫標(biāo).西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-8頁二、 攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)（Celesius temperaturescale Fahrenhit temperature scale）0932 F5FottC華氏溫標(biāo)：華氏溫標(biāo)： 1714年德國物理學(xué)家華倫海脫年德國物理學(xué)家華倫海脫(Fahrenhit)建立建立1. 測溫屬性：水銀體積隨溫度變化；

9、測溫屬性：水銀體積隨溫度變化；攝氏溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)： 1742年瑞典天文學(xué)家攝爾修斯年瑞典天文學(xué)家攝爾修斯(Celsicus) 建立建立2. 固定點：冰點為固定點：冰點為0，汽點為，汽點為100 ；3. 分度：分度：0到到100間等分為間等分為100小格，每一小格小格，每一小格1。攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)的換算關(guān)系：攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)的換算關(guān)系：1. 測溫屬性：水銀體積隨溫度變化；測溫屬性：水銀體積隨溫度變化；2. 固定點：氯化氨、冰、水混合物的熔點為固定點：氯化氨、冰、水混合物的熔點為0 ，冰點為，冰點為32 ,汽點為汽點為212.0 ；3. 分度：均勻分度。分度：均勻分度。西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物

10、理系第1-9頁l l 雖然熱力學(xué)溫標(biāo)只是一種理想化的溫標(biāo)，但它卻與理想氣雖然熱力學(xué)溫標(biāo)只是一種理想化的溫標(biāo)，但它卻與理想氣體溫標(biāo)是一致的體溫標(biāo)是一致的。只要在理想氣溫標(biāo)適用（即氣體溫度計。只要在理想氣溫標(biāo)適用（即氣體溫度計精確測定）的范圍內(nèi)，熱力學(xué)溫標(biāo)就可通過理想氣體溫標(biāo)精確測定）的范圍內(nèi)，熱力學(xué)溫標(biāo)就可通過理想氣體溫標(biāo)來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。液氦液氦:35K, 液氮液氮:77K, 常溫常溫:300K四、四、 國際實用溫標(biāo)國際實用溫標(biāo) (International Practical Temperature Scale) 三 、熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)（Thermodynamics temperature

11、 scale）應(yīng)引入一種不依賴測溫物質(zhì)、測溫屬性的溫標(biāo)應(yīng)引入一種不依賴測溫物質(zhì)、測溫屬性的溫標(biāo)-絕對溫標(biāo)絕對溫標(biāo)或稱熱力學(xué)溫標(biāo)?；蚍Q熱力學(xué)溫標(biāo)。)(16.273K水的三相點0(K )273.15KTt C273.15KtT西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-10頁2 氣體的物態(tài)方程氣體的物態(tài)方程 處于平衡態(tài)的系統(tǒng)，只要系統(tǒng)處于某一確定的平衡態(tài)，處于平衡態(tài)的系統(tǒng)，只要系統(tǒng)處于某一確定的平衡態(tài)，系統(tǒng)的熱力學(xué)參量也將同時確定。系統(tǒng)的熱力學(xué)參量也將同時確定。 我們把處于平衡態(tài)的某種物質(zhì)的熱力學(xué)參量（如壓強、我們把處于平衡態(tài)的某種物質(zhì)的熱力學(xué)參量（如壓強、體積、溫度）之間所滿足的體積、溫度）之間所滿足的函

12、數(shù)關(guān)系函數(shù)關(guān)系稱為物質(zhì)的稱為物質(zhì)的物態(tài)方程物態(tài)方程或稱或稱狀態(tài)方程狀態(tài)方程。 例如化學(xué)成分單純的氣體、液體、固體的溫度例如化學(xué)成分單純的氣體、液體、固體的溫度T都可分都可分別由各自的壓強別由各自的壓強 p及體積及體積V來表示，即來表示，即(,)Tfp V 2.1 物態(tài)方程（物態(tài)方程（equation of states）( ,)0f T p V 物態(tài)方程中都顯含溫度物態(tài)方程中都顯含溫度T, 物態(tài)方程常是一些由理論和物態(tài)方程常是一些由理論和實驗相結(jié)合的方法定出的半經(jīng)驗公式。實驗相結(jié)合的方法定出的半經(jīng)驗公式。西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-11頁2.2 理想氣體物態(tài)方程理想氣體物態(tài)方程(equa

