熱學(xué)課件完整版本

§1.熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)和狀態(tài)參量一、熱力學(xué)系統(tǒng)作為研究對象的在給定范圍內(nèi)由大量微觀粒子組成的體系稱為熱力學(xué)系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng))。與之相對，能夠?qū)λ芯康南到y(tǒng)發(fā)生相互作用的其他體系稱為外界（或環(huán)境）。

這種相互作用可理解為存在作功、熱量傳遞和粒子數(shù)交換。系統(tǒng)的分類：根據(jù)系統(tǒng)與外界的關(guān)系，可分為開放系（有能量、有物質(zhì)交換），封閉系（有能量、無物質(zhì)交換），絕熱系，孤立系（無能量、無物質(zhì)交換）；根據(jù)系統(tǒng)的組成成分，可分為單元系，多元系；根據(jù)系統(tǒng)組成的均勻性，可分為單相系（均勻系）復(fù)相系（非均勻系）。Ch1:平衡態(tài)與狀態(tài)參量熱力學(xué)和力學(xué)的區(qū)別:

熱學(xué)研究方法與其它學(xué)科的宏觀描述方法不同。例如力學(xué)中我們把位置、時(shí)間、質(zhì)量及這三者的組合（如速度、動量、角速度、角動量等）中的某幾個(gè)獨(dú)立參數(shù)稱為物體的力學(xué)坐標(biāo)。利用力學(xué)坐標(biāo)可描述物體任一時(shí)刻的整體的運(yùn)動狀態(tài)。經(jīng)典力學(xué)的目的就在于找出與牛頓定律相一致的、存在于各力學(xué)坐標(biāo)之間的一般關(guān)系。熱力學(xué)的注意力卻指向系統(tǒng)內(nèi)部:我們把與系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)有關(guān)的宏觀物理量（諸如壓強(qiáng)、體積、溫度等）稱為熱力學(xué)參量，也稱熱力學(xué)坐標(biāo)。熱力學(xué)的目的就是要求出與熱力學(xué)各個(gè)基本定律相一致的,存在于各熱力學(xué)參量間的一般關(guān)系。熱學(xué)中一般不考慮系統(tǒng)作為一個(gè)整體的宏觀的機(jī)械運(yùn)動。若系統(tǒng)在作整體運(yùn)動，則常把坐標(biāo)系建立在運(yùn)動的物體上。例如，對于在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的系統(tǒng)，其坐標(biāo)系取在旋轉(zhuǎn)軸上。二、平衡態(tài)與非平衡態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)由系統(tǒng)的熱力學(xué)參量（壓強(qiáng)、溫度等）來描述。一般它隱含著這樣的假定——系統(tǒng)的各個(gè)部分的壓強(qiáng)與溫度都是處處相等的。隔板剛抽走的瞬間系統(tǒng)處于非平衡態(tài)。但是經(jīng)過并不很長的時(shí)間，容器中的氣體壓強(qiáng)趨于均勻，且不隨時(shí)間變化，它已處于平衡態(tài)。例1：自由膨脹實(shí)驗(yàn):隔板抽走前的平衡態(tài)隔板抽走后達(dá)到的新平衡態(tài)應(yīng)注意，這里一定要加上“沒有外界影響”的限制。非平衡態(tài)：在沒有外界影響的情況下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)可以自發(fā)地發(fā)生變化的狀態(tài)。

對平衡態(tài)的定義：在沒有外界影響的條件下，系統(tǒng)的各個(gè)部分的宏觀性質(zhì)在長時(shí)間里不發(fā)生任何變化的狀態(tài)。例2：熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

？討論：這種狀態(tài)下的金屬棒處于平衡態(tài)嗎？熱力學(xué)系統(tǒng)為金屬棒。有熱流不斷地從沸水端流向冰水端，經(jīng)足夠長時(shí)間，金屬棒各處溫度不再隨時(shí)間變化，但在水平方向，各點(diǎn)溫度不相等。熱流（單位時(shí)間流過的熱量）雖然不隨時(shí)間變化，但它始終存在；這種狀態(tài)下的金屬棒仍處于非平衡態(tài)。因?yàn)闊崃魇怯赏饨缬绊懰隆Ｖ灰褵崃髑袛嗑涂梢耘懦饨缬绊懀?例如使金屬棒不與沸水接觸)，金屬棒各處溫度就要變化。我們把在外界擾動（有熱流或粒子流交換）下，宏觀性質(zhì)長期不變的狀態(tài)稱為穩(wěn)恒態(tài),也稱穩(wěn)態(tài)或定（常）態(tài)。是否空間各處壓強(qiáng)、粒子數(shù)密度等不均勻的狀態(tài)，就一定是非平衡態(tài)呢？未必。例如重力場中的等溫大氣處于平衡態(tài)。

