热学教案

2020/3/251热学2020/3/252长春理工大学总论量热与量温热传递的一般规律热力学平衡态的特征及充要条件热力学第零定律、温度和温标理想气体定律和状态方程热学发展规律简史研究对象及方法热力学基础（宏观理论）分子运动论（微观理论）热学理论的应用（物性学）1、热力学第一定律；2、热力学第二定律；3、热机。1、分子运动论的实验基础及基本论点；2、理想气体分子运动的规律（平衡态）；3、理想气体内迁移规律（非平衡态）。1、实际气体、液体、固体的基本性质；2、一级相变特征及基本规律。2020/3/253长春理工大学绪论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。热现象：这些与温度有关的物理性质的变化。热学研究对象：所有与热相联系的现象。特点：热物理学研究的是由数量很大的微观粒子所组成的系统。2020/3/254长春理工大学二、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：由观察和实验总结出来的热现象规律，构成热现象的宏观理论，叫做热力学。热力学方法的优点：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。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、它把物质看成为连续体，不考虑物质的微观结构2020/3/255长春理工大学2、微观描述过程：统计物理学统计物理学则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。3、热物理学•热力学基础•统计物理学的初步知识•液体、固体、相变等物性学2020/3/256长春理工大学第一章：温度一、热力学系统热力学系统（简称系统）：被确定为研究对象的物体或物体系，或热学所研究的对象。孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统外界：系统边界外部封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统热力学与力学的区别热力学参量：压强、体积、温度等热力学的目的：基于热力学的基本定律力学的目的：基于牛顿定律（力学参量）§1.平衡态状态参量2020/3/257长春理工大学1、平衡态的定义：在不受外界条件影响下，系统宏观性质不随时间变化的状态，这种状态称为平衡态（equilibriumstate）.(1)单一性(p，T处处相等)；(2)物态的稳定性——与时间无关；(3)自发过程的终点；(4)热动平衡平衡态的特点:二、平衡态和非平衡态2020/3/258长春理工大学三、热力学平衡热力学呈现平衡态的条件无热流：热学平衡条件，系统内部温度处处相等。无粒子流：力学平衡条件，系统内部各部分之间、系统与外界之间应达到力学平衡，通常情况下反映为压强处处相等。化学平衡：化学平衡条件，即在无外场下系统各部分的化学组成应是处处相等。可以用P、V、T图来表示。只要上述三个条件一个得不到满足，就是非平衡态，不能用P、V、T图来表示。2、非平衡态在自然界中，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。2020/3/259长春理工大学§2温度一、温度日常生活中，常用温度来表示冷热的程度在微观上，则必须说明，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的度量二、热力学第零定律1、热力学第零定律在不受外界影响的情况下，只要A和B同时与C处于热平衡，即使A和B没有接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律被称为热力学第零定律。2020/3/2510长春理工大学2、热力学第零定律的物理意义•互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征，即它们的温度是相同的。•第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的方法。2020/3/2511长春理工大学三、温标1、温标的建立温度的数值表示法叫做温标经验温标的三要素•选择测温物质，确定测温参量（属性）•选定固定点•进行分度，即规定测温参量随温度的变化关系2、理想气体温标以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积（压强）不变时压强（体积）与温度成正比关系所确定的温标称为理想气体温标2020/3/2512长春理工大学trpppKpTtr0lim16.273)(（体积不变）Ptr/(133.3224Pa)373.0373.2374.02004006008001000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空气2020/3/2513长春理工大学3、摄氏温标、华氏温标与兰氏温标FttCF0]3259[0t是摄氏温标)(8.10KRTTRRFtTFR00]67.459[TR是兰（金）氏温标汽点三相点冰点绝对零度英美等国使用671.67491.69491.670TRR兰氏温标英美等国使用212.0032.0232.00-459.67tFF华氏温标国际通用100.000.010.00-273.15tC摄氏温标国际通用T=T373.15273.16273.150TK热力学温度通用情况与热力学温度的关系固定点的温度值符号单位温度15.2730KTCt67.459590KTFtTTR8.12020/3/2514长春理工大学4、热力学温标是一种不依赖于测温物质和测温属性的温标5、国际实用温标实用温度计简介膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导体温度计、频率温度计辐射测温法：光学高温计、比色高温计、辐射高温计声学测温法：声学温度计、噪声温度计开尔文2020/3/2515长春理工大学§3气体的状态方程(equationofstates)TVp,,1压强：力学描述一气体的物态参量(宏观量)p单位:2mN1Pa1Pa1001.1atm15标准大气压:纬度海平面处,时的大气压.45C02体积:几何描述l10m133V单位:3温度:热学描述TtT273单位:(开尔文).K2020/3/2516长春理工大学二理想气体物态方程（一）气体的实验定律只要在足够宽广的温度压强变化范围内进行比较精细的研究，就可发现，气体的物态方程相当复杂，而且不同气体所遵循的规律也有所不同。