13、tion of state of ideal gas)一一 、 氣體的實驗定律氣體的實驗定律 只要在足夠?qū)拸V的溫度壓強變化范圍內(nèi)進行比較精細只要在足夠?qū)拸V的溫度壓強變化范圍內(nèi)進行比較精細的研究，就可發(fā)現(xiàn)，氣體的物態(tài)方程相當(dāng)復(fù)雜，而且不同的研究，就可發(fā)現(xiàn)，氣體的物態(tài)方程相當(dāng)復(fù)雜，而且不同氣體所遵循的規(guī)律也有所不同。氣體所遵循的規(guī)律也有所不同。 但在壓強趨于零，其溫度但在壓強趨于零，其溫度不太高也不太低的情況下，不不太高也不太低的情況下，不同種類氣體在物態(tài)方程上的差同種類氣體在物態(tài)方程上的差異可趨于消失。異可趨于消失。理想氣體：壓強趨于零的極限狀態(tài)下的氣體理想氣體：壓強趨于零的極限狀態(tài)下的氣體pV

14、C玻意耳定律：玻意耳定律： 西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-12頁二、二、 理想氣體物態(tài)理想氣體物態(tài)方程方程1 12212pVp VTT常量 令一摩爾氣體的常量為令一摩爾氣體的常量為R，則得：，則得：mmMmmpVRTRTM 能嚴格滿足理想氣體物態(tài)方程的氣體被稱為理想氣體能嚴格滿足理想氣體物態(tài)方程的氣體被稱為理想氣體-理想氣體宏觀定義。理想氣體宏觀定義。 從玻意耳定律、查理（從玻意耳定律、查理（Charles）定律及蓋呂薩克（）定律及蓋呂薩克（Gay-Lussac）定律，可知一定質(zhì)量的理想氣體有）定律，可知一定質(zhì)量的理想氣體有氣體質(zhì)量氣體質(zhì)量m、摩爾質(zhì)量、摩爾質(zhì)量Mm, 則摩爾數(shù)則摩爾數(shù)53

15、,111.013 1022.4 108.31J molK273.1627316trm trp VR.普適氣體常量普適氣體常量mpVRT西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-13頁2.3 混合理想氣體物態(tài)方程混合理想氣體物態(tài)方程若氣體由若氣體由 摩爾摩爾A種氣體，種氣體， 摩爾摩爾B種氣體種氣體等等n種理想氣種理想氣體混合而成，則混合氣體總體混合而成，則混合氣體總的壓強的壓強p與混合氣體的體積與混合氣體的體積V、溫、溫度度T間應(yīng)有如下關(guān)系：間應(yīng)有如下關(guān)系：21 pV=(v1+v2+vn)RT 混合理想氣體物態(tài)方程混合理想氣體物態(tài)方程。12123nRTRTRTppppVVV 式中的式中的 p1, p2

16、, ,pn分別是在容器中把其它氣體都排走以后，分別是在容器中把其它氣體都排走以后，僅留下第僅留下第i (i=1,2，n) 種種氣體時的壓強，稱為第氣體時的壓強，稱為第i種氣體的分種氣體的分壓壓 混合理想氣體分壓定律（道爾頓分壓定律）混合理想氣體分壓定律（道爾頓分壓定律），這是英國，這是英國科學(xué)家道爾頓（科學(xué)家道爾頓（Dalton）于）于1802年在實驗中發(fā)現(xiàn)的。它與理年在實驗中發(fā)現(xiàn)的。它與理想氣體方程一樣，只有在壓強趨于零時才準(zhǔn)確地成立。想氣體方程一樣，只有在壓強趨于零時才準(zhǔn)確地成立。西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-14頁例：例：一容器儲有氧氣一容器儲有氧氣0. 1kg，壓強為，壓強為10a

17、tm，溫度為，溫度為47。因。因容器漏氣，過一段時間后，壓強減到原來的容器漏氣，過一段時間后，壓強減到原來的5/8，溫度降，溫度降到到27，若把氧氣近似看做理想氣體，若把氧氣近似看做理想氣體，求：（求：（1）容器的體積；（）容器的體積；（2）漏了多少氧氣？）漏了多少氧氣？解：解：mmpVRTRTM（1）23350.1 8.31 (27347)8.2 10 m32 1010 1.013 10mmRTVM p（2）3522532 1010 1.013 108.2 1086.7 10 kg8.31 (27327)mM p VmRT 0.1 0.0670.033kgmmm西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-15頁例：壓力表式氣體溫度計例：壓力表式氣體溫度計BAC測溫泡測溫泡毛細管毛細管壓力表壓力表初始初始0T0p解：解： 測溫泡與低溫平衡測溫泡與低溫平衡測溫前測溫前A00AAmp VRTMB00BBmp VRTM測溫后測溫后AAAmmpVRTMB0ABmmpVRTM000()()ABABp VVVVpTTT000/1(1)BAp pTTVpVp西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院物理系第1-16頁 混合理想氣體的物態(tài)方程完全類似于化學(xué)成分單純的理混合理想氣體的物態(tài)方程完全類似于化學(xué)成分單純的理想氣體的物態(tài)