不能單純把是否“宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化”或是否“空間分布是否處處均勻一致”看作平衡態(tài)與非平衡態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)。

正確判別平衡態(tài)的方法應(yīng)該看是否存在熱流與粒子流。因?yàn)闊崃骱土Ｗ恿鞫际怯上到y(tǒng)狀態(tài)變化或系統(tǒng)受到外界影響引起的。

在自然界中平衡是相對的、特殊的、局部的與暫時(shí)的，不平衡才是絕對的、普遍的、全局的和經(jīng)常的。非平衡現(xiàn)象千姿百態(tài)、豐富多彩，但也復(fù)雜得多，無法精確地予以描述或解析。平衡態(tài)才是最簡單的、最基本的。三、熱力學(xué)平衡

系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)應(yīng)不存在熱流與粒子流。熱流由系統(tǒng)內(nèi)部溫度不均勻而產(chǎn)生，故可把溫度處處相等看作是熱學(xué)平衡建立的標(biāo)準(zhǔn)。由此得到第一個(gè)平衡條件—熱學(xué)平衡條件：即系統(tǒng)內(nèi)部的溫度處處相等。粒子流有兩種:一種是宏觀上能察覺到成群粒子定向移動的粒子流。這是由氣體內(nèi)部存在壓強(qiáng)差異而使粒子群受力不平衡所致。故氣體不發(fā)生宏觀流動的第一個(gè)條件是系統(tǒng)內(nèi)部各部分的受力應(yīng)平衡。第二個(gè)平衡條件—力學(xué)平衡條件:即系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間、系統(tǒng)與外界之間應(yīng)達(dá)到力學(xué)平衡。在通常情況下（例如在沒有外場等），力學(xué)平衡反映為壓強(qiáng)處處相等。第二種粒子流，它不存在由于成群粒子定向運(yùn)動所導(dǎo)致的粒子宏觀遷移。例3：擴(kuò)散現(xiàn)象如圖所示:氧氣氧氮混合氣氮?dú)鈱τ诜腔瘜W(xué)純物質(zhì)，僅有溫度壓強(qiáng)這兩個(gè)參量不能全部反映系統(tǒng)的宏觀物征，還應(yīng)加上化學(xué)組成這一熱力學(xué)參量，擴(kuò)散就是因?yàn)榭臻g各處化學(xué)組成不均勻所致。第三個(gè)平衡條件—化學(xué)平衡條件:系統(tǒng)要建立平衡，還需滿足化學(xué)平衡條件。

只有在外界條件不變的情況下同時(shí)滿足力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)平衡條件的系統(tǒng)，才不會存在熱流與粒子流，才能處于平衡態(tài)。化學(xué)平衡條件是指：在無外場作用下系統(tǒng)各部分的化學(xué)組成也應(yīng)是處處相同的。平衡態(tài)的性質(zhì):

處于平衡態(tài)的系統(tǒng)，可以用不含時(shí)間的宏觀坐標(biāo)（即熱力學(xué)參量）來描述它。只有處于平衡態(tài)的物理上均勻的系統(tǒng)，才可能在以熱力學(xué)參量為坐標(biāo)軸的狀態(tài)圖（p-V圖、p-T圖）上以一個(gè)確定的點(diǎn)表示它的狀態(tài)。處于非平衡態(tài)的系統(tǒng)無法用處處均勻的溫度T、壓強(qiáng)p及化學(xué)組成來描述整個(gè)系統(tǒng)?？偨Y(jié)：熱力學(xué)平衡條件1、宏觀與微觀的差別。例：恒溫溶液。宏觀：系統(tǒng)溫度一致；微觀：分子不斷運(yùn)動，每個(gè)分子的運(yùn)動速度不同，能量經(jīng)過碰撞達(dá)到動態(tài)平衡。標(biāo)志：動能分布不變。力學(xué)平衡：無宏觀運(yùn)動；化學(xué)平衡：濃度、物相不變；熱學(xué)平衡：無能量流動。3、馳豫時(shí)間：熱力學(xué)系統(tǒng)由初始狀態(tài)達(dá)到平衡態(tài)

