大学物理(上)Chp()热力学基础

朱小钦[e-mail]福建师范大学光电信息与工程学院1物理学是一切自然科学和边缘科学的基础，是科学技术发展的先导，是现代工程技术发展的最重要的源泉，而且对人类未来发展仍将起着决定性的作用。物理等基础科学与工程技术的关系可形象地用“知识之树”表示。物理学是大树主干和根基。2作为高等院校理工科专业的学生，尽管所学专业不同，但物理学始终是一门重要必修基础课，特别是在高科技迅速发展、竞争日益激烈的当今社会，学好大学物理课程尤显重要，它所体现的科学思维方式以及认识论和方法论，对人才的文化修炼、素质和能力的培养已经构成举足轻重的作用。31.要明确学习大学物理学的目的学习本课程的要求•奠定坚实的基础；•掌握物理学思维和推理的方式方法•培养实事求是的科学态度•课前预习，提高听课效率。•认真听课，主动思考，大胆提问，积极答题，适当笔记。•课后复习，多做练习，独立完成作业。2.要根据物理学的特点进行学习•笔记本•练习本•作业本3.课前准备4主要参考教材★马文蔚等《物理学》第四版.高等教育出版社★张达宋主编《物理学基本教程》高等教育出版社★《大学物理典型题分析解集》西北工业大学出版社★张三慧主编《力学，热学，电磁学》，清华大学出版社★程守洙江之永主编《普通物理学》，高等教育出版社5•第1章质点运动学•第2章质点动力学•第3章刚体力学•*第4章流体力学•第5章热力学基础《大学物理》(上)课程目录•第6章气体动理论•第7章真空中的静电场•第8章静电场中的导体与电介质•第9章恒定电流6•第10章稳恒磁场•第11章磁场中的磁介质•第12章电磁感应•第13章振动•第14章波动•第15章电磁振荡和电磁波《大学物理》(下)课程目录•第16章光的干涉•第17章光的衍射•第18章光的偏振•第19章狭义相对论基础•第20章量子物理基础7总课时：56（28次课）成绩构成：平时表现20％(作业，出勤，课堂表现)半期考及平时小测验30％期末考50％考试方式：闭卷《大学物理》课程安排8第五章热力学基础9引言宏观描述方法与微观描述方法一、热学的研究对象及其特点热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学及光学一起共同被称为经典物理四大柱石。宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（例如分子、原子等）都处于永不停息的无规热运动中。布朗粒子的无规则运动。正是大量微观粒子的无规热运动，才决定了宏观物质的热学性质。热物理学渗透到自然科学各部门，所有与热相联系的现象都可用热学来研究。10二、宏观描述方法与微观描述方法1、宏观描述方法：热力学方法热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发，应用数学方法，通过逻推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。对于任何宏观的物质系统，不管它是天文的、化学的、生物的……系统，也不管它涉及的是力学现象、电学现象……只要与热运动有关，总应遵循热力学规律。11热力学的局限性：（1）它只适用于粒子数很多的宏观系统；（2）它主要研究物质在平衡态下的性质.它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程；（3）它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。（4）它只能说明应该有怎样的关系，而不能解释为什么有这种基本关系。要解释原因，须从物质微观模型出发，利用分子动理论或统计物理方法予以解决。122、微观描述过程：统计物理学统计物理学是热物理学的微观描述方法，它从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定，由此找出微观量与宏观量之间的关系。微观描述方法的局限性：在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得的理论结果与实验不能完全符合。135.1平衡态、理想气体物态方程一、气体的物态参量在热学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的一个或多个物体或是一个物体的某一部分称为热力学系统。系统的周围环境称为外界。用来描述系统宏观状态的物理量称为物态参量。14（4）化学参量（如：混合气体各化学组的质量和物质的量等）（5）电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁化强度等）常用的物态参量有以下几类：（1）几何参量（如：气体体积V）（2）力学参量（如：气体压强P）（3）热学参量（如：温度T，熵S等）15气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。通常容器的体积就是气体的体积。压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。常用的压强单位有：(1)SI制的帕斯卡Pa：1Pa=1N·m-2。(2)厘米水银柱cm·Hg(3)标准大气压atm：1atm＝76ch·Hg＝1.013×105Pa。16温度的概念较复杂，它的本质与物质分子的热运动有密切的关系。温度的高低反映分子热运动的激烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的冷热程度。温度的数值表示方法叫作温标，常用的温标有：（1）热力学温标T，SI制，单位：K(开尔文)（2）摄氏温标t，单位：ºC(度)，规定：纯水的冰点和沸点温度分别为0ºC和100ºC。（3）华氏温标F，单位ºF，规定：纯水的冰点和沸点温度分别为32ºF和212ºF。三者间的关系为：15.273tT3259tF17二、平衡态与准静态过程1．平衡态一个与外界之间没有任何能量和物质传递的孤立系统，不论它刚开始时处于何种状态，经过一段时间以后，系统内各部分的压强、温度、密度等必将相同。