第一章溫度2課件

§1.1熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參量、平衡態(tài)一、熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）：被確定為研究對象的物體或物體系，或熱學(xué)所研究的對象。孤立系統(tǒng)：與外界既不交換物質(zhì)又不交換能量的系統(tǒng)外界：系統(tǒng)邊界外部封閉系統(tǒng)：與外界不交換物質(zhì)但可交換能量的系統(tǒng)開放系統(tǒng)：與外界既交換物質(zhì)又交換能量的系統(tǒng)熱力學(xué)與力學(xué)的區(qū)別熱力學(xué)參量：壓強(qiáng)、體積、溫度等熱力學(xué)的目的：基于熱力學(xué)的基本定律力學(xué)的目的：基于牛頓定律（力學(xué)參量）二、平衡態(tài)與非平衡態(tài)1、平衡態(tài)真空孤立系統(tǒng)

在不受外界條件影響下，經(jīng)過足夠長時(shí)間后系統(tǒng)必將達(dá)到一個(gè)宏觀上看來不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做平衡態(tài)。平衡態(tài)的特點(diǎn)1）單一性（p，T處處相等);2）物態(tài)的穩(wěn)定性——與時(shí)間無關(guān)；3）自發(fā)過程的終點(diǎn)；4）熱動(dòng)平衡（有別于力平衡）.2、非平衡態(tài)

在自然界中，平衡態(tài)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。三、熱力學(xué)平衡熱力學(xué)呈現(xiàn)平衡態(tài)的條件無熱流：熱學(xué)平衡條件，系統(tǒng)內(nèi)部溫度處處相等。無粒子流：力學(xué)平衡條件，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，通常情況下反映為壓強(qiáng)處處相等?；瘜W(xué)平衡：化學(xué)平衡條件，即在無外場下系統(tǒng)各部分的化學(xué)組成應(yīng)是處處相等。平衡態(tài)可以用P、V、T圖來表示。只要上述三個(gè)條件一個(gè)得不到滿足，就是非平衡態(tài)，不能用P、V、T圖來表示。*§1.2溫度與溫度計(jì)一、溫度日常生活中，常用溫度來表示冷熱的程度在微觀上，則必須說明，溫度是處于熱平衡系統(tǒng)的微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱程度的度量§1.2溫度與溫度計(jì)二、熱力學(xué)第零定律1、絕熱壁與導(dǎo)熱壁2、熱力學(xué)第零定律ACBACBACB絕熱壁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沒有接觸，它們?nèi)匀惶幱跓崞胶鉅顟B(tài)，這種規(guī)律被稱為熱力學(xué)第零定律。3、熱力學(xué)第零定律的物理意義互為熱平衡的物體之間必存在一個(gè)相同的特征，即它們的溫度是相同的。第零定律不僅給出了溫度的概念，而且指出了判別溫度是否相同的方法。溫度計(jì)三、溫標(biāo)（一）溫標(biāo)的定義及建立1、溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示法（溫度的量化）2、溫標(biāo)的建立水銀攝氏溫度計(jì)液態(tài)水銀的體積變化來反映溫度變化標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下：冰水混合物溫度為0度沸水溫度為100度體積的變化與溫度成線性關(guān)系推廣選定測溫屬性選定固定點(diǎn)(參考點(diǎn))規(guī)定變化關(guān)系（線性關(guān)系）建立溫標(biāo)的三要素三、溫標(biāo)溫度計(jì)測溫屬性定容氣體溫度計(jì)氣體壓強(qiáng)定壓氣體溫度氣體體積鉑電阻溫度計(jì)電阻熱電偶溫度計(jì)熱電動(dòng)勢液體溫度液柱長度薄膜溫度計(jì)變色等討論：？攝氏溫標(biāo)的同一性常用攝氏溫度計(jì)020406080100120△t/℃t/℃氫定容溫度計(jì)水銀溫度計(jì)鉑電阻溫度計(jì)二氧化碳定壓總結(jié)：1、各種攝氏溫標(biāo)除了所選固定點(diǎn)，都不存在同一性；2、規(guī)定了一種測溫屬性與溫度是線性關(guān)系，則其他屬性就不一定是嚴(yán)格線性關(guān)系；3、各種攝氏溫標(biāo)需要標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)校準(zhǔn)——理想氣體溫標(biāo)；三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)1、氣體溫度計(jì)：定容氣體溫度計(jì)：V一定；T(p)定壓氣體溫度計(jì)：p一定；T(V)三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)2、定容氣體溫標(biāo)建立：

測溫屬性

一定質(zhì)量氣體在定容下的壓強(qiáng)