所經(jīng)歷的時(shí)間。如果馳豫時(shí)間遠(yuǎn)小于外界變化的時(shí)間尺度，可以做平衡態(tài)近似。例：活塞運(yùn)動：<10m/s，氣體運(yùn)動速率：~500m/s。注意：2、只有在系統(tǒng)處于平衡態(tài)的條件下，狀態(tài)參量才有確定的數(shù)值和意義。四、狀態(tài)參量定義：確定熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)的物理量稱為系統(tǒng)的狀態(tài)參量。幾何狀態(tài)參量：廣延量(extensive)：長度(m)，面積(m2,A)，體積(m3,V)；強(qiáng)度量(intensive)：單位物質(zhì)所占的體積(Vm)。力學(xué)狀態(tài)參量：廣延量：重量(Kg),牛頓(N,Kgm/s2)；強(qiáng)度量：密度(r=Kg/m3)，壓強(qiáng)(p=N/m2)。新概念熱力學(xué)狀態(tài)參量：分子無序運(yùn)動的劇烈程度的量度。廣延量：熱量：系統(tǒng)分子總動能的一個(gè)量度；強(qiáng)度量：溫度：單個(gè)分子動能的一個(gè)量度?；瘜W(xué)狀態(tài)參量：廣延量：分子數(shù)(N)，mole:12g12C所含有的原子6.022x1023個(gè)；強(qiáng)度量：單位體積所占有的分子個(gè)數(shù)(mole/m3),物理化學(xué)常用：M=mole/dm3。電磁狀態(tài)參量：電場強(qiáng)度和電極化強(qiáng)度；磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度。一、溫度的概念直觀定義:

標(biāo)記物體冷熱程度的物理量稱為溫度。兩個(gè)處于熱平衡的物體冷熱程度是相同的，它們的溫度也是相同的。本質(zhì)：溫度是組成物體的大量分子無規(guī)則運(yùn)動劇烈程度的表現(xiàn)。這個(gè)直觀定義并沒有揭示溫度的本質(zhì)。熱學(xué)中最核心的概念是“溫度”與“熱量”。在科學(xué)史上長期以來這些基本概念是混淆不清的（有興趣可以了解關(guān)于量熱學(xué)的歷史）?！暗且唤?jīng)辨別清楚，就使得科學(xué)得到飛速的發(fā)展?！保◥垡蛩固梗！?溫度特點(diǎn)：熱物理學(xué)中最核心的概念是溫度和熱量。(1)溫度是熱物理學(xué)中特有的物理量；(2)溫度是狀態(tài)參量，(3)溫度的高低表示熱的程度(強(qiáng)度量），不是熱的數(shù)量。特點(diǎn)：二、熱力學(xué)第零定律(1)絕熱壁與導(dǎo)熱壁

(B)中左邊活塞的運(yùn)動總是不會使右邊活塞移動，隔板是絕熱壁。(C)中左邊活塞的運(yùn)動可以使右邊活塞移動，隔板是導(dǎo)熱壁。導(dǎo)熱壁絕熱壁活塞不動活塞移動（B）（C）夾板（A）

(2）熱力學(xué)第零定律

如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡，則它們彼此也必定處于熱平衡。熱力學(xué)第零定律的表述:在不受外界影響的情況下，只要A和B同時(shí)與C處于熱平衡，即使A和B沒有熱接觸，它們?nèi)匀惶幱跓崞胶鉅顟B(tài)，這種規(guī)律也被稱為熱平衡定律。熱力學(xué)第零定律是從大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)中總結(jié)出來的。它不是不言而喻的大實(shí)話，為什么？例：A球隊(duì)贏了B球隊(duì)，B球隊(duì)贏了C球隊(duì)，但A球隊(duì)未必能贏C球隊(duì)，還要用實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)A隊(duì)和C球之間的關(guān)系。熱平衡定律是否勒（Fowler）于1939年提出的。它的出現(xiàn)比熱力學(xué)第一、第二定律晚，出于公理化的要求，它是兩個(gè)定律的前提。因?yàn)樗?dú)立于熱力學(xué)第一、第二、第三定律，但是它又不能被列在這三個(gè)定律之后，故稱它為熱力學(xué)第零定律。三、溫標(biāo)(2)經(jīng)驗(yàn)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、較顯著的改變，就可用這種屬性來計(jì)量溫度。

溫標(biāo)——溫度的數(shù)值表示法。1.溫標(biāo)的建立、經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)(1)要定量地確定溫度的數(shù)值，還必須給出例p=C，氣體或液體的體積隨T

