熱學(xué)-李偆版-緒論課件

熱學(xué)-李偆版-緒論熱學(xué)的定義熱學(xué)研究什么？熱學(xué)是研究熱現(xiàn)象及其規(guī)律的物理學(xué)分支，它主要研究溫度、熱量、熱力學(xué)和熱傳遞等物理量和過(guò)程，以及它們與物質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系。熱學(xué)是物理學(xué)的重要組成部分，它為研究其他領(lǐng)域，例如化學(xué)、生物、材料科學(xué)、地球科學(xué)和工程學(xué)等提供了理論基礎(chǔ)。熱學(xué)的意義熱學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)、能源利用、環(huán)境保護(hù)、生命科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都具有重要意義。它幫助我們理解和利用熱能，開(kāi)發(fā)新能源技術(shù)，解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，并為醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域提供技術(shù)支持。熱學(xué)的研究對(duì)象熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)是指我們研究的物體或物體系，它可以是簡(jiǎn)單的氣體、液體或固體，也可以是復(fù)雜的機(jī)器、生物體或宇宙。熱力學(xué)過(guò)程熱力學(xué)過(guò)程是指熱力學(xué)系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)的過(guò)程，例如氣體的膨脹、水的沸騰、冰的融化等等。熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)是指用來(lái)描述熱力學(xué)系統(tǒng)的物理量，例如溫度、壓強(qiáng)、體積、熱量、熵、吉布斯自由能等等。熱力學(xué)定律熱力學(xué)定律是熱學(xué)研究的基石，它們描述了熱力學(xué)系統(tǒng)中的基本規(guī)律，例如能量守恒定律、熵增定律等等。熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1古代人類很早就認(rèn)識(shí)到熱能，并利用它來(lái)烹飪、取暖和冶煉金屬。古埃及人已經(jīng)使用水力車和風(fēng)力車來(lái)獲取能量。古希臘人對(duì)熱現(xiàn)象進(jìn)行了初步的觀察和研究，例如畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為熱是物質(zhì)的一種屬性，亞里士多德認(rèn)為熱是一種運(yùn)動(dòng)形式。2文藝復(fù)興文藝復(fù)興時(shí)期，人們開(kāi)始用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究熱現(xiàn)象。伽利略發(fā)明了溫度計(jì)，牛頓提出了熱傳導(dǎo)定律。這些研究為熱學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。3近代18世紀(jì)末，瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，標(biāo)志著熱力學(xué)研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段?？ㄖZ提出了卡諾循環(huán)，為熱力學(xué)第二定律奠定了基礎(chǔ)。4現(xiàn)代19世紀(jì)末，熱力學(xué)研究取得了重大進(jìn)展，例如吉布斯建立了熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，開(kāi)創(chuàng)了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。溫度概念的發(fā)展感知溫度人類最初通過(guò)觸覺(jué)感知溫度，例如將手放在物體上，判斷其冷熱。感官測(cè)量古代人們利用感官來(lái)測(cè)量溫度，例如將手放入水中，判斷水溫。工具測(cè)量伽利略發(fā)明了第一個(gè)溫度計(jì)，它利用液體膨脹來(lái)測(cè)量溫度?？茖W(xué)定義隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)溫度的概念有了更深入的理解，并將其定義為物質(zhì)微觀粒子平均動(dòng)能的反映。溫度單位和溫度計(jì)攝氏度(°C)攝氏度是國(guó)際上通用的溫度單位，它以水的冰點(diǎn)為0度，沸點(diǎn)為100度。華氏度(°F)華氏度是另一種常用的溫度單位，它以水的冰點(diǎn)為32度，沸點(diǎn)為212度。開(kāi)爾文(°K)開(kāi)爾文是熱力學(xué)溫度單位，它是國(guó)際單位制（SI）的溫度單位。它以絕對(duì)零度為零度，水的冰點(diǎn)為273.15開(kāi)爾文。溫度的測(cè)量和計(jì)量單位1溫度計(jì)溫度計(jì)是一種測(cè)量溫度的儀器，它利用物質(zhì)的熱膨脹或電阻變化來(lái)指示溫度。2溫度測(cè)量溫度測(cè)量是指使用溫度計(jì)測(cè)量物體的溫度，并以相應(yīng)的計(jì)量單位表示。