太原理工大學(xué)物理李孟16751熱力學(xué)平衡的基本概念

1、太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 熱學(xué)是研究自然界中物質(zhì)與冷熱有關(guān)的性質(zhì)及熱學(xué)是研究自然界中物質(zhì)與冷熱有關(guān)的性質(zhì)及這些性質(zhì)變化的規(guī)律。這些性質(zhì)變化的規(guī)律。 第二篇第二篇 熱學(xué)熱學(xué)一、研究對(duì)象一、研究對(duì)象由大量分子或原子組成的宏觀物體由大量分子或原子組成的宏觀物體對(duì)象的特征：對(duì)象的特征：大量無規(guī)運(yùn)動(dòng)的粒子組成。大量無規(guī)運(yùn)動(dòng)的粒子組成。研究對(duì)象：研究對(duì)象：熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)外的物體稱系統(tǒng)外的物體稱外界外界 molna/10023. 623阿伏伽德羅常數(shù)阿伏伽德羅常數(shù)太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系一個(gè)人每次呼吸氣體大約是一個(gè)人每次呼吸氣體大約是1022個(gè)分子。個(gè)分子。地球上全部大氣約

2、有地球上全部大氣約有1044個(gè)分子。個(gè)分子。宇宙年齡為宇宙年齡為160160億年。億年。1 1年年 = = 36586400秒秒107秒。秒。160億億年年 1017秒。秒。 “宇宙人宇宙人”1 1秒數(shù)秒數(shù)100100個(gè)分子個(gè)分子1017秒秒數(shù)數(shù)1019個(gè)分子個(gè)分子不夠人呼吸一次不夠人呼吸一次熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)分子數(shù)量巨大，例熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)分子數(shù)量巨大，例“宇宙人宇宙人”數(shù)分子數(shù)分子太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 微觀描述方法從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，微觀描述方法從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，用用統(tǒng)計(jì)平均統(tǒng)計(jì)平均的方法，研究熱現(xiàn)象及規(guī)律的微的方法，研究熱現(xiàn)象及規(guī)律的微觀本質(zhì)。觀本質(zhì)。 1.1.微觀描述方法微

3、觀描述方法-統(tǒng)計(jì)物理方法統(tǒng)計(jì)物理方法 描述一個(gè)微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量稱微觀量。描述一個(gè)微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量稱微觀量。如分子質(zhì)量、速度、位置、能量如分子質(zhì)量、速度、位置、能量微觀量一般不能直接用儀器測(cè)量微觀量一般不能直接用儀器測(cè)量二、熱學(xué)的研究方法二、熱學(xué)的研究方法太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)從整體上加以描述的方法對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)從整體上加以描述的方法稱為稱為宏觀描述宏觀描述。2.2.宏觀描述方法宏觀描述方法-熱力學(xué)方法熱力學(xué)方法3.3.宏觀方法和微觀方法的關(guān)系宏觀方法和微觀方法的關(guān)系1 1）宏觀量和微觀量之間的關(guān)系）宏觀量和微觀量之間的關(guān)系宏觀量可以直接用儀

4、器測(cè)量宏觀量可以直接用儀器測(cè)量如體積、壓強(qiáng)、溫度、內(nèi)能如體積、壓強(qiáng)、溫度、內(nèi)能 表征系統(tǒng)狀態(tài)和屬性的物理量稱表征系統(tǒng)狀態(tài)和屬性的物理量稱宏觀量。宏觀量。 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系例氣體的壓強(qiáng)例氣體的壓強(qiáng)-單位面積上的正壓力單位面積上的正壓力 微觀上：微觀上：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)作用在單位面積上的沖量，單位時(shí)間內(nèi)作用在單位面積上的沖量，千變?nèi)f化。千變?nèi)f化。 宏觀上：宏觀上：有確定的測(cè)量值。有確定的測(cè)量值。2 2）宏觀方法和微觀方法之間的關(guān)系）宏觀方法和微觀方法之間的關(guān)系 兩種方法相輔相成、互相補(bǔ)充。兩種方法相輔相成、互相補(bǔ)充。宏觀量是相應(yīng)的微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值宏觀量是相應(yīng)的微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值太原