↑→V↑V=C，氣體或液體的壓強(qiáng)隨T↑→p↑金屬絲的電阻隨T↑→R↑光強(qiáng)的亮度隨溫度T↑→亮度↑所以可有各種各樣的溫度計(jì)，也可有各種各樣的溫標(biāo)。這類溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)包含三個(gè)要素：1）測溫物質(zhì)和測溫屬性：選定作為標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)，如：氣體、固體；選定測溫物質(zhì)的某物理量作為標(biāo)記溫度的屬性。如：氣體的體積、壓強(qiáng)，固體的電阻、發(fā)光強(qiáng)度。要求：與溫度有單值的顯著的函數(shù)關(guān)系的物理量，并包括測溫曲線。測溫曲線一般是直線：（例如水銀的體積隨溫度變化）；2）固定標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)：規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的狀態(tài)及其溫度值。SI:水的三相點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，定為273.16K。對于水銀溫度計(jì)，若選用攝氏溫標(biāo)，則以冰的正常熔點(diǎn)定為0℃，水的正常沸點(diǎn)定為100℃。3)進(jìn)行分度，即對測溫屬性隨溫度的變化關(guān)系作出規(guī)定（攝氏溫標(biāo)規(guī)定0℃到100℃間等分為100小格，每一小格為1℃）。選擇不同測量物質(zhì)或不同測溫屬性所確定的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)并不嚴(yán)格一致。

兩種常用的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)在攝氏溫標(biāo)建立之前，1714年德國物理學(xué)家華倫海脫（Fahrenhit）也是利用了水銀體積隨溫度變化的屬性，建立了華氏溫標(biāo)（“tF”表示），這是世界上第一個(gè)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。他把氯化氨、冰、水混合物的熔點(diǎn)定為0℉，冰正常熔點(diǎn)定為32℉，并作均勻分度，由此定出水的正常沸點(diǎn)為212℉。a.華氏溫標(biāo)測溫物質(zhì)：水銀測溫屬性：水銀柱長度X定標(biāo)點(diǎn)：水的冰點(diǎn)：32°F水的沸點(diǎn)：212°F變化關(guān)系：b.攝氏溫標(biāo)1742年，攝爾西斯攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)t間的換算關(guān)系為選定1atm下水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，規(guī)定為0℃和100℃

2.理想氣體溫標(biāo)

以氣體為測溫物質(zhì)，利用理想氣體狀態(tài)方程中體積不變時(shí)壓強(qiáng)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)。理想氣體溫標(biāo)是根據(jù)氣體在極低壓強(qiáng)下所遵從的普遍規(guī)律來確定的，是利用氣體溫度計(jì)來定標(biāo)的。氣體溫度計(jì)分為定體氣體溫度計(jì)及定壓氣體溫度計(jì)兩種。常用的是定體氣體溫度計(jì)。定體氣體溫度計(jì):測溫物質(zhì)：氣體測溫屬性：氣體壓強(qiáng)固定點(diǎn)：水的三相點(diǎn)關(guān)系：

測溫泡毛細(xì)管保持在同一水平，目的使測溫泡中氣體的體積不變假設(shè)當(dāng)p=ptr

時(shí)，273.16=aptr

則常數(shù)a的確定：定壓氣體溫標(biāo)：T(V)=aV實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)，氣體溫度計(jì)的行為與物質(zhì)無關(guān)。理想氣體：分子有質(zhì)量無體積的體系為理想體系。理想氣體的性質(zhì)與物質(zhì)無關(guān)。無限稀薄的氣體是理想氣體。無論何種氣體，無論是定體還是定壓所建立的溫標(biāo)，在氣體壓強(qiáng)趨于零時(shí),都趨于一共同的極限值,這個(gè)極限值的溫標(biāo)為理想氣體溫標(biāo):氣體的液化點(diǎn)以下和高溫1000℃以上不適用最低溫度為1K,用氦為測溫質(zhì)課堂問題：(可以同學(xué)之間討論）1.給出熱力學(xué)平衡態(tài)的定義。并請選擇：A.課前你對本問題了解：0%,30%，50%，80%，100%？B.現(xiàn)在你對本問題了解：0%,30%，50%，80%，100%？2.判斷平衡態(tài)的方法是什么？簡述熱力學(xué)平衡條件。并請選擇：A.課前你對本問題了解：0%,30%，50