此时气体的三个物态参量P、V、T都具有确定的值，且不再随时间变化。即一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变化，我们就说这个系统处于热力学平衡态。平衡态是一个理想状态。系统处于平衡态时，物理性质处处均匀，且系统的宏观性质不再变化，但分子无规则运动并没有停止。所以平衡态是一种动态平衡。18右图中隔板刚抽走的瞬间系统处于非平衡态，但是经过并不很长的时间，容器中的气体压强、温度、密度等物理性质趋于均匀，且不随时间变化，它已处于平衡态。平衡态是最简单、最基本的。但在自然界中，平衡态是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。非平衡现象千姿百态、丰富多彩，但也复杂得多，不易精确地予以描述或解析。在远离平衡态的非平衡系统中，常常会出现一些意想不到的有趣现象。对非平衡系统的研究是目前最热门的课题之一。真空192．准静态过程若外界对系统有一定的影响，系统的状态会从某一初始的平衡态，经过一系列中间状态，变化到另一平衡态，我们把这种状态变化的过程叫作热力学过程。若此热力学过程进行得足够缓慢，使得每一个中间状态都可近似看成是平衡态，则称该过程为一个准静态过程。可以用P－V图上的一条曲线来表示。2V1P),,(1!1TVPI1V2PPVO),,(222TVPII203．热力学第零定律在不受外界影响的情况下，只要右图中A和B同时与C处于热平衡，即使A和B没有热接触，它们仍然处于热平衡状态，称为热力学第零定律。导热ABC隔热热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间存在一个相同的特征——它们的温度相同。因而也称之为热平衡定律。21三、理想气体状态方程1．理想气体一定质量的气体，在温度不太低和压强不太高时，满足以下三条实验定律：（1）玻义耳－马略特定律：一定质量的气体在等温过程中PV＝常量（2）盖－吕萨克定律：一定质量的气体在等体过程中TP＝常量（3）查理定律：一定质量的气体在等压过程中TV＝常量22阿伏加德罗定律：在标准状态下，1摩尔任何气体所占有的体积为22.4升。在任何情况下都遵守上述三个实验定律和阿伏加德罗定律的气体称为理想气体。一般气体在在温度不太低（与室温相比）和压强不太高（与大气压相比）时，都可近似看成理想气体。232、理想气体状态方程1T2T3T321TTTPVO从3条实验定律得出：一定质量的理想气体在两个平衡态时状态参量之间的关系CTVPTVP222111理想气体的状态方程另一形式RTRTMmPV1131.8KmolJRm－气体质量，M－摩尔质量，后式仅涉及一个平衡态。当气体质量有变化时，前式不可用，后式仍可用。24例1一氧气瓶的体积是32l,其中氧气的压强是130atm,规定瓶内氧气的压强降到10atm时就得充气,以免混入其他气体而需洗瓶。有一玻璃室,每天需用1atm的氧气400l,问一瓶氧气能用几天?解：未使用前瓶中氧气的摩尔数:RTVP11使用后瓶中氧气的摩尔数:(设使用中温度保持不变)RTVP22每天用的氧气摩尔数:RTVP33能用天数：1212333()9.6()ppVDpV天25例2在一密闭教室内，一个人呼吸时，如果每呼出的一口气都在若干时间内均匀地混合到全教室的空气中，那么另一个人每吸入的一口气中有多少个分子是那个人在那口气中呼出的？设教室内空气的体积V=6.0103m3，压强P＝1atm，温度T＝300K。人们每呼吸一口气的体积约为V1＝1升。解:由理想气体状态方程得教室内空气的摩尔数为molRTPV5351044.230031.8100.610013.1因每摩尔任何物质内的分子数为阿伏加德罗常数NA，所以教室内空气的总分子数为292351047.110022.61044.2ANN（个）26平均每升空气中的分子数（个）223329111045.2100.6101047.1VVNN一个人每次呼出的分子均匀地混合到体积为V的整个教室内，则另一个人每吸入的1升空气中含有分子数为152233112101.41045.2100.610NVVN（个）273、混合理想气体物态方程RTRTpVn总)(21若气体由1摩尔A种气体，2摩尔B种气体…n种理想气体混合而成，则混合气体总的压强p与混合气体的体积V、温度T间应有如下关系：1212nnRTRTRTppppVVV可得出：式中的p1是在容器中把其它气体都排走以后，仅留下第1种气体时的压强，称为第1种气体的分压强。上式则称为道尔顿分压定律。28例3已知空气中几种主要组分的分压百分比是氮（N2）78％，氧（O2）21％，氩（Ar）1％，求它们的质量百分比和空气在标准状态下的密度。在标准状态下空气的密度为33333/29.1/1029.1104.224001.03221.02878.0mkgcmgcmggg解：因温度体积相同，1mol空气中，三种成分的质量比为：0.7828：0.2132：0.0140，质量百分比为：N2为75.4％，O2为23.2％，Ar为1.4％．RTPvV据:　29课后任务与作业11.复习预备知识－微积分与矢量计算2.预习第5章热力学基础305.2热力学第一定律及其应用一、内能、功和热量1．内能热力学系统的内能由系统内所有分子的热运动动能和分子间相互作用势能两部分组成。通常可认为热力学系统的内能与温度T和体积V有关：(,)EETV注意：内能是状态的单值函数，完全由系统所处的状态决定。31理想气体不考虑分子间相互作用，所以，理想气体的内能仅是温度的函数，质量为m，摩尔质量为M的理想气体的内能为RTiMmE2其中i是分子运动自由度，对单原子分子、刚性双原子分子和刚性多原子分子，i的值分别为3、5、6。由于理想气体的内能仅与温度有关，所以理想气体内能的增量也仅与始、末态的温度有关，而与系统所经历的过程无关)(21212TTRiMmEEE322．功气体压强活塞面积作功是改变系统内能的一种方法，通过宏观位移使机械运动能量转化为分子热运动能量。当活塞移动一段微小距离dl时，气体所做的元功为PdVPSdldlFdA可用右图中画有阴影的小矩形面积表示。33当气体体积从Va变到Vb时系统所