3溫度計(jì)量單位溫度計(jì)量單位是指用來(lái)表示溫度的單位，例如攝氏度、華氏度、開(kāi)爾文等等。物質(zhì)的熱容概念1熱量熱量是指物體在熱傳遞過(guò)程中所吸收或放出的能量，它是一個(gè)過(guò)程量，而不是狀態(tài)量。2熱容熱容是指物體溫度升高1攝氏度（或1開(kāi)爾文）所吸收的熱量，它是物質(zhì)的熱性質(zhì)之一。3比熱容比熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1攝氏度（或1開(kāi)爾文）所吸收的熱量，它是物質(zhì)的特性之一。物質(zhì)的熱膨脹現(xiàn)象1熱膨脹當(dāng)物體溫度升高時(shí)，其體積會(huì)膨脹，這種現(xiàn)象稱為熱膨脹。2熱脹冷縮大多數(shù)物質(zhì)在溫度升高時(shí)膨脹，溫度降低時(shí)收縮，這種現(xiàn)象稱為熱脹冷縮。3膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)是描述物質(zhì)熱膨脹程度的物理量，它反映了物質(zhì)在溫度變化1攝氏度時(shí)體積或長(zhǎng)度的變化量。熱膨脹系數(shù)和影響因素?zé)崤蛎浵禂?shù)熱膨脹系數(shù)是描述物質(zhì)熱膨脹程度的物理量，它反映了物質(zhì)在溫度變化1攝氏度時(shí)體積或長(zhǎng)度的變化量。影響因素物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)受多種因素影響，例如物質(zhì)的種類、溫度、壓強(qiáng)等。不同物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同，例如金屬的熱膨脹系數(shù)通常比液體和氣體大得多。相變現(xiàn)象及相變熱氣體的熱力學(xué)性質(zhì)氣體的狀態(tài)氣體的狀態(tài)由溫度、壓強(qiáng)和體積三個(gè)物理量決定。氣體的性質(zhì)氣體具有可壓縮性和流動(dòng)性，它能夠填充任何形狀的容器，并能被壓縮成更小的體積。氣體狀態(tài)方程理想氣體理想氣體是指理想情況下，氣體分子之間沒(méi)有相互作用力的氣體，其狀態(tài)方程為PV=nRT。實(shí)際氣體實(shí)際氣體是指真實(shí)存在的氣體，其分子之間存在相互作用力，因此實(shí)際氣體的狀態(tài)方程比理想氣體狀態(tài)方程更為復(fù)雜。范德瓦爾斯方程范德瓦爾斯方程是一種修正的實(shí)際氣體狀態(tài)方程，它考慮了氣體分子之間的相互作用力和分子本身的體積。氣體狀態(tài)變化的功和熱1功氣體在膨脹或壓縮過(guò)程中，會(huì)對(duì)環(huán)境做功或環(huán)境對(duì)氣體做功。2熱氣體在溫度變化過(guò)程中，會(huì)吸收或放出熱量。3熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律表明，氣體狀態(tài)變化過(guò)程中吸收的熱量等于氣體內(nèi)部能量的增加和氣體對(duì)環(huán)境所做的功的總和。理想氣體和實(shí)際氣體1理想氣體理想氣體是指理想情況下，氣體分子之間沒(méi)有相互作用力的氣體，它是一個(gè)理論模型，用于簡(jiǎn)化氣體的研究。2實(shí)際氣體實(shí)際氣體是指真實(shí)存在的氣體，其分子之間存在相互作用力，因此實(shí)際氣體的性質(zhì)比理想氣體更復(fù)雜。3理想氣體和實(shí)際氣體的區(qū)別理想氣體和實(shí)際氣體之間的主要區(qū)別在于分子之間的相互作用力。理想氣體假設(shè)分子之間沒(méi)有相互作用力，而實(shí)際氣體則考慮了分子之間的吸引力和排斥力。氣體分子運(yùn)動(dòng)理論分子熱運(yùn)動(dòng)氣體分子處于永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)中，這種運(yùn)動(dòng)稱為分子熱運(yùn)動(dòng)。分子動(dòng)能由于分子熱運(yùn)動(dòng)，氣體分子具有動(dòng)能，稱為分子動(dòng)能。分子勢(shì)能氣體分子之間存在相互作用力，因此它們也具有勢(shì)能，稱為分子勢(shì)能。氣體的溫度氣體的溫度是反映氣體分子平均動(dòng)能大小的物理量。分子動(dòng)能理論1平均動(dòng)能氣體分子的平均動(dòng)能與氣體的溫度成正比。2氣體壓強(qiáng)氣體壓強(qiáng)是由氣體分子撞擊容器壁產(chǎn)生的，它與氣體分子的平均動(dòng)能成正比。3氣體體積氣體的體積與氣體分子的平均動(dòng)能和氣體分子的數(shù)量成正比。分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)1麥克斯韋速度分布在一定溫度下，氣體分子速度分布服從麥克斯韋速度分布規(guī)律，即不同速度的分子在氣體中所占比例不同。2統(tǒng)計(jì)平均氣體分子的平均動(dòng)能、平均速度等物理量是通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到的。3統(tǒng)計(jì)漲落由于分子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，氣體分子的速度、動(dòng)能等物理量會(huì)發(fā)生微小的漲落，這種現(xiàn)象稱為統(tǒng)計(jì)漲落。