河北工程技術(shù)學(xué)院《大學(xué)物理-熱學(xué)》課件-緒論

熱學(xué)----緒論河北工程技術(shù)學(xué)院《大學(xué)物理-熱學(xué)》熱學(xué)的研究對象及內(nèi)容▲對象：宏觀物體（大量分子原子系統(tǒng)）或物體系

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熱力學(xué)系統(tǒng)。

▲內(nèi)容：與熱現(xiàn)象有關(guān)的性質(zhì)和規(guī)律。外界系統(tǒng)外界例如汽缸中的氣體：外界：熱力學(xué)系統(tǒng)以外的、與系統(tǒng)相關(guān)的其它物體。宏觀物體的微觀模型：大量微觀粒子（分子、原子等）組成的宏觀體系。微觀粒子體系的基本特征:(1)非常小。(2)微觀粒子數(shù)非常巨大.(3)粒子之間存在相互作用力--分子力.(4)分子或原子都以不同的速率不停地運(yùn)動(是雜亂無章的)。熱學(xué)的研究方法▲熱力學(xué)（thermodynamics）（宏觀方法）宏觀基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律熱現(xiàn)象規(guī)律邏輯推理特點(diǎn)：普遍性、可靠性。（但無法給出更本質(zhì)的解釋，且只能描述平均行為，無法描述漲落）▲統(tǒng)計(jì)力學(xué)（statisticalmechanics）（微觀方法）對微觀結(jié)構(gòu)提出模型、假設(shè)統(tǒng)計(jì)方法熱現(xiàn)象規(guī)律特點(diǎn)：可揭示本質(zhì)，描述漲落，但受模型局限。熱力學(xué)系統(tǒng)的各種分類按系統(tǒng)與外界交換特點(diǎn)分：孤立系統(tǒng)：與外界既無能量又無物質(zhì)交換的系統(tǒng)封閉系統(tǒng)：與外界只有能量交換而無物質(zhì)交換的系統(tǒng)開放系統(tǒng)：與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)絕熱系統(tǒng)：與外界沒有熱量交換的系統(tǒng)按系統(tǒng)組成的化學(xué)成分分：單元系：由一種化學(xué)成分組成的系統(tǒng)，如氧氣多元系：由多種化學(xué)成分組成的系統(tǒng)，如空氣按系統(tǒng)組成均勻性分：單相系：由單一均勻成分構(gòu)成的系統(tǒng)，如水、多相系：由多個(gè)均勻成分組合的系統(tǒng)，如水與水蒸汽組合的系統(tǒng)物態(tài)熱學(xué)的兩部分內(nèi)容:(1)熱力學(xué)：學(xué)習(xí)靜止物體的不同狀態(tài)、它們的能量差別，狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的規(guī)律等。

(為簡單起見，忽略與物體運(yùn)動，幾何變形等力學(xué)課中相關(guān)的東西)。(2)分子運(yùn)動論：學(xué)習(xí)分子運(yùn)動的某些規(guī)律和描述方法，

以及它們與熱力學(xué)之間的聯(lián)系。（分子：指組成物質(zhì)的微觀粒子。）具體內(nèi)容特點(diǎn)：以氣體為主，以氣體為例來學(xué)習(xí)相關(guān)概念和原理。其中的一些基本東西是普遍適用的，液體、固體等任何物體都必須遵守它。實(shí)際上，歷史上熱學(xué)的建立和發(fā)展與這個(gè)問題有過密切關(guān)系：如何將燃料通過燃燒化學(xué)反應(yīng)放出的"熱"更有效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能?（即熱能←→機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換效率。熱學(xué)因此與“能源”問題關(guān)系密切。）平衡態(tài)(equilibriumstate):

在無外界影響的條件下，系統(tǒng)所有可觀察的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變的狀態(tài)。非平衡態(tài):

不具備兩個(gè)平衡條件之一的系統(tǒng).設(shè)一容器，用隔板將其隔開,當(dāng)隔板右移時(shí)，分子向右邊擴(kuò)散在這過程中，各點(diǎn)密度、溫度等均不相同，這就是非平衡態(tài)。但隨著時(shí)間的推移….平衡條件:

(1)系統(tǒng)與外界在宏觀上無能量和物質(zhì)的交換，

(2)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變。終了(平衡態(tài))擴(kuò)散(非平衡態(tài))..............................開始隔板..............................抽去隔板...............................

