熱學(xué)現(xiàn)象的宏觀規(guī)律

AB導(dǎo)熱板A、B兩系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，兩系統(tǒng)具有一個(gè)共同的宏觀性質(zhì)——溫度。溫度（T）：互為熱平衡的系統(tǒng)所具有的的一個(gè)共同的宏觀性質(zhì)，稱為系統(tǒng)的溫度。溫標(biāo)：溫度的定量表示。攝氏溫標(biāo)：t（0C）熱力學(xué)溫標(biāo)：T（K）第三篇熱學(xué)熱學(xué)---研究物質(zhì)熱現(xiàn)象和熱運(yùn)動規(guī)律1．什么是熱學(xué)宏觀物體是由大量的微觀粒子(分子、原子等)所組成的。微觀粒子的無規(guī)則的運(yùn)動，稱為熱運(yùn)動(thermalmotion)。熱學(xué)是研究熱運(yùn)動的規(guī)律及其對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響，以及與物質(zhì)其他運(yùn)動形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化的物理學(xué)分支。2．熱學(xué)的分類按照研究方法的不同，熱學(xué)可分為兩門學(xué)科，即熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。熱力學(xué)是研究物質(zhì)熱運(yùn)動的宏觀規(guī)律，從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，以熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過邏輯推理和演繹，來研究熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律及其應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)論具有很高的可靠性和普遍性；缺點(diǎn)：熱力學(xué)理論不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和粒子的運(yùn)動，把物質(zhì)看成是連續(xù)的，因此不能解釋宏觀性質(zhì)的漲落。熱力學(xué)(thermodynamics)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是研究物質(zhì)熱運(yùn)動的微觀理論，從“宏觀物質(zhì)系統(tǒng)是由大量微觀粒子組成的”這一基本事實(shí)出發(fā)，認(rèn)為物質(zhì)的宏觀性質(zhì)是大量微觀粒子運(yùn)動的集體表現(xiàn)，認(rèn)為宏觀量是微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值。優(yōu)點(diǎn)：它可以把熱力學(xué)的幾個(gè)基本定律歸結(jié)于一個(gè)基本的統(tǒng)計(jì)原理，闡明了熱力學(xué)定律的統(tǒng)計(jì)意義(揭示了熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì))；缺點(diǎn)：由于對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)所作的往往只是簡化的模型假設(shè)，因而所得得理論結(jié)果往往只是近似的(可靠性、普遍性差)。氣體動理論：以氣體為研究對象。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)(statisticalphysics)Chapter7熱學(xué)現(xiàn)象的宏觀規(guī)律§7.1熱力學(xué)狀態(tài)及其描述一、熱力學(xué)系統(tǒng)

1．系統(tǒng)

熱學(xué)研究的是由大量分子、原子組成的物體或物體系的運(yùn)動形式，我們稱這些物體為熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。系統(tǒng)以外的一切則稱為外界，外界可以與系統(tǒng)發(fā)生相互作用。2．孤立系統(tǒng)如果一個(gè)系統(tǒng)與外界既不交換物質(zhì)又不交換能量，則稱這樣的系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)。這是一種理想情形。3．封閉系統(tǒng)與外界只交換能量但不交換物質(zhì)的系統(tǒng)稱為封閉系統(tǒng)。4．開放系統(tǒng)外界既交換物質(zhì)又交換能量的系統(tǒng)稱為開放系統(tǒng)。外界熱力學(xué)系統(tǒng)二、平衡態(tài)的幾何表式

1.定義2、說明（1）平衡態(tài)是一個(gè)理想狀態(tài)，它不同于定態(tài)；（2）平衡態(tài)是一種動態(tài)平衡；（3）對于平衡態(tài)，可以用p-V圖上的一個(gè)點(diǎn)來表示。把用來描述系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參量。

氣體的宏觀狀態(tài)可以用體積V、壓強(qiáng)P和溫度T來描述體積V——幾何參量壓強(qiáng)p——力學(xué)參量溫度T——熱力學(xué)參量三、狀態(tài)參量

常用的狀態(tài)參量有四類：1、幾何參量，如氣體的體積；2、力學(xué)參量，如氣體的壓強(qiáng)p；3、化學(xué)參量4、電磁參量1.氣體狀態(tài)參量：壓強(qiáng)(P)、體積(V)、溫度(T)壓強(qiáng)（p）：作用于容器壁上單位面積的力。體積（V）分子熱運(yùn)動所能達(dá)到的空間，即容器體積.