固定點(diǎn)水的三相點(diǎn)——273.16K

線性關(guān)系確定系數(shù)a:2溫標(biāo)(三)理想氣體溫標(biāo)2、定容氣體溫標(biāo)討論:?同一性以測溫泡內(nèi)的氣體作為研究對象氣體質(zhì)量與同一性?氣體種類與同一性?結(jié)論:

同一氣體,ptr↓,△T↓;ptr→0,△T→0不同氣體,ptr→0,△T→0當(dāng)ptr→0時(shí),定容氣體溫標(biāo)與氣體種類及質(zhì)量無關(guān)空氣N2O2H220040060080010000ptr/mmHg0.2△T/K0.4-0.20三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)3、定壓氣體溫標(biāo)建立討論:?同一性NeN2H2結(jié)論:同一氣體,p↓,△T↓;p→0,△T→0不同氣體,p→0,△T→0當(dāng)p→0時(shí),定壓氣體溫標(biāo)與氣體種類及質(zhì)量無關(guān)2004006008001000p/mmHg△T/K0-0.10三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)4、定壓與定容氣體溫標(biāo)討論:?同一性Ne(p)N2(p)H2(p)結(jié)論:

當(dāng)p→0時(shí),定容和定壓氣體溫標(biāo)與氣體種類及質(zhì)量無關(guān),趨于同一個(gè)極限值.2004006008001000p,ptr/mmHg△T/K0-0.10Ne(V)H2(V)N2(V)三、溫標(biāo)(二)理想氣體溫標(biāo)結(jié)論:

1、理想氣體溫標(biāo)與氣體種類(即氣體個(gè)性)無關(guān),但依賴于氣體的共性.2、對于極低溫度（氣體液化）和極高溫度（≥1000℃）不適用OrOrOr三、溫標(biāo)(三)熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)（開爾文溫標(biāo)）——是一種不依賴于測溫物質(zhì)和測溫屬性的溫標(biāo)熱力學(xué)溫度，符號：T；單位：開（爾文），K；定義：1開等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。結(jié)論:

1、熱力學(xué)溫標(biāo)是最基本的溫標(biāo)；是一種理想溫標(biāo)；2、理想氣體溫標(biāo)在其適應(yīng)的范圍，與熱力學(xué)溫標(biāo)一致，為可實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)。三、溫標(biāo)(四)攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)：符號，t；單位：攝氏度（℃）；定義：華氏溫標(biāo):符號，tF；單位：華氏度（℉）；定義:實(shí)用溫度計(jì)簡介膨脹測溫法：玻璃液體溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)壓力測溫法：壓力表式溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)電磁學(xué)測溫法：電阻溫度計(jì)、溫差熱電偶溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫度計(jì)、頻率溫度計(jì)輻射測溫法：光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)聲學(xué)測溫法：聲學(xué)溫度計(jì)、噪聲溫度計(jì)課堂練習(xí)題:道爾頓提出一種溫標(biāo)：規(guī)定在給定的壓強(qiáng)下理想氣體體積的相對增量正比于溫度的增量，采用在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)水的冰點(diǎn)溫度為0攝氏度，沸點(diǎn)溫度為100攝氏度。試用攝氏溫度t來表示道爾頓溫標(biāo)的溫度。

解:

設(shè)理想氣體的壓強(qiáng)一定時(shí),溫度的增量為da,相應(yīng)的體積的相對增量為△V/V,比例系數(shù)為α,則按規(guī)定有:完成上式得積分,參考點(diǎn),則任意溫度下:

理想氣體攝氏溫標(biāo):

綜上,&參考點(diǎn)選擇:20

§1.3物態(tài)方程一、物態(tài)方程平衡態(tài)

把處于平衡態(tài)的某種物質(zhì)的熱力學(xué)參量（如壓強(qiáng)、體積、溫度）之間所滿足的函數(shù)關(guān)系稱為該物質(zhì)的物態(tài)方程或稱狀態(tài)方程。二、玻意耳定律二、理想氣體物態(tài)方程

在氣體壓強(qiáng)趨近于零的極限情況下，可以引入理想氣體溫標(biāo)的定義，并且這時(shí)玻意耳定律和阿伏伽德羅定律都嚴(yán)格成立，據(jù)此，就能導(dǎo)出理想氣體物態(tài)方程。對于定壓氣體溫度計(jì)有

V(T)=VtrT(V)/273.16K.用此溫度計(jì)內(nèi)氣體的壓強(qiáng)(即ptr)乘上式兩端可得ptrV(T)=ptrVtrT(V)/273.16K

=ptr(

vtr)T(V)/273.16K

=

(ptrvtr

/273.16K)T(V).

三、理想氣體物態(tài)方程在等溫條件下隨意將此溫度計(jì)內(nèi)氣體的壓強(qiáng)和體積分別改變?yōu)槿我庵祊和V，則由玻意耳定律可知

pV=ptrV(T)

=

(ptrvtr

/273.16K)T(V).

