51基本概念理想氣體狀態(tài)方程

1、大學(xué)物理大學(xué)物理 （2） 熱熱 學(xué)學(xué)光光 學(xué)學(xué)量子物理量子物理2 2普通物理學(xué)（普通物理學(xué)（1 1、3 3）程守洙（第五版程守洙（第五版) ) 高等教育出版社高等教育出版社1 1大學(xué)物理學(xué)大學(xué)物理學(xué) 毛駿健毛駿健 顧牡顧牡 高教出版社高教出版社3 3光學(xué)教程光學(xué)教程 姚啟鈞姚啟鈞 高等教育出版社高等教育出版社參考書目參考書目熱熱 學(xué)學(xué) 前前 言言 一一. 熱學(xué)的研究對(duì)象及內(nèi)容熱學(xué)的研究對(duì)象及內(nèi)容 對(duì)象：對(duì)象： 宏觀物體（大量分子原子系統(tǒng)）宏觀物體（大量分子原子系統(tǒng)）或物體系或物體系 熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng) 。 內(nèi)容：內(nèi)容： 與與熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象有關(guān)的性質(zhì)和規(guī)律。有關(guān)的性質(zhì)和規(guī)律。關(guān)關(guān)。微微觀觀上上說(shuō)

2、說(shuō)是是與與熱熱運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)有有有有關(guān)關(guān)；宏宏觀觀上上說(shuō)說(shuō)是是與與溫溫度度體體表表現(xiàn)現(xiàn)）子子熱熱運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的的集集熱熱現(xiàn)現(xiàn)象象（物物質(zhì)質(zhì)中中大大量量分分 T外界外界系統(tǒng)系統(tǒng)外界外界例如汽缸：例如汽缸：二二 . 熱學(xué)的研究方法熱學(xué)的研究方法熱力學(xué)熱力學(xué)（thermodynamics）宏觀基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律宏觀基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律邏輯推理邏輯推理特點(diǎn)：特點(diǎn)： 普遍性、可靠性。普遍性、可靠性。統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)（statistical mechanics）對(duì)微觀結(jié)構(gòu)提對(duì)微觀結(jié)構(gòu)提出模型、假設(shè)出模型、假設(shè)統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)方法熱現(xiàn)象規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律特點(diǎn)：特點(diǎn)：可揭示微觀本質(zhì)，但受模型局限?？山沂疚⒂^本質(zhì)，但受模型

3、局限。 前前 言言 1.掌握自然界的基本規(guī)律。掌握自然界的基本規(guī)律。 熱力學(xué)第一定律：熱力學(xué)第一定律：能量守恒能量守恒 熱力學(xué)第二定律：熱力學(xué)第二定律：自然過(guò)程的方向自然過(guò)程的方向2.熱能是重要的能源，也是維持生命的主要來(lái)源。熱能是重要的能源，也是維持生命的主要來(lái)源。學(xué)習(xí)熱力學(xué)的意義學(xué)習(xí)熱力學(xué)的意義 1、掌握掌握氣體的狀態(tài)參量、平衡態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程等一些氣體的狀態(tài)參量、平衡態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程等一些基本概念，基本概念，掌握掌握描述狀態(tài)參量之間關(guān)系的理想氣體狀態(tài)方程。描述狀態(tài)參量之間關(guān)系的理想氣體狀態(tài)方程。了解了解熱力學(xué)第零定律。熱力學(xué)第零定律。 4、 掌握掌握熱力學(xué)第一定律，能分析、計(jì)算理想氣體在等體

4、、熱力學(xué)第一定律，能分析、計(jì)算理想氣體在等體、等壓、等溫和絕熱過(guò)程中的功、熱量和內(nèi)能的改變量等壓、等溫和絕熱過(guò)程中的功、熱量和內(nèi)能的改變量 。了解多。了解多方過(guò)程。方過(guò)程。 5、 理解理解循環(huán)的意義和循環(huán)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，循環(huán)的意義和循環(huán)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，會(huì)會(huì)計(jì)算計(jì)算卡諾循環(huán)和其他簡(jiǎn)單循環(huán)的效率?？ㄖZ循環(huán)和其他簡(jiǎn)單循環(huán)的效率。了解了解熱機(jī)和制冷機(jī)熱機(jī)和制冷機(jī)的工作原理。的工作原理。 2、理解理解準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)，會(huì)用準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)，會(huì)用p-V圖來(lái)描述準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)圖來(lái)描述準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。程。 3、掌握掌握理想氣體內(nèi)能、功和熱量的概念理想氣體內(nèi)能、功和熱量的概念 6、了解了解可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程