需要保溫的原因是：系統(tǒng)可能會以你不容易察覺的方式偷偷地通過容器壁與外界交換著某種東西：熱=一種能量流動的模式。平衡態(tài)：孤立系統(tǒng)所長期維持的狀態(tài)。孤立：不受干擾，不與系統(tǒng)外的其它物質(zhì)發(fā)生任何關(guān)系（發(fā)生相互作用，或交換任何東西）。注意：“孤立=無相互作用”，“長期維持的狀態(tài)”，這兩個(gè)特色表明，“平衡態(tài)”概念與“慣性”運(yùn)動概念非常相似。實(shí)際上，平衡態(tài)概念在熱學(xué)中有著與慣性概念在力學(xué)中的同等重要地位?？梢哉f是熱學(xué)中的“慣性”狀態(tài)，是個(gè)安靜老實(shí)的狀態(tài)。？如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)平衡態(tài)，比如氣體？日常經(jīng)驗(yàn)告訴我們，除了要把它蓋嚴(yán)，讓它安靜地不受機(jī)械擾動外，還需要（1）盡量“絕對”地保溫，（2）有時(shí)還要耐心地等一段時(shí)間τ。（系統(tǒng)從非平衡態(tài)過渡到平衡態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間，叫弛豫時(shí)間）實(shí)驗(yàn)室里，絕熱=保溫，最常見的辦法是用:杜瓦瓶=開水瓶。因此，“用杜瓦瓶實(shí)現(xiàn)絕熱”的山寨版說法就是“用開水瓶保溫”。（1）平衡態(tài)是一種熱動平衡；處在平衡態(tài)的大量分子仍在作熱運(yùn)動，而且因?yàn)榕鲎玻總€(gè)分子的速度經(jīng)常在變，但是系統(tǒng)的宏觀量不隨時(shí)間改變。（2）平衡態(tài)是一種理想概念。兩點(diǎn)說明：系統(tǒng)所受外界影響可以略去，宏觀性質(zhì)只有很小變化時(shí)，可近似看作是平衡態(tài)。系統(tǒng)所受外界影響，且宏觀性質(zhì)不變化時(shí)，稱系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)。熱接觸：如果兩個(gè)(或多個(gè))系統(tǒng)之間的器壁不絕熱，它們之間可以傳熱，或?qū)幔瑒t稱之為"熱接觸"。熱接觸熱接觸的系統(tǒng)之間可以有能量傳遞。這種能量的流動方式稱作“熱量”，以區(qū)別于，比如，通過作“功”發(fā)生的機(jī)械能傳遞。熱平衡多個(gè)系統(tǒng)通過熱接觸實(shí)現(xiàn)的總熱平衡C物體（平衡態(tài)C’）A物體（平衡態(tài)A’）B物體（平衡態(tài)B’）熱接觸C物體（平衡態(tài)C）A物體（平衡態(tài)A）B物體（平衡態(tài)B）有三個(gè)平衡系統(tǒng)A，B，C讓它們熱接觸，并看作一總系統(tǒng)?？傁到y(tǒng)達(dá)到平衡后，各子系統(tǒng)的狀態(tài)A’,B’,C’，一般與原來的不同。如果與原來相同，A=A’,B=B’,C=C’,我們稱原來的三個(gè)系統(tǒng)處于

