《热学》(李椿-)-电子教案(2015)

《热学》电子教案李椿高等教育出版社绪论•热学是研究热现象的理论•热现象：与温度有关的物理性质的变化•热力学（热现象的宏观规律）•热现象•统计物理学（热现象的微观规律）•气体分子动理论•从微观上看，热现象是组成物体的粒子（分子、原子、电子等）永不停息的热运动结果，每一微观粒子的运动具有偶然性，总体上却存在确定的规律性•研究方法不同引言宏观理论微观理论物性学热一律热二律热学的研究对象、方法热学发展简述气体动理论（平衡态）气体内输运过程非理想气体、固体、液体相变热学内容体系示意图引言第一章温度第二章气体分子运动论的基本概念第三章气体分子热运动速率和能量的统计分布律第四章气体内的输运过程第五章热力学第一定律第六章热力学第二定律第七章固体第八章液体第九章相变引言（Preface）•宏观物体由大量微观粒子组成;微观粒子处在永恒的混乱运动之中。•实验表明：分子运动的激烈程度与温度有关，大量分子的无规则运动称为热运动。热运动是热现象的微观实质。•热现象是热运动的宏观表现。•热运动在本质上不同于机械运动。•热现象━随机现象第一章温度§1.1平衡态状态参量§1.2温度§1.3气体的状态方程§1.1平衡态状态参量系统与外界1.热力学系统（简称系统）在给定范围内，由大量微观粒子所组成的宏观客体。2.系统的外界（简称外界）与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体。热力学平衡态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。没有外界影响是指外界对系统既不做功又不传热与稳恒态的区别，稳恒态不随时间变化，但由于有外界的影响，故在系统内部存在能量流或粒子流。稳恒态是非平衡态。对平衡态的理解应将“无外界影响”与“不随时间变化”同时考虑，缺一不可。金属杆就是一个热力学系统。根据平衡态的定义，虽然杆上各点的温度将不随时间而改变，但是杆与外界（冰、沸水）仍有能量的交换。一个与外界不断地有能量交换的热力学系统所处的状态，显然不是平衡态而是稳定态。100oc0oc金属杆注意热动平衡:平衡态下，组成系统的微观粒子仍处于不停的无规运动之中，只是它们的统计平均效果不随时间变化，因此热力学平衡态是一种动态平衡，称之为热动平衡。状态参量——平衡态的描述确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量。–常用的状态参量有四类：几何参量（如：气体体积）力学参量（如：气体压强）化学参量（如：混合气体各化学组分的质量和摩尔数等）电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁化强度等）注意：如果在所研究的问题中既不涉及电磁性质又无须考虑与化学成分有关的性质，系统中又不发生化学反应，则不必引入电磁参量和化学参量。此时只需体积和压强就可确定系统的平衡态，我们称这种系统为简单系统（或pv系统）。§1.2温度热平衡将两个分别处于平衡态的系统A和B用一刚性隔板分隔开。若隔板为“绝热板”（如图(a)），则A，B两系统的状态可独立地变化而互不影响。厚木板，石棉板等都可视为绝热板。(a)绝热板ABAB导热板(b)•若隔板为“导热板”（如图(b)），则A,B两系统状态不能独立地改变,一个系统状态的变化会引起另一系统状态的变化,金属板即为导热板。通过导热板两个系统的相互作用叫热接触。•通过导热板进行热接触的两个系统组成一复合系统，当复合系统达到平衡态时，我们就说两个系统处于热平衡。热力学第0定律（热平衡定律）如果两个热力学系统中的每一个都与第三个系统处于热平衡，则它们系统彼此也必定处于热平衡。温度互为热平衡的几个热力学系统，必然具有某种共同的宏观性质，我们将这种决定系统热平衡的宏观性质定义为温度。温度是状态的函数，在实质上反映了组成系统大量微观粒子无规则运动的激烈程度。温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与其他系统处于热平衡。处于热平衡的各系统温度相同。在热力学系统中，温度、内能和熵是三个基本的状态函数内能是由热力学第一定律确定的；熵是由热力学第二定律确定的；温度是由热平衡定律（热力学第零定律）确定的。温标(TemperatureScale)温度的数值表示法称为温标•经验温标•理想气体温标•热力学温标•国际实用温标ITS-90一、经验温标(ExperienceTemperatureScale)摄氏温标华氏温标列氏温标兰氏温标三要素a)测温物质和测温属性b)定标点c)标度法华伦海特(GabrielDanileFahrenheit，1686-1736，德国玻璃工人，迁居荷兰)制造了第一支实用温度计：他把冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为00F，冰的熔点定为320F，人体的温度为960F，1724年，他又把水的沸点定为2120F。后来称其为华氏温标。摄尔修斯(AndersCelsius,1701-1744,瑞典天文学家)，用水银作为测温物质，以水的沸点为00C，冰的熔点为1000C，中间100个等分。8年后接受了同事施特默尔（M.Stromer）的建议，把两个定点值对调过来。称为摄氏温标。•列奥米尔(Reaumur,1683-1757,法国)以酒精和1/5的水的混合物作为测温物质，称为列氏温标。•至1779年全世界共有温标19种。图1-1图1-2百分度温标：采用同一种温标，选取不同的测温物质用来测量同一对象的温度时，所得结果也不严格一致。二、理想气体温标(Ideal-gasTemperatureScale)为了使温度的测量统一，需要建立统一的温标，以它为标准来校正其他各种温标。