5、理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系一、平衡態(tài)一、平衡態(tài) 在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變的狀態(tài)隨時(shí)間改變的狀態(tài)( (熱動(dòng)平衡熱動(dòng)平衡) )。5-1 5-1 熱力學(xué)平衡的基本概念熱力學(xué)平衡的基本概念第五章第五章 氣體分子動(dòng)理論氣體分子動(dòng)理論二、狀態(tài)參量二、狀態(tài)參量 確定熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)的物理量稱為系統(tǒng)的確定熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)的物理量稱為系統(tǒng)的狀狀態(tài)參量。態(tài)參量。 系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，可以用體積系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，可以用體積v、壓強(qiáng)、壓強(qiáng)p、溫、溫度度t這幾個(gè)宏觀狀態(tài)參量來描述這幾個(gè)宏觀狀態(tài)參量來描述.太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系1.體積體積v 氣

6、體分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)能達(dá)到的空間稱為氣體氣體分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)能達(dá)到的空間稱為氣體的體積的體積.在在si中中,單位是立方米單位是立方米. 1l=10-3m3在在si中中,單位單位:帕斯卡帕斯卡(pa)1pa=1nm-21 atm = 1.013 105pa = 760mmhg2.壓強(qiáng)壓強(qiáng)p 大量氣體分子與器壁碰撞大量氣體分子與器壁碰撞,器壁單位面積所受器壁單位面積所受的正壓力的正壓力.太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系3.溫度溫度 氣體的溫度，宏觀上表現(xiàn)為氣體的冷熱程度，氣體的溫度，宏觀上表現(xiàn)為氣體的冷熱程度，而微觀上看它表示的是分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。而微觀上看它表示的是分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。兩

7、物體冷熱程度不同兩物體冷熱程度不同過一段時(shí)間能量傳遞終止過一段時(shí)間能量傳遞終止達(dá)到一個(gè)共同的平衡態(tài)達(dá)到一個(gè)共同的平衡態(tài)-熱平衡態(tài)熱平衡態(tài)qab溫度的數(shù)值表示叫溫度的數(shù)值表示叫溫標(biāo)溫標(biāo).太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)的關(guān)系攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)的關(guān)系15.273tt攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的關(guān)系攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的關(guān)系)c(5932)f(00ttf熱力學(xué)零度是不可能達(dá)到的。熱力學(xué)零度是不可能達(dá)到的。平衡態(tài)下狀態(tài)參量不隨時(shí)間變化平衡態(tài)下狀態(tài)參量不隨時(shí)間變化. .太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系三、理想氣體狀態(tài)方程三、理想氣體狀態(tài)方程 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于一定

8、的系統(tǒng)，在平衡態(tài)下，狀定的系統(tǒng)，在平衡態(tài)下，狀態(tài)參量滿足一定的關(guān)系。這態(tài)參量滿足一定的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系稱個(gè)關(guān)系稱狀態(tài)方程。狀態(tài)方程。 0),(vptf1. 1. 狀態(tài)方程的概念狀態(tài)方程的概念氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程pvo),(111tvp),(222tvp太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系玻意耳玻意耳- -馬略特定律馬略特定律pv=constant蓋蓋呂薩克定律呂薩克定律v/t=constant查理定律查理定律p/t=constantt不變不變p不變不變v不變不變實(shí)驗(yàn)定律實(shí)驗(yàn)定律2 2. 理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體：理想氣體：遵守三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律的氣體遵守三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律的氣體

9、. .太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系設(shè)理想氣體的質(zhì)量為設(shè)理想氣體的質(zhì)量為m，摩爾質(zhì)量為，摩爾質(zhì)量為mmol由三條實(shí)驗(yàn)定律導(dǎo)出理想氣體的狀態(tài)方程由三條實(shí)驗(yàn)定律導(dǎo)出理想氣體的狀態(tài)方程rtmmpvmolr r稱摩爾氣體常量，稱摩爾氣體常量，sisi制中制中j/k.mol318.r 設(shè)設(shè)m質(zhì)量的氣體包含質(zhì)量的氣體包含 n個(gè)分子，每個(gè)分子質(zhì)量個(gè)分子，每個(gè)分子質(zhì)量 mnmm 氣體質(zhì)量氣體質(zhì)量太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系可得到理想氣體狀態(tài)方程的另一形式可得到理想氣體狀態(tài)方程的另一形式nktp mnmamol氣體的氣體的摩爾質(zhì)量摩爾質(zhì)量anrk j/k1038. 123 玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)vnn 分子數(shù)密度分子數(shù)密度 太原理工大學(xué)物理系太原理工大學(xué)物理系 熱力學(xué)過程：熱力學(xué)過程：熱力學(xué)系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一熱力學(xué)系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài) ,稱為熱力學(xué)過程。稱為熱力學(xué)過程。平衡態(tài)平衡態(tài)1 1 非平衡態(tài)非平衡態(tài)平衡態(tài)平衡態(tài)2 2太原理工大