互相平衡(互為平衡)的狀態(tài)問題：兩個(gè)（或多個(gè)）平衡系統(tǒng)熱接觸后，是否還能保持原來(即接觸前)的平衡狀態(tài)？多個(gè)熱接觸系統(tǒng)的總熱平衡?？偀崞胶?。熱平衡態(tài)的傳遞性：第零定律。熱平衡態(tài)的傳遞性：如果A與B互相平衡，B與C互相平衡，那么一定有A與C也互相平衡。（熱力學(xué)第零定律）A與B互相平衡的意思是：雖然熱接觸允許它們之間作熱交換，但它們間實(shí)際上已沒有熱交換發(fā)生。問題：兩個(gè)（或多個(gè)）平衡系統(tǒng)熱接觸后，是否還能保持原來(即接觸前)的平衡狀態(tài)？C物體（平衡態(tài)C’）A物體（平衡態(tài)A’）B物體（平衡態(tài)B’）熱接觸C物體（平衡態(tài)C）A物體（平衡態(tài)A）B物體（平衡態(tài)B）引入溫度的目的：如何判斷平衡系統(tǒng)A、B是否互為平衡的，相差多遠(yuǎn)，如讓它們做熱接觸時(shí)，熱量將向何方向轉(zhuǎn)移？A物體（平衡態(tài)A）B物體（平衡態(tài)B）設(shè)有A，B兩個(gè)平衡系統(tǒng)。問題：如何方便地判斷它們是否還是互相平衡的？根據(jù)前面的“平衡可傳遞”原理，我們可用另一個(gè)“小”系統(tǒng)C，先讓它與A接觸并達(dá)到熱平衡態(tài)C，再讓它與B接觸，同時(shí)考察它的狀態(tài)是否發(fā)生了改變。C因此溫度完全是為了判斷熱接觸下不同物體之間還能不能維持原來的平衡態(tài)而引入的物理量。通過測量溫度的辦法，我們可不必讓不同物體作直接熱接觸，就能方便地判斷出如果它們作熱接觸后可獲得：狀態(tài)是否改變、熱量的傳遞方向等重要信息。A物體（平衡態(tài)A）B物體（平衡態(tài)B）根據(jù)前面的“平衡可傳遞”原理，我們可用另一個(gè)“小”系統(tǒng)C，先讓它與A接觸并達(dá)到熱平衡態(tài)C，再讓它與B接觸，同時(shí)考察它的狀態(tài)是否發(fā)生了改變。CC就是一個(gè)溫度計(jì)！（1）小是為了不干擾被測量的對象。（測量儀器）（2）我們能夠觀察它的狀態(tài)變化。如伴隨的幾何變化。最容易我們觀察和量度！如在其上標(biāo)上刻度，就可能定量地判斷許多與平衡態(tài)有關(guān)的東西！溫度的測量和標(biāo)定方法：溫度計(jì)的標(biāo)定：水的三相共存（熱平衡）狀態(tài)，沸點(diǎn)。攝氏，華氏，絕對溫標(biāo)。溫度計(jì)：材料有氣體或液體，量度材料的幾何變化。有許多材料可選擇，標(biāo)定后，在一定精度和范圍內(nèi)，能給出同樣溫度。標(biāo)定：水的三相共存（熱平衡）狀態(tài)，沸點(diǎn)。攝氏，華氏溫標(biāo)平衡態(tài)和它的可傳遞性質(zhì)是存在溫度概念的前提。測量和實(shí)驗(yàn)顯示，自然界的確存在溫度這個(gè)量。絕對溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的關(guān)系：問題是：需要標(biāo)定幾個(gè)點(diǎn)才行？早期：兩個(gè)現(xiàn)在：1個(gè)?。∫?yàn)橛薪^對零度這個(gè)極限狀態(tài)！國際上約定將水的三相共存（熱平衡）狀態(tài)標(biāo)定為273.15度。(以氣體溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn))符號T,單位K氣體的質(zhì)量，摩爾量、體積、壓力、化學(xué)組成。溫度是熱學(xué)領(lǐng)域建立的一個(gè)特別物理量，與熱平衡有密切關(guān)系。除此以外，描述平衡系統(tǒng)還有其它量：來自幾何測量，力學(xué)，化學(xué)，電磁學(xué)，等等。體積V質(zhì)量M壓力PE，DB，H化學(xué)組成（定組成定律）：M=M1+M2+M3+……混合氣體的分子組分，分子數(shù)目：N=N1+N2+N3+……因?yàn)镹等很大,通常用NA=6.022×1023