5、的含義及自然界過(guò)程進(jìn)行可逆過(guò)程和不可逆過(guò)程的含義及自然界過(guò)程進(jìn)行的方向性，理解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述。的方向性，理解熱力學(xué)第二定律的兩種不同表述。常見的一些現(xiàn)象：1、一壺水開了，水變成了、一壺水開了，水變成了水蒸氣水蒸氣。2、溫度降到、溫度降到0以下，液體的水變成了固體的冰塊。以下，液體的水變成了固體的冰塊。3、氣體被壓縮，產(chǎn)生壓強(qiáng)。、氣體被壓縮，產(chǎn)生壓強(qiáng)。4、物體被加熱，物體的溫度升高。、物體被加熱，物體的溫度升高。熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象9-1-1 熱力學(xué)系統(tǒng) 在熱力學(xué)中把要研究的宏觀物體（氣體、液體、在熱力學(xué)中把要研究的宏觀物體（氣體、液體、固體）稱為固體）稱為熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱系

6、統(tǒng)系統(tǒng)。外界：外界：系統(tǒng)以外與系統(tǒng)有著相互作用的環(huán)境系統(tǒng)以外與系統(tǒng)有著相互作用的環(huán)境孤立系統(tǒng)：孤立系統(tǒng)：與外界不發(fā)生任何能量和物質(zhì)交換的與外界不發(fā)生任何能量和物質(zhì)交換的熱力學(xué)系統(tǒng)。熱力學(xué)系統(tǒng)。封閉系統(tǒng)：封閉系統(tǒng)： 與外界只有能量交換而沒有物質(zhì)交換與外界只有能量交換而沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。狀態(tài)參量：狀態(tài)參量：描述熱力學(xué)描述熱力學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)的物理量。狀態(tài)的物理量。描述氣體的狀態(tài)參量：描述氣體的狀態(tài)參量：壓強(qiáng)壓強(qiáng)、體積體積和和溫度溫度垂直作用在單位容器壁面積上的氣垂直作用在單位容器壁面積上的氣體壓力。體壓力。壓強(qiáng)（壓強(qiáng)（P）：）：帕斯卡（帕斯卡（Pa = N/m2） 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(

7、atm) = 1.01325105Pa= 760 mmHg體積（體積（V ）：）：氣體分子自由活動(dòng)的空間。氣體分子自由活動(dòng)的空間。國(guó)際單位：國(guó)際單位：米米3（m3 ）溫度（溫度（T）：）：溫度是表征在熱平衡狀態(tài)下系統(tǒng)宏溫度是表征在熱平衡狀態(tài)下系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量。觀性質(zhì)的物理量。溫標(biāo)溫標(biāo) 溫度的數(shù)值表示法。溫度的數(shù)值表示法。攝氏溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)：t 熱力學(xué)溫標(biāo)：熱力學(xué)溫標(biāo)： T K 水的冰點(diǎn)水的冰點(diǎn) 0 水的沸點(diǎn)水的沸點(diǎn) 100冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之差的百冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之差的百分之一規(guī)定為分之一規(guī)定為1 。 絕對(duì)零度：絕對(duì)零度： T = 0 K t = - 273.15 水三相點(diǎn)水三相點(diǎn)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的共

8、存狀態(tài)）（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的共存狀態(tài)）273.16 KKCT/273.15t 熱平衡熱平衡:兩熱力學(xué)系統(tǒng)相互接觸，而與外界沒有熱量交換，當(dāng)兩熱力學(xué)系統(tǒng)相互接觸，而與外界沒有熱量交換，當(dāng)經(jīng)過(guò)了足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，它們的冷熱程度不再發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)了足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，它們的冷熱程度不再發(fā)生變化。熱力學(xué)第零定律：熱力學(xué)第零定律： 如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則這兩個(gè)系統(tǒng)彼此也處于熱平衡。達(dá)到熱平衡，則這兩個(gè)系統(tǒng)彼此也處于熱平衡。ABCAB C溫度：溫度： 表征系統(tǒng)熱平衡表征系統(tǒng)熱平衡時(shí)宏觀狀態(tài)的物理量。時(shí)宏觀狀態(tài)的物理量。微觀量：每個(gè)分子的質(zhì)量、速度、動(dòng)量、能量等微觀

9、量：每個(gè)分子的質(zhì)量、速度、動(dòng)量、能量等宏觀量：系統(tǒng)的體積、壓強(qiáng)、溫度、熱容等宏觀量：系統(tǒng)的體積、壓強(qiáng)、溫度、熱容等總結(jié)描述熱現(xiàn)象的參量：總結(jié)描述熱現(xiàn)象的參量：表征大量分子的集體特征。表征大量分子的集體特征。表征個(gè)別分子特征。表征個(gè)別分子特征。9-1-2 9-1-2 平衡態(tài)平衡態(tài)平衡態(tài)：平衡態(tài)：一個(gè)孤立系統(tǒng)，其宏觀性質(zhì)在經(jīng)過(guò)充分長(zhǎng)一個(gè)孤立系統(tǒng)，其宏觀性質(zhì)在經(jīng)過(guò)充分長(zhǎng)的時(shí)間后保持不變（即其狀態(tài)參量不再隨時(shí)間改變）的時(shí)間后保持不變（即其狀態(tài)參量不再隨時(shí)間改變）的狀態(tài)。的狀態(tài)。（微觀上應(yīng)理解為動(dòng)態(tài)平衡）（微觀上應(yīng)理解為動(dòng)態(tài)平衡）注意：注意：如果系統(tǒng)與外如果系統(tǒng)與外界有能量交換，即使界有能量交換，即使系

