第4章 热学.pptVIP

* 第4章 热学基础 1.热学的研究对象 热现象: 热 学: 物体与温度有关的物理性质及状态的变化 研究热现象的理论 宏观量 2. 热学的研究方法 微观量 描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度等。 描述微观粒子特征的物理量；如分子的质量、速度、能量、动量等。 基本内容 微观粒子 观察和实验 出 发 点 热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质 二者关系 无法自我验证 不深刻 缺 点 揭露本质 普遍，可靠 优 点 统计平均方法 力学规律 总结归纳 逻辑推理 方 法 微观量 宏观量 物 理 量 热现象 热现象 研究对象 微观理论 （统计物理学） 宏观理论 （热力学） 1. 系统和外界 热力学系统 热力学所研究的具体对象，简称系统。 外界 系统由大量分子组成，如气缸中的气体。 系统以外的物体 系统与外界可以有相互作用 例如：热传递、质量交换等 系统 ? ? ? ? 系统的分类 开放系统 系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。 封闭系统 系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。 基本概念及专业术语 孤立系统 系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。 2.气体的状态参量 温度(T) 体积(V) 压强(p) 分子无规则运动所能达到的空间（容器的体积） 大量分子对单位面积器壁的平均冲力 统计量，对单个分子无意义 大量分子热运动的剧烈程度，统计量 温标：温度的数值表示方法 国际上规定水的三相点温度为273.16 K 定义 在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。 3. 平衡态 说明 (1) 不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；如： 两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态； 处于重力场中气体系统的粒子数密度随高 度变化，但它是平衡态。 低温T2 高温T1 (2) 平衡是热动平衡 (3) 平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示 (4) 平衡态是一种理想状态 无论有多少物体相互接触都能达到热平衡，如果系统A和系统B分别与系统C的同一状态处于热平衡，那么当A与B接触时，它们也必定处于热平衡而不发生新的变化。 4.热力学第0定律 A C B A B 一. 理想气体的微观模型 (1) 不考虑分子的内部结构并忽略其大小 (2) 分子力的作用距离很短，可以认为气体分子之间除了碰撞的一瞬间外，其相互作用力可忽略不计。 (3) 碰撞为完全弹性 理想气体分子好像是一个个没有大小并且除碰撞瞬间外没有相互作用的弹性球。 二. 理想气体状态方程 4.1 理想气体的压强和温度 气体总质量 1mol气体质量 三. 平衡态气体分子的统计性假设 1. 每个分子的运动速度各不相同，且通过碰撞不断发生变化。 2. 分子速度按方向的分布均匀 由于碰撞, 分子向各方向运动的概率相同，所以 四. 理想气体的压强公式 气体的压强是由大量分子在和容器壁碰撞中不断给容器壁以力的作用所引起的。 例: 雨点对伞的持续作用 1. 从气体分子运动看气体压强的形成 2. 理想气体的压强公式 设一体积为V 的长方形容器,边长分别为l1,l2,l3 ，内贮处于平衡态理想气体，分子总数为 N，每个分子质量 为m · 第i个分子与器壁碰撞一次获 得的动量增量 i mv ix A x y z 1 2 3 mv ix l l l · 第i个分子一次碰撞给予器壁的冲量： · 第i个分子单位时间对A的碰撞次数: · 第i个分子1秒钟给予器壁的冲量= · N 个分子的冲力： F 1 2 3 S l l l N 个分子给予器壁的压强: 第i个分子给器壁的平均冲力 (1) 压强 p 是一个统计平均量。它反映的是宏观量 p 和微 观量 的关系。对大量分子，压强才有意义。 说明 (2) 压强公式无法用实验直接验证 · · · 由理想气体状态方程 在相同的温度和压强下，各种气体的分子数密度相等。 得 其中 ，称为玻耳兹曼常量。 将上式和理想气体压强公式比较，可得 气体分子的平均平动动能只与温度有关，与气体的种类无关。 五.温度的微观实质及统计意义 说明 (1) 温度是大量分子热运动平均平动动能的度量.它反映了 宏观量T 与微观量 的统计平均值之间的关系。 (2) 温度是统计概念，是大量分子热运动的集体表现。 对于单个或少数分子来说，温度的概念就失去了意义。 方均根速率 解： 氢气和氧气分子的平均平动动能相同 例 求0℃时氢气分子和氧气分子的平均平动动能和方均根速率． 氢气的方均根速率 氧气的方均根速率 * * *