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第1章 低温热力学基础 1.1 气体的基本状态参数 物质状态参数是描写物质在每一聚集状态特性的物理量。换言之，物质的每一状态都有确定数值的状态参数与之呼应，只要有一个状态参数发生变化，物质的状态就相应地发生改变，描述气体状态的基本参数有温度、压力和比体积等。 1.1.1温度 温度可以表示物质的冷、热程度。从分子运动论的观点看，温度是物质分子热运动平均动能的度量，温度越高，分子热运动的平均动能就越大。 测量某物质的温度，当然要以数值加以表示，从而比较出物质间的温度差异，而温度的数值通过“温标”来表示，温标就是衡量物质温度的标尺。温标规定了温度的起始点（即零点）和测量温度的基本单位。由于所选用的测量方法以及定义的起始点不同，产生了各种不同的温标，目前常用的温标有：摄氏温标（℃），华氏温标（℉）和热力学温标（K）3种。 摄氏温标应用得最早而且最广，分度的方法是规定标准大气压下纯水的冰点是摄氏0度，沸点为摄氏100度，将其平分为100等分，每一等分为1度，用符号℃标记。低于冰点的温度用负值表示。 华氏温标的物理基础与摄氏温标的物理基础相同。华氏温标规定在标准大气压下纯水的冰点是32华氏度，沸点为212华氏度，将其平分为180等分，每一等分为1度，用符号℉标记。 热力学温标又称绝对温标或开尔文温标，它依据热力学基础而建立。绝对温标规定在标准大气压下纯水的三相点为273.16度，沸点与三相点间分为100格，每格为1度，记做符号K，把-273.16℃定为绝对零度。从绝对零度算起，绝对温标的刻度与摄氏温标的相同。 各温标间的换算关系为: t (℃) = T - 273.16 t (℃) = 5/9(F-32) T (K) = t + 273.16 T (K) = 9/5t + 32 定量测量温度的仪器有水银温度计、电阻温度计、热电偶温度计等。仪表所指示温度通常为摄氏温标，而工程计算中常采用绝对温标，为此应熟悉两种温标的换算。 1.1.2 压强（压力） 分子运动论把气体的压力看作是气体分子撞击容器内壁的宏观表现。单位面积上所受的垂直作用力称为压强。工厂里习惯叫做“压力” 在法定单位制中，压力的符号为P（p），单位名称“帕斯卡”，单位符号为Pa。 压力常用的单位有物理大气压、工程大气压、mmH2O和mmHg、以及lbf/in2。 物理大气压（atm）是温度为0℃时，纬度为45°海平面上大气的平均压力，也可以称为标准大气压。 工程大气压是工程技术上常用的压力单位，是指每cm2面积上作用1kg力而产生的压力，单位可用kgf / cm2表示。 而mmH2O和mmHg是在压力测量中直接读出的水柱和水银柱高度，于是直接用高度来表示压力的大小。 lbf/in2是英、美等国家的压力单位。 现在统一用国际单位Pa，表示每1m2面积上垂直作用1N的力而产生的压力。105Pa为1bar（巴），可以与国际单位Pa并用。 各单位的换算关系为： 1 atm ＝ 1.013×105 Pa 1 kgf / cm2 ＝ 9.80665×104 Pa 1 mmH2O ＝ 9.80665 Pa 1 mmHg ＝ 133.32 Pa 1 lbf/in2 ＝ 6894.76 Pa 测量压力的仪表所指示的压力往往是被测压力的绝对值与大气压力之差。容器内气体对容器壁的实际压力称为绝对压力。当容器内气体对容器壁的实际压力高于当时大气压力时，其差值称为表压力。当容器内气体对容器壁的实际压力比大气压力低时，其差值称为真空度。三者关系：P绝=P表+P大气 ，P绝=P大气－P真空度 。 用压力表测出的只能是表压力和真空度，而实际计算时都用绝对压力，因为绝对压力才能说明气体的真实状态。 1.1.3 比体积 单位质量气体所具有的容积称为比体积，又称质量体积，俗称比容，用符号υ表示，单位m3 / kg。如G kg气体占V m3 的容积，则该气体的比体积υ＝V/G（m3/ kg），反之，单位容积的气体质量，称为气体的密度，以ρ表示，则ρ＝G/V（kg/ m3）。可见，比体积和密度互为倒数，即υ＝1/ρ或ρ＝1/υ。 在表明气体的比体积或密度时，必须说明气体所处的状态。因为同一气体在不同的温度或压力条件下，具有不同数值的比体积和密度。在标准状态下（压力为1.01×105 Pa，温度为0℃时）气体的比体积与密度分别以υ0和ρ0表示。 除了温度、压力、比体积等基本状态参数外，比热容、热力学能、焓、熵等也是气体状态参数，后面的章节中将陆续予以介绍。 1.2 气体基本定律 气体的基本定律是表示气体状态发生变化时，气体的基本状态参数p、υ、T三者之间关系的定律。若用方程形式表示出来即为状态方程。 气体的分子间距较大，气体分子在它们所占的容积内以很快的速度运动着，并且相邻两次碰撞之间都做直线运动。在压力不高与温度