10、統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化，也不能斷時(shí)間變化，也不能斷定系統(tǒng)是否處于平衡定系統(tǒng)是否處于平衡態(tài)。態(tài)。 平衡態(tài)的特點(diǎn)：平衡態(tài)的特點(diǎn)：),(TVppV),(TVp*o1）單一性（單一性（ 處處相等）處處相等）;2）物態(tài)的穩(wěn)定性物態(tài)的穩(wěn)定性 與時(shí)間無(wú)關(guān)；與時(shí)間無(wú)關(guān)；3）自發(fā)過(guò)程的終點(diǎn)；自發(fā)過(guò)程的終點(diǎn)；4）熱動(dòng)平衡熱動(dòng)平衡.（區(qū)別力平衡）（區(qū)別力平衡）Tp,一組態(tài)參量一組態(tài)參量一個(gè)平衡態(tài)一個(gè)平衡態(tài)描述描述對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)一定質(zhì)量的氣體一定質(zhì)量的氣體（某一系統(tǒng)）（某一系統(tǒng)）的平衡態(tài)可用的平衡態(tài)可用 p、 V 、 T表示表示熱力學(xué)過(guò)程：熱力學(xué)過(guò)程：熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生變化的過(guò)程。熱力學(xué)系統(tǒng)的狀

11、態(tài)隨時(shí)間發(fā)生變化的過(guò)程。p1, V1, T1 p2, V2, T2 非平衡過(guò)程或非靜態(tài)過(guò)程非平衡過(guò)程或非靜態(tài)過(guò)程平衡過(guò)程平衡過(guò)程或準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程或準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（理想過(guò)程）（理想過(guò)程）準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程： 狀態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行得非常緩慢，以至于過(guò)程中的每一個(gè)中間狀態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行得非常緩慢，以至于過(guò)程中的每一個(gè)中間狀態(tài)都近似于平衡態(tài)。狀態(tài)都近似于平衡態(tài)?？炜旆瞧胶鈶B(tài)非平衡態(tài)緩慢緩慢接近平衡態(tài)接近平衡態(tài)非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程統(tǒng)一于統(tǒng)一于“無(wú)限緩慢無(wú)限緩慢”矛盾矛盾平衡即不變平衡即不變過(guò)程即變化過(guò)程即變化 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的過(guò)程準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的過(guò)程曲線可以用曲線可以用P -V 圖來(lái)描圖來(lái)描述，圖

12、上的每一點(diǎn)都表述，圖上的每一點(diǎn)都表示系統(tǒng)的一個(gè)平衡態(tài)。示系統(tǒng)的一個(gè)平衡態(tài)。( PB,VB,TB )( PA,VA,TA )PVO( PC,VC,TC )9-1-3 9-1-3 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程理想氣體：理想氣體：在任何情況下都嚴(yán)格遵守在任何情況下都嚴(yán)格遵守“波波- -馬定馬定律律”、“蓋蓋- -呂定律呂定律”以及以及“查理定律查理定律”的氣體。的氣體。112212P VP VTT恒恒量量（質(zhì)量不變）（質(zhì)量不變）)(,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)oooTVPTVP標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：Pa1001325. 150PK15.273oT33molm104 .22Vmol0VMmV 000mol00P VP VPVmTTMTm 為氣體的總質(zhì)量。為氣體的總質(zhì)量。M 為氣體的摩爾質(zhì)量。為氣體的摩爾質(zhì)量。理想氣體狀態(tài)方程：理想氣體狀態(tài)方程：mPVRTM 令：令：)KmolJ (31. 8110mol0TVPRR 摩爾氣體常量摩爾氣體常量0mol0000TVPMmTVPTPV代入：代入：ANRk 設(shè)一定量理想氣體的分子質(zhì)量為設(shè)一定量理想氣體的分子質(zhì)量為 m0，氣體分子數(shù)為，氣體分子數(shù)為N，分子數(shù)密度分子數(shù)密度 n。Nmm0AMN 0mmPVRTM VNn TNRVNPAAmNMN阿伏伽德羅常數(shù)阿伏伽德羅常數(shù):