但在压强趋于零，其温度不太高也不太低的情况下，不同种类气体在物态方程上的差异可趋于消失，气体所遵从的规律也趋于简单。我们就把这种压强趋于零的极限状态下的气体称为理想气体。2020/3/2517长春理工大学图画出了某些气体在温度不变时pV随p变化的实验曲线。玻意耳-马略特定律：由图可见，在T不变时，不同气体的pV都随p→0而趋于同一极限，即pV=C,这是英国科学家玻意耳（Boyle）于1662年及法国科学家马略特（Mariotte）于1679年先后从实验上独立建立的定律。2020/3/2518长春理工大学RTRTMmpVm（二）理想气体物态方程从玻意耳定律、查理（Charles）定律及盖吕萨克（Gay-Lussac）定律，可知一定质量的理想气体有令一摩尔气体的常量为R，则得pVm=RT式中R=8.31J·mol-1·K-1，称为普适气体常量。若气体质量不是1mole而是m，气体摩尔质量是Mm,并把m/Mm称为气体物质的量（即摩尔数），pVm=(m/Mm)RT，这就是理想气体物态方程。能严格满足理想气体物态方程的气体被称为理想气体，这是从宏观上对什么是理想气体作出的定义。2020/3/2519长春理工大学（三）混合理想气体物态方程RTpVn)(21从图可看到，在p→0时，各种气体之间的差异已趋消失。这说明只要气体能满足理想气体条件，不管它是什么化学成分，理想气体物态方程仍适用。若气体由1摩尔A种气体，2摩尔B种气体……等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：pV=(v1+v2+……+vn)RT(1.8)(1.8)式称为混合理想气体物态方程。由（1.8）式可得2020/3/2520长春理工大学nnpppVRTVRTVRTp2121混合理想气体分压定律：式中的p1,p2,…,pn分别是在容器中把其它气体都排走以后，仅留下第i(i=1,2…，n)种气体时的压强，称为第i种气体的分压。这是英国科学家道尔顿（Dalton）于1802年在实验中发现的。它与理想气体方程一样，只有在压强趋于零时才准确地成立。2020/3/2521长春理工大学三实际气体物态方程范德瓦耳斯方程bVRTppRTbVmm或bVRTppmolRTbVppppmimi)1()(气体考虑内内kvnkpi2612][面积上平均分子数单位时间内碰撞在单位1、分子固有体积修正2、分子吸引力修正设Δk指每一个分子进入界面层时平均动量减少量βpia2020/3/2522长春理工大学22)3()(31,mmAiVaKvVNKnvnpKnkRTMmbMmVVaMmpVmmolRTbVVapmmmmm])()][()([,)1(,)(222则范氏方程为：，体积为若气体质量为范氏气体）（范德瓦耳斯方程：Onnes方程......2VCVBApV2020/3/2523长春理工大学第二章：气体分子运动论的基本概念§1.物质的围观模型一、物质的微观模型1、物质是由大量的微粒（原子或分子）组成很多现象能说明这一特征。例如气体易被压缩；水在40000atm的压强下，体积减为原来的1/3；以20000atm压缩钢筒中的油，油可透过筒壁渗出。物质由大量微粒所组成的论点是指宏观物体是不连续的，它由大量分子或原子（离子）所组成。2020/3/2524长春理工大学2、物体内分子在永不停息的做无规则运动，其剧烈程度与温度有关。物质不仅由大数分子组成，而且每个分子都在作杂乱无章的热运动。这一性质也可由很多事实予以说明，这里仅介绍扩散与布朗运动。气体和液体中的扩散现象是分子热运动所致。固体中的扩散现象通常不大显著，只有高温下才有明显效果。因温度越高，分子热运动越剧烈，因而越易挤入分子之间。•扩散（diffusion）2020/3/2525长春理工大学工业中有很多应用固体扩散的例子。例如渗碳是增加钢件表面碳成分，提高表面硬度的一种热处理方法。通常将低碳钢制件放在含有碳的渗碳剂中加热到高温，使碳原子扩散到钢件的表面，并进一步向里扩散。然后通过淬火及较低温度的回火使钢件表面得到极高的硬度和强度，而内部却仍然保持低碳钢的较好的韧性。又如在半导体器件生产中，使特定的杂质在高温下向半导体晶体片表面内部扩散、渗透，从而改变晶片内杂质浓度分布和表面层的导电类型。2020/3/2526长春理工大学•布朗运动2020/3/2527长春理工大学科学家们对这一奇异现象研究了50年都无法解释，直到1877年德耳索（Delsaux）才正确地指出：这是由于微粒受到周围分子碰撞不平衡而引起的。从而为分子无规则运动的假设提供了十分有力的实验依据。分子无规则运动的假设认为，分子之间在作频繁的碰撞，每个分子运动方向和速率都在不断地改变。任何时刻，在液体或气体内部各分子的运动速率有大有小，运动方向各种各样。2020/3/2528长春理工大学在任一单位表面积上平均碰撞分子数相等，微粒处于力平衡状态。但若悬浮粒足够小，在微粒移进该区域后，受到各个方向射来的分子的冲击力不能达到平衡而使微粒产生运动。这时布朗粒子受到四个力作用：重力、浮力、涨落驱动力及布朗粒子在流体中运动造成的黏性阻力。既然涨落驱动力的大小、方向完全是随机的，故微粒的运动也是无规的，这样的运动就是布朗运动。布朗运动是如何形成的？2020/3/2529长春理工大学按照分子