《热学》电子教案

1《热学》电子教案面向物理学本科学生主讲：冯尚申2热学内容图析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。3古希腊（公元前611—430年）四元素说：万物是由土、水、火、气四种元素在数量上不同比例的配合组成的。我国殷商时期五行学说：金、木、水、火、土是构成世界万物的五种基本元素，称为五行。中国古代提出的元气说，就认为热（火）是物质元气聚散变化的表现。4伽利略温度计16世纪(明)从钻木取火到商周的青铜器5瓦特早期蒸汽机清初671807年嘉庆12年81823年道光3年91892年同治18年(仿哥窑五彩)101.官窑:南宋2.定窑:宋,河北曲阳3,汝窑:宋,河南宝丰4,哥窑:南宋,浙江龙泉5,均窑:宋,河南禹县五大名窑:11主要参考书目：成绩考核：平时作业10%、课堂讨论10%、期中占20%、期末占60%1.秦允豪，《热学》（第二版），高等教育出版社，20062.赵凯华等，《热学》，高等教育出版社，20053.黄淑清等，《热学教程》，高等教育出版社，20034.李椿等，《热学》，高等教育出版社，20045.王竹溪，热力学，北京大学出版社，20056.张玉民等，《热学》，科学出版社，20067.李洪芳，《热学》，复旦大学出版社，20018.包科达，《热物理学基础》，高等教育出版社，20019.Serway&Faughn,CollegePhysics(SixthEdition),清华大学出版社，200510、SearsandZemanskys,UniversityPhysics(第10版)（上册），机械工业出版社，200311、王楚等，热学（基础物理教程面向21世纪课程教材），200312、梁绍荣等，普通物理学，第二卷，高等教育出版社，200612第一章导论§1.1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。大数粒子：我们把数量级达到宏观系统量级的粒子。13二、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142、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15§1.2热力学系统的平衡态一、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）16二、平衡态与非平衡态1、平衡态真空孤立系统在不受外界条件影响下，经过足够长时间后系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态，这种状态叫做平衡态。平衡态的特点),,(TVppV),,(TVp*o1）单一性（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（有别于力平衡）.Tp,17三、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。18§1.3物态方程0),,(),(,,miiiimiiiiVpTfVpTT或pTVV)(1VvTpp)(1一、物态方程平衡态把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、温度）之间所满足的函数关系称为该物质的物态方程或称状态方程。二、热膨胀现象pTll)(1TTpVV)(1•等温压缩系数•体膨胀系数•压强系数•线膨胀系数19四、混合理想气体物态方程RTpVn)(21nnpppVRTVRTVRTp2121RTRTMmpVm三、理想气体物态方程3对各向同性物质能严格满足理想气体物态方程的气体被称为理想气体。20§1.3温度与温度计一、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、绝热壁与导热壁2、热力学第零定律ACBACBACB绝热壁21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。3、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。温度计22三、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23RpVpT0)(16.2730VRptrV0不变Ptr为该气体温度计在水的三相点（气、液、固三相共存）时的压强trpppKpTtr0lim16.273)(（体积不变）Ptr/(133.3224Pa)373.0373.2374.02004006008001000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空气由气体温度计所定出的温标称为理想气体温标24例1.1ABCVAMVBmT0T0T如图所示，若测得此时B的压强读数为p，求待测温度T。解：测温后测温前压力表B温泡ARMMTVpmA00RMmTVpmB00RMmMTpVmARMmmTpVmB0)()(000TVTVpTVVpBABA解得：)1(1/000ppVVppTTAB253、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264、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27§1.5物质的微观模型一、物质是由大量的原子或分子组成molNA/1002.623个二、分子热运动1、分子或原子处于不停的热运动•扩散•布朗运动利用扫描隧道显微镜技术把一个个原子排列成IBM字母的照片.282、涨落现象这种偏离统计平均值的现象称为涨落现象NNN1])([2/12可以证明，在粒子数可自由出入的某空间范围内的粒子数的相对涨落反比于系统中粒子数N的平方根。粒子数越少，涨落现象越明显。应用：•小镜子的小角度振荡•涨落电流的热噪声29三、分子间的吸引力与排斥力rfo力分子斥力引力1、吸引力和排斥力很多物质的分子引力作用半径约为分子直径的两倍左右，超过这一距离，分子间相互作用力已很少。排斥力作用半径就是两分子刚好“接触”时两质心间的距离。2、分子力与分子热运动分子力是一种电磁相互作用力，故它是一种保守力，它应该有势能，称为分子作用力势能。30§1.6理想气体微观描述的初级理论32533230107.2104.221002.6mmn一、理想气体微观模型1、分子本身线度比起分子间距离小得多而可忽略不计Loschmidt常数：标准状态下分子间平均距离:mmnL93/1253/10103.3)107.21()1(31氮分子半径mNMnrAm103/13/1104.2)43()43(2、除碰撞一瞬间外，分子间互作用力可忽略不计。分子在两次碰撞之间作自由的匀速直线运动3、处于平衡态的理想气体，分子之间及分子与器壁间的碰撞是完全弹性碰撞在常温下，压强在数个大气压以下的气体，一般都能很好地满足理想气体方程。处于平衡态的气体均具有分子混沌性4、分子的运动遵从经典力学的规律32二、单位时间内碰在单位面积器壁上的平均分子数tvΔAabcxyz06ntvAN,6vntAN)4(vn得到以后可用较严密的方法33三、理想气体压强公式xvmxvm-2Avoyzxyzx1Avyvxvzvo设边长分别为x、y及z的长方体中有N个全同的质量为m的气体分子，计算壁面所受压强.1A34单个分子对器壁碰撞特性:偶然性、不连续性.大量分子对器壁碰撞的总效果：恒定的、持续的力的作用.热动平衡的统计规律（平衡态）VNVNndd1）分子按位置的分布是均匀的2）分子沿各方向运动概率均等kjiiziyixivvvv分子运动速度35zyxvvv各方向运动概率均等iixxN221vv方向速度平方的平均值x222231vvvvzyx各方向运动概率均等36单个分子遵循力学规律xvmxvm-2Avoyzxyzx1Aixixmpv2x方向动量变化分子施于器壁的冲量ixmv2两次碰撞间隔时间ixxv2单位时间碰撞次数2xvix单个分子单位时间施于器壁的冲量xmix2v37xvmxvm-2Avoyzxyzx1A大量分子总效应单位时间N个粒子对器壁总冲量2222xixiixiixxNmNxNmxmxmvvvvi器壁所受平均冲力xNmFx2v1A38xvmxvm-2Avoyzxyzx1A气体压强2xxyzNmyzFpv统计规律xyzNn2231vvx分子平均平动动能2k21vmk32np39压强的物理意义k32np统计关系式宏观可测量量微观量的统计平均值分子平均平动动能2k2