采用理性气体温标为标准温标，这种温标用气体温度计实现。定容气体温标（气体的体积保持不变，由压强随温度的改变来确定温度）ghpp0测温物质：气体测温属性：气体压强固定点：水的三相点温度关系：KTtr16.273Tpap假设当则KTTtr16.273）气体在三相点时的压强(trpptrapK16.273trpKa16.273定容气体温标trpppT16.273由气体压强P来测定待测温度T(p)定压气体温标：aVVT定压气体温标则时，假设当trtrtrtrtrVVVTVaaVVVKTT16.27316.27316.273,16.273实验发现：用不同气体温度计测量水的正常沸点所得的四条曲线气体的压强越低，即测温泡内的气体越稀薄，不同气体定容温标的差别越小：当压强趋于零时，各种气体定容温标的差别完全消失，给出相同的温度值trPKpTtrp15.373lim0trP理想气体温标——极限温标trpptrppVVVTTpppTTtrtr0000lim16.273limlim16.273lim三、热力学温标•热力学温标:完全不依赖于任何测温物质及其物理属性，是一种理想温标•热力学温度T(单位：开尔文K)•t=T－273.15•零摄氏度（t=00C），热力学温度T为273.15K四、各种温标间的关系(theRelationbetweenVariousTemeratureScales)1960年，国际计量大会规定摄氏温标由热力学温标导出ttttTtTtFF59593215.273§1.3气体的物态方程（GasStateEquation）热力学系统的平衡态可以用状态参量：P（力学参量）、V（几何参量）描述，在一定的平衡态，热力学系统具有确定的温度T。温度T是其它状态参量的函数T=f(P,V)。物态方程：温度与状态参量之间的函数关系。简单热力学系统物态方程的一般形式:0,,TVpf三个气体实验定律：（一）玻意耳—马略特定律：CpV当一定质量的气体的温度保持不变时，它的压强和体积的乘积是一个常量。常量C在不同的温度具有不同的数值。（二）盖·吕萨克定律(三)查理定律1212TTVV1212TTPP一、理想气体物态方程(Ideal-gasStateEquation)RTpV阿伏伽德罗定律定压气体温标马定律玻又设用定压气体温度计测温据定压气体温标公式有trtrCCTT时，设当VpTVpTtrtrtrtr,,,,trtrtrtrVpVpVTVVVT16.27316.273常数C在水的三相点时的数值气体在水的三相点时的压强和体积trPtrVCpV从而有将C代回玻—马定律，得trCCVT16.273VTCCtr16.273VTCpVtr16.273CpV将玻—马定律代入上式，得TCpVTVTptr16.2730。因此时，当T为理想气体温标TKVpvpVVpVpCVVVVtrmtrtrmtrtrtrtrtrmtrm16.273,,,,,所以因为Mm称为物质的量，在一定的温度T和压强P下，气体的体积V与物质的量成正比，为1mol气体的体积。mV据阿伏伽德罗定律当p→0时，在同温同压下1摩尔的任何气体所占的体积都相同，即都相同，因此对各种气体都一样，是普适气体常量，KVptrmtr16.273,KVpRtrmtr16.273,令trV理想气体物态方程RTMmRTpV严格遵从方程的气体为理想气体，理想气体是一个理想模型，在通常压强下，可以近似的用这个模型来概括实际气体。二、普适气体常数(UniversalGasConstant)RTMmRTpV1330,055010413996.22115.2731(1010013.11molmVmolKTpapaatmpm度）理想气体在冰点时的温（标准大气压）标准状态15.27316.2730,0,mtrmtrVpVpR1111211987.110205.8314472.8KmolcalRKmollatmRKmolJR可算出1cal(卡)=4.184J(焦耳)1111211987.1102.8314.8KmolcalRKmollatmRKmolJR估算三、道耳顿分压定律(Dalton'sPartialPressureLawnpppp21111Mm222Mm混合气体的压强等于各组分的分压强之和。四、混合理想气体状态方程(MixtdIdealStateEquation)种不同的理想气体中有设体积nVnipppp,,,,21分压强：nimmmm,21，，，质量：niMMMM,21，，，摩尔质量：按道耳顿分压定律，有混合气体的压强为,pniipp1niiiniiRTMmVp11nnippppp....211RTMmMmMmVpppnnn).....()....(221121因此niiRTpV1niiiRTMmpV1niiv1的量，则有为混合理想气体的物质令混合理想气体物态方程RTpV态方程可写作因此，混合理想气体状mM平均摩尔质量niiniimm11其中m是各组分的质量之和niiv1的量，则有为混合理想气体的物质M为平均摩尔质量RTMmpV求解平均摩尔质量M•按质量百分比，空气中含有氮气76.9%，氧气23.1%，氮的相对分子质量28.0，氮的摩尔质量28.0×kg/mol,氧的相对分子质量32.0，氧的摩尔质量32.0×kg/mol,•空气的平均摩尔质量M为：•76.9%×28.0×+23.1%×32.0ו=28.9×kg/mol•空气的平均相对分子质量28.9310310310310310非理想气体的物态方程•在通常的压强和温度下，可以近似的用理想气体物态方程来处理实际问题，但在高压和低温条件下，需建立非理想气体物态方程•第一类：范德瓦耳斯方程•荷兰物理学家范德瓦耳斯和克劳修斯考虑到气体分子间吸力和斥力的作用，把理想气体物态方程加以修正得到：范德瓦耳斯方程•a和b对于一定的气体来说都是常量，可由实验测定。RTbVVapmm2mV为摩尔体积，测a和b最简单的方法是