做他們的單位，稱摩爾量（數(shù)）。（氣，液那樣的流體，平衡時(shí)只有壓力。固體平衡時(shí)還有剪力）各組分分子的質(zhì)量（分子量）：質(zhì)量密度分子數(shù)密度物態(tài)方程(狀態(tài)方程)當(dāng)單相系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，描述其性質(zhì)的宏觀物理量叫狀態(tài)參量；這些狀態(tài)參量間存在一定的函數(shù)關(guān)系，稱之為狀態(tài)方程。對單組分氣體，阿伏加德羅發(fā)現(xiàn)：相同溫度，壓強(qiáng)和摩爾數(shù)的不同氣體都有同樣的體積。

C=nRR是和氣體材料都無關(guān)的常數(shù)(普適氣體常數(shù)).如對一定質(zhì)量的處于平衡狀態(tài)的簡單氣體，發(fā)現(xiàn)反映其宏觀性質(zhì)的量是

P、V和T。

分析綜合后有：PV=CT其中C是常數(shù)，與氣體量成正比。

波意爾定律：溫度固定時(shí)，PV=const.呂薩克定律：壓強(qiáng)固定時(shí)，V~T查理定律：體積固定時(shí)，P~T的極限下才可能嚴(yán)格成立。當(dāng)然這只是一個(gè)理想的極限，實(shí)際情況總會有些偏差。因此這個(gè)狀態(tài)方程被稱為理想氣體狀態(tài)方程。當(dāng)密度較大時(shí)，與理想氣體狀態(tài)方程的偏離會很大。這時(shí)應(yīng)該尋找它的改善辦法仔細(xì)的測量顯示，氣體越稀?。╪越小），它們的近似程度越好。現(xiàn)在人們相信它們只在

。

例題氧氣瓶的壓強(qiáng)降到106Pa即應(yīng)重新充氣，以免混入其他氣體而需洗瓶。今有一瓶氧氣，容積為32L，壓強(qiáng)為1.3107Pa，若每天用105Pa的氧氣400L，問此瓶氧氣可供多少天使用？設(shè)使用時(shí)溫度不變。解:根據(jù)題意，可確定研究對象為原來氣體、用去氣體和剩余氣體，設(shè)這三部分氣體的狀態(tài)參量分別為使用時(shí)的溫度為T分別對它們列出狀態(tài)方程，有設(shè)可供x天使用，則有：原有M1每天用量(M2)剩余M3一自行車輪胎，在溫度為00C時(shí)打入空氣，直到胎內(nèi)壓強(qiáng)1.5atm.(1)由于摩擦與日曬，車胎溫度升高到300C，問此時(shí)輪胎內(nèi)壓強(qiáng)為多少？(2)在騎車過程中，胎被刺破一小洞而漏氣，問當(dāng)自行車停下胎的溫度又降至00C時(shí)，胎內(nèi)漏掉的氣體是原有氣體的百分之幾？解:(1)設(shè)自行車輪胎體積為V0,壓強(qiáng)P0=1.5atm,T0=273K,T=303K.胎被刺破前，胎內(nèi)空氣的質(zhì)量一定，故可由(2)車胎漏氣，由于車胎內(nèi)氣體壓強(qiáng)最終要與大氣壓相等，即P1=1.0atm,T1=T0=273K.設(shè)此時(shí)胎內(nèi)空氣質(zhì)量為M,漏氣