單位：帕斯卡（Pa）、大氣壓（atm）、毫米汞柱（mmHg）單位：立方米（m3）、升（L）=760mmHg1mmHg=133.3PaAB導(dǎo)熱板A、B兩系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，兩系統(tǒng)具有一個(gè)共同的宏觀性質(zhì)——溫度。溫度（T）：表征在熱平衡物態(tài)下系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的物理量。熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律：如果系統(tǒng)A、B同時(shí)和系統(tǒng)C達(dá)到熱平衡，則系統(tǒng)A和B也處于熱平衡—熱平衡的傳遞性。達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)具有共同的內(nèi)部屬性—溫度CBA溫度的宏觀定義：表征系統(tǒng)熱平衡時(shí)宏觀性質(zhì)的物理量。溫標(biāo)——溫度的數(shù)值表示法。五、溫度計(jì)及溫標(biāo)：1.溫標(biāo)：系統(tǒng)冷熱程度的數(shù)值表示稱為溫標(biāo)。2.經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)：

以具體物質(zhì)的某一特性確定的溫標(biāo).(攝氏溫標(biāo)）

例如：利用水銀的體積隨溫度的單調(diào)變化、金屬絲的電阻隨溫度的變化特性表示溫度。選擇水銀柱長隨溫度變化指示溫度。

水銀溫度計(jì)2.用水的冰點(diǎn)作為攝氏零度。沸點(diǎn)為

100度。

01020303.將它們之間分為100等份，每一份為1度。確定溫標(biāo)。3.理想氣體溫標(biāo)：用理想氣體的體積或壓強(qiáng)隨溫度的單調(diào)變化確立的溫標(biāo)。

定容氣體溫度計(jì)和定壓氣體溫度計(jì)分別用壓強(qiáng)和體積來表示溫度.用定容氣體溫度計(jì)或定壓氣體溫度計(jì)來實(shí)現(xiàn)T90=t90+273.15K4.熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）：由卡諾定理引進(jìn)的溫標(biāo)（它不依賴于任何具體物質(zhì)的特性。與理想氣體溫標(biāo)一致。熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系攝氏溫標(biāo)：t℃水的冰點(diǎn)——0℃水的沸點(diǎn)——100℃冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之差的百分之一規(guī)定為1

℃

。絕對零度：

T=0Kt=-273.15℃水三相點(diǎn)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的共存狀態(tài)）273.16K2理想氣體物態(tài)方程

物態(tài)方程：理想氣體平衡態(tài)宏觀參量間的函數(shù)關(guān)系.對一定質(zhì)量的同種氣體理想氣體物態(tài)方程理想氣體宏觀定義：遵守三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律的氣體.摩爾數(shù)氣體普適常量氣體質(zhì)量(kg)氣體摩爾質(zhì)量p(atm),V(升)，T（K）p(Pa),V(m3)，T（K）2公式適用條件國際單位氣體壓強(qiáng)不太大，溫度不太低，密度不太高準(zhǔn)靜態(tài)過程

熱力學(xué)過程系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)向另一個(gè)平衡態(tài)過渡的過程系統(tǒng)的熱力學(xué)過程進(jìn)行得無限緩慢，以致于每一個(gè)中間狀態(tài)都可視為平衡態(tài)p

四、熱力學(xué)過程一個(gè)點(diǎn)：表示一個(gè)平衡態(tài)12p~V圖上注意一條曲線：表示一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程往往§7.3功與熱量一、功

1．無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程的功——體積變化的功

以氣缸內(nèi)活塞的運(yùn)動為例。設(shè)缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為P、體積為V，活塞的面積為S，則氣體通過作用在活塞上的力F=PS而膨脹，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生無限小膨脹的準(zhǔn)靜態(tài)過程時(shí)，活塞發(fā)生微小位移dx，氣體對外作的元功為：

當(dāng)系統(tǒng)從初態(tài)Ⅰ經(jīng)過一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程變化到終態(tài)Ⅱ時(shí)，系統(tǒng)對外界所作總功為：注意：作功與過程有關(guān).系統(tǒng)對外界作正功系統(tǒng)對外界作負(fù)功（外界對系統(tǒng)作正功）§7.3功與熱量2．功的幾何意義——P-V圖中曲線下的面積為功A§7.2功與熱量二、熱量

1．系統(tǒng)與外界作用的兩種方式§7.3功與熱量2.熱量QQ﹥0，系統(tǒng)從外界吸熱；Q﹤0，系統(tǒng)向外界放熱系統(tǒng)和外界之間存在溫差而發(fā)生的能量傳遞.1）過程量：與過程有關(guān)；2）等效性：改變系統(tǒng)熱運(yùn)動狀態(tài)作用相同；

宏觀運(yùn)動分子熱運(yùn)動功分子熱運(yùn)動分子熱運(yùn)動熱量3）功與熱量的物理本質(zhì)不同.1卡=4.18J，1J=0.24卡功與熱量的異同§7.3功與熱量4.熱容量（1）熱容的定義