分子的平均自由程1自由程分子在兩次碰撞之間所經(jīng)過(guò)的距離稱為自由程。2平均自由程平均自由程是指分子在一定時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過(guò)的自由程的平均值。3影響因素平均自由程與氣體分子的密度、大小和溫度有關(guān)。分子密度越高，分子大小越大，溫度越低，平均自由程越短。氣體分子的碰撞過(guò)程彈性碰撞在理想氣體中，分子之間的碰撞是彈性碰撞，即碰撞前后動(dòng)能守恒。非彈性碰撞在實(shí)際氣體中，分子之間的碰撞可能是非彈性碰撞，即碰撞前后動(dòng)能不守恒，部分動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。氣體的粘滯性質(zhì)粘滯性粘滯性是指流體抵抗剪切變形的能力。粘滯系數(shù)粘滯系數(shù)是描述流體粘滯程度的物理量，它反映了流體在剪切變形時(shí)抵抗運(yùn)動(dòng)的程度。氣體的導(dǎo)熱性質(zhì)導(dǎo)熱導(dǎo)熱是指熱量在物體內(nèi)部通過(guò)分子熱運(yùn)動(dòng)傳遞的過(guò)程。導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是描述物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物理量，它反映了物質(zhì)在溫度梯度下傳遞熱量的能力。熱傳導(dǎo)方程熱傳導(dǎo)方程描述了熱量在物體內(nèi)部的傳遞規(guī)律。物質(zhì)內(nèi)部的熱量傳輸熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是指熱量在物體內(nèi)部通過(guò)分子熱運(yùn)動(dòng)傳遞的過(guò)程，例如用金屬勺子舀熱湯，勺子會(huì)逐漸變熱。熱對(duì)流熱對(duì)流是指熱量通過(guò)流體的流動(dòng)來(lái)傳遞的過(guò)程，例如開(kāi)水鍋中的水會(huì)向上流動(dòng)，而冷水會(huì)向下流動(dòng)，從而使水均勻受熱。熱輻射熱輻射是指熱量通過(guò)電磁波來(lái)傳遞的過(guò)程，例如太陽(yáng)輻射到地球的熱量。熱的傳導(dǎo)機(jī)理和導(dǎo)熱系數(shù)1傳導(dǎo)機(jī)理熱的傳導(dǎo)是通過(guò)物體內(nèi)部分子之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，溫度高的分子會(huì)將能量傳遞給溫度低的分子，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。2導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是指物質(zhì)在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，它反映了物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。3影響因素物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)受多種因素影響，例如物質(zhì)的種類、溫度、密度、結(jié)構(gòu)等。導(dǎo)熱過(guò)程中的邊界條件溫度邊界條件溫度邊界條件是指物體邊界上的溫度分布，例如物體與環(huán)境之間的溫度差。熱流邊界條件熱流邊界條件是指物體邊界上的熱流密度，例如物體表面接收的熱量。對(duì)流邊界條件對(duì)流邊界條件是指物體邊界上的對(duì)流換熱系數(shù)，它反映了物體表面與流體之間的熱交換能力。熱的對(duì)流傳遞機(jī)理1對(duì)流對(duì)流是指熱量通過(guò)流體的流動(dòng)來(lái)傳遞的過(guò)程，例如開(kāi)水鍋中的水會(huì)向上流動(dòng)，而冷水會(huì)向下流動(dòng)，從而使水均勻受熱。2自然對(duì)流自然對(duì)流是指由于溫度差引起的流體流動(dòng)，例如熱氣球上升。3強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流是指通過(guò)外力來(lái)驅(qū)動(dòng)流體的流動(dòng)，例如風(fēng)扇吹風(fēng)。自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流1自然對(duì)流自然對(duì)流是指由于溫度差引起的流體流動(dòng)，例如熱氣球上升。2強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流是指通過(guò)外力來(lái)驅(qū)動(dòng)流體的流動(dòng)，例如風(fēng)扇吹風(fēng)。3影響因素自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的效率受多種因素影響，例如溫度差、流體的性質(zhì)、流體速度等。輻射熱的基本定律1黑體輻射黑體是指能夠完全吸收所有入射輻射的物體，它也是最好的熱輻射體。2斯特藩-玻爾茲曼定律斯特藩-玻爾茲曼定律描述了黑體輻射能量與溫度之間的關(guān)系，即黑體輻射能量與溫度的四次方成正比。3維恩位移定律維恩位移定律描述了黑體輻射能量的峰值波長(zhǎng)與溫度之間的關(guān)系，即峰值波長(zhǎng)與溫度成反比。太陽(yáng)輻射對(duì)地球的影響太陽(yáng)