在氣體壓強(qiáng)趨近于零的極限情況下，按照理想氣體溫標(biāo)的定義，T(V)將趨近于理想氣體溫度(即熱力學(xué)溫度)T，同時(shí)根據(jù)阿伏伽德羅定律可知(ptrvtr

/273.16K)也將是與氣體性質(zhì)無關(guān)的常量。

二、理想氣體物態(tài)方程若令(ptrvtr

/273.16K)=R，在氣體壓強(qiáng)趨近于零的極限情況下就得到:pV=RT這樣，根據(jù)玻意耳定律和阿伏伽德羅定律，再利用理想氣體溫標(biāo)的定義，就導(dǎo)出了理想氣體物態(tài)方程。

理想氣體的宏觀定義

通常把嚴(yán)格遵守理想氣體物態(tài)方程的氣體稱為理想氣體。因而也可以說，凡嚴(yán)格服從玻意耳定律和阿伏伽德羅定律的氣體是理想氣體。實(shí)際上，理想氣體也嚴(yán)格服從焦耳定律——?dú)怏w的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)。因此有人認(rèn)為：只有嚴(yán)格服從玻意耳定律、阿伏伽德羅定律和焦耳定律的氣體才是理想氣體。

理想氣體的宏觀定義但是以后在理論上又可以證明：凡嚴(yán)格遵守理想氣體物態(tài)方程的氣體必定也嚴(yán)格服從焦耳定律。

因而，最終又可以說：凡嚴(yán)格遵守理想氣體物態(tài)方程的氣體就是理想氣體。

當(dāng)然也可以說：凡嚴(yán)格服從玻意耳定律和阿伏伽德羅定律的氣體就是理想氣體。

一口氣里的分子數(shù)

理想氣體物態(tài)方程為

pV=RT由此可得

p=RT/V

=(N/NA)RT/V

=(N/V)(R/NA)T

=nkT.因此，理想氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的分子數(shù)密度（即洛施密特常量）為

n0=p0

/(kT0)

=1.013105/(1.3810-23273)

2.691025(m-3).成年人呼吸時(shí)每呼出一口氣的體積約為V1=0.40L，由此可見，一口氣里包含的分子數(shù)約為N1=n0V1

=2.710220.40

1.11022(個(gè)).地球表面71%是海洋，陸地平均高度為875m，并不高。因而可以近似認(rèn)為整個(gè)大氣層都是從海平面向上延伸的。而大氣的重量可用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓與地球表面積S的積來估算。于是，地球大氣里的分子總數(shù)約為N=Sp0/[g(/NA)]

=Sp0NA/(g)=4(6.4106)21.01056.01023/(2910-39.8)

1.11044(個(gè)).

地球大氣里的分子總數(shù)地球大氣分子的總數(shù)與一口氣里的分子數(shù)之比為

N/N11.11044

/(1.11022)

=1.01022.這就表明地球大氣大約包含了1.01022口氣，而一口氣里又有1.11022個(gè)分子，兩者數(shù)量級相同，數(shù)值上差不多。

人們常說：我們都是炎黃子孫。如果炎帝(或者黃帝)在臨終時(shí)呼出了一口氣，經(jīng)過幾千年后這口氣里的分子現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)均勻地分布在整個(gè)大氣中。

由此可見：我們現(xiàn)在呼吸的每一口氣里，都應(yīng)當(dāng)包含有炎帝（或者黃帝）臨終時(shí)呼出的那一口氣中的一個(gè)分子.基于同樣的理由，在我們每個(gè)人的血管里也總有炎帝（或者黃帝）的血液中的水分子在流動(dòng)，并且這樣的分子的數(shù)目多達(dá)成千上萬個(gè)。32

四、混合理想氣體物態(tài)方程道爾頓分壓定律:阿馬格分體積定律

根據(jù)理想氣體物態(tài)方程和道爾頓分壓定律可以導(dǎo)出阿馬格分體積定律，具體的推導(dǎo)過程如下。

將理想氣體物態(tài)方程應(yīng)用于混合理想氣體中的第

i種組分可得:pVi=iRT=Vpi.對各種組分求和得:pVi

=iRT=Vpi.用

p除上式左右兩端則得:Vi=Vpi/p.由道爾頓分壓定律知p=pi，由此可見

Vi

=V.以上結(jié)果表明：混合理想氣體的體積等于各組分的分體積之和，這個(gè)結(jié)論稱為阿馬格分體積定律。

平均摩爾質(zhì)量

M=Mi=ii

體積分?jǐn)?shù)(壓強(qiáng)分?jǐn)?shù))

Vi/V=pi/p=

i/

=Ni/N=ni/n

摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù):i/質(zhì)量分?jǐn)?shù):Mi/M=(i/)(i/)

=(Vi/V