當(dāng)系統(tǒng)的質(zhì)量為單位質(zhì)量時(shí)，它的熱容量叫比熱容或者比熱，用小寫c表示

當(dāng)系統(tǒng)的物質(zhì)的量為1mol時(shí)，它的熱容量叫摩爾熱容，用表示

（2）定體摩爾熱容與定壓摩爾熱容

§7.3功與熱量有

奧恩庫爾的“永動機(jī)”模型§7.4熱力學(xué)第一定律與內(nèi)能

§7.4熱力學(xué)第一定律與內(nèi)能焦耳實(shí)驗(yàn)：對系統(tǒng)做機(jī)械功焦耳實(shí)驗(yàn)：對系統(tǒng)做電功一、內(nèi)能（狀態(tài)量）§7.4熱力學(xué)第一定律與內(nèi)能

1、系統(tǒng)與外界絕熱隔離

焦耳實(shí)驗(yàn)說明，絕熱功與實(shí)施絕熱過程的途徑無關(guān)，而由狀態(tài)1和狀態(tài)2完全決定。而內(nèi)能就是表征某一狀態(tài)的函數(shù)。系統(tǒng)從平衡態(tài)1經(jīng)絕熱過程到到平衡態(tài)2,內(nèi)能的增加量為B12A**B12A**

系統(tǒng)內(nèi)能的增量只與系統(tǒng)起始和終了狀態(tài)有關(guān)，與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過程無關(guān)，內(nèi)能是狀態(tài)量。（與勢能進(jìn)行類比）

內(nèi)能是狀態(tài)量：實(shí)際氣體：理想氣體：內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)：

內(nèi)能指與微觀熱運(yùn)動有關(guān)的能量，不包括系統(tǒng)整體的機(jī)械能?！?.4內(nèi)能熱力學(xué)第一定律2、系統(tǒng)與外界未絕熱隔離外界對系統(tǒng)做功A

系統(tǒng)從外界吸收熱量Q

系統(tǒng)內(nèi)能的增量U++系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱內(nèi)能增加內(nèi)能減少系統(tǒng)對外界做功外界對系統(tǒng)做功正負(fù)規(guī)定：§7.4熱力學(xué)第一定律與內(nèi)能

二、熱力學(xué)第一定律

系統(tǒng)從外界吸收的熱量,一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加,另一部分使系統(tǒng)對外界做功。1、數(shù)學(xué)表達(dá)式2、說明（1）熱力學(xué)第一定律是包括熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的一種表達(dá)形式。（2）該定律的另一種通俗表述是：第一類永動機(jī)是不可能造成的。無限小過程

永動機(jī)的設(shè)想圖

計(jì)算各等值過程的熱量、功和內(nèi)能的理論基礎(chǔ)1、（理想氣體的共性）2、解決過程中能量轉(zhuǎn)換的問題4、理想氣體的功、熱量的計(jì)算公式。三、熱力學(xué)第一定律在理想氣體等值過程中的應(yīng)用3、

理想氣體的內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)。（一）等容過程1、過程特點(diǎn)系統(tǒng)的體積不變2、過程方程3、過程曲線VP2（P2,V,T2）P1P2VO1（P1,V,T1）等容升壓

氣缸內(nèi)氣體吸熱升壓

5、內(nèi)能增量4、功6、熱量等容過程系統(tǒng)從外界吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

說明：此公式不僅適用于等容過程，對任何過程都適用。此公式可作為計(jì)算任何熱力學(xué)過程中理想氣體內(nèi)能改變的普遍公式。理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的單值函數(shù)。（二）等壓過程1、過程特點(diǎn)系統(tǒng)的壓強(qiáng)不變2、過程方程3、過程曲線VPV1V2P（P,V2,T2）O（P,V1,T1）12等壓膨脹

氣缸內(nèi)氣體等壓膨脹5、內(nèi)能增量4、功6、熱量（邁耶公式）（比熱容比）

意義：在具有相同初末態(tài)的過程中，等壓過程吸收的熱量大于等容過程中吸收的熱量。1mol理想氣體溫度升高1K，對于等容過程，體積不變，吸收的熱量全部用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能。而對于等壓過程，吸收的熱量除用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能，還要對外作功。所以，等壓過程中系統(tǒng)吸收的熱量比等容過程中要多8.31J。三、等溫過程§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程（1）§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程（2）因此，無法用來計(jì)算等溫過程的熱量。四、絕熱過程§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程AA§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程§7.4理想氣體的熱力學(xué)過程§7.4理想氣體的熱力