第1章 温度要点课件.ppt

1,热学,第一章,温 度,2,热学,1.平衡态 状态参量,一、平衡态,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,3,热学,箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越界线，但两侧粒子数相同。,例如：粒子数,说明：,处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间 改变。,平衡态是一种热动平衡,1）单一性（处处相等）;,4,热学,1）理想化（实际不存在真正的孤立系统）；2）动态平衡。,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）.,5,热学,二、状态参量,描述系统状态的变数,几何参量：体积（m3）,化学参量：质量（kg），物质的量（mol）,电磁参量：电场强度，电极化强度，磁感应强度，磁化强度,力学参量：压强（Pa=N/m2）,6,表征系统宏观性质的物理量,如系统的体积V、压强P等可直接测量分为广延量和强度量广延量有累加性如质量M、体积V、内能E等强度量无累加性如压强 p等,描写单个微观粒子运动状态的物理量,如分子的质量 m、大小 d、速度 v等一般只能间接测量,7,热学,2.温 度,一、热力学第零定律,热接触：传热但不交换粒子,热平衡：两个系统在热接触的条件下达到了一 个共同的平衡态。,在不受外界影响的情况下，只要C和B同时与A处于热平衡，即使B和C没有接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律被称为热平衡定律（热力学第零定律）。,8,9,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。科学定义温度概念的基础 用温度计测量温度的依据。,温度计,二、温 标,以第零定律为实验基础定义的温度是一个宏观概念，量化之后就成为一个可测量的宏观量。对温度进行量化，首先必须确定温标。温标定义：温度的数值表示法。温标分类：经验温标;理想气体温标；热力学 温标；国际温标。,建立经验温标三要素：1、选择物质。如：水银，酒精，煤油等。2、规定测温属性以及温度T 与测温参量X 之 间的函数关系。通常规定为线性关系，如：T(x)=a.X。测温参量X:如保持等容的气体 的压强p;保持定压的气体的体积V。3、规定固定点：一个标准大气压下，冰水混合物的温度为0，水和水蒸气混合物的温度为100.,温标的建立 1、自然温标：利用特定的测温物质的特定测温属 性所建立的温标统称为自然温标。（1）摄氏温标：由瑞典天文学家摄尔修斯于1742 年建立的。测温物质：水 银。测温参量：体 积。标准温度点：在1个大气压下，水的冰点为0；沸 点为100 刻度划分：在0-100 之间等分100格，每格为1。,（2）华氏温标：由德国物理学家华伦海特于1714年 建立的。测温物质：水 银。测温参量：体 积。标准温度点：在1个大气压下，水的冰点为32；沸点为212。刻度划分：在32-212 之间等分180格，每格为1。华氏温标和摄氏温标的关系:,即，摄氏度改变1相当于华氏度改变9/5,2、理想气体温标:下图中给出了利用不同的摄氏温度计来测量同一被测对象的温度所得的结果的差异情况。,思考：各种物质的各种测温属性随温度的变化不可能都是一致的，如果我们规定某物质的某种测温属性与温度成线性关系，则其他测温属性与温度的关系就不可能是线性的。因此，用不同的测温物质或同一物质的不同性质建立温标往往不一致。,需要一个作为统一标准的温标,理想气体温标,气体温度计：A。以某种气体（O2，He，H2，N2）作为测温物质。B。测温属性为 T（x）=X C。根据测温参量的不同，气体温度计又可分为两种类型。,（1）定压气体温度计：（在测温过程中保持压强不变）测温属性为：T（V）=V 规定水的三相点为标准温度点，即 于是有：上式中的系数,（2）定容气体温度计：（在测温过程中保持体积不变）测温属性为：T(p)=p 规定水的三相点为标准温度点，即 于是有：上式中的系数,注意：定容气体温度计是较常用的，下面给出其工作 原理图。,定容气体温度计工作原理：上图是定容气体温度计的示意图。温度计由一个测温泡B和一个水银压强计组成，测温泡B内充有作为测温质气体。测温时，测温泡B 必须与待测物体热接触，并要上下移动压强计的右臂M，使左臂N中的水银面在不同温度下始终固定在同一位置O上，以保持B内气体体积不变。当待测温度变化时，B 内气体的压强也变化，气体的压强可以由水银压强记测得。利用压强计所标示的压强就可以测定待测物体的温度。,气体温度计的缺点：我们来看一个用气体温度计测量水的汽点温度的实验结果，其实验结果如下图所示：,从以上实验数据可以看出：1、同种气体制作成的温度计，温度计中的气体压强不同，其测量结果也不同。2、温度计中的压强相同，但用不同气体制作成的温度计，其测量结果也不相同。3、当温度计中的压强趋于0 时，不管何种气体制成的温度 计，测得的水的汽点的温度都是相同的。即,就是由以上实验结果，导致了理想气体温标的建立。下面进行具体讨论：,以某种气体作为测温物质制成定容气体温度计，下面讨论如何建立理想气体温标。测温物质：某种气体。测温属性：气体体积不变时气体的压强 p。以T表示温度，用p表示定容温度计B内气体的压强，规定温度T与压强p成正比。即线性关系：Tv(p)=.p.（1）（比例系数可根据纯水的三相点温度来确定）将测温泡置于纯水三相点瓶胆中，平衡后测得泡内气体压强为 pt r,此时泡内气体的温度为273.16K,由（1）式 得：=273.16K/pt r.（2）,理想气体温标,（2）代入（1）得：Tv(p)=273.16K.p/pt r利用此式，根据温度计中气体压强p，便可确定待测系统的温度Tv(p)。实验表明：以不同气体为测温物质，Tv(p)存在差异。但在ptr 降低时，差异逐渐消失，在ptr 0的极限下，亦即测温泡内的气体密度趋于零的极限下，它们趋于一个共同的极限值，这样定义的温标称为理想气体温标：,理想气体温标利用的是气体的性质，因此在温度低于液化温度时，此温标便失去意义。所能测量的最低温度为0.5 K(低压3He 气体）。,3、理论温标热力学温标（开氏温标，绝对温标）：,（1）理想气体温标的缺点：实验发现，在极低的温度下（1K 以下）和极高的温度下（1000度以上），理 想气体温标就不适用了。（2）由于温度概念在热力学理论中的重要性，建立一个 完全不依赖于任何测温物质及其测温属性的温标是 十分必要的。1848年爱尔兰科学家开尔文在热力学 第二定律的基础上引入了一种能满足此项要求的温 标，称为热力学温标。,（3）利用热力学温标所确定温度叫做热力学温度。为了纪 念开尔文，就把热力学温度的国际单位确定为开尔文。简称 开，用符号 K 表示。1K的大小定义为水的三相 点热力学温度的 1/273.16。（4）热力学温标只是 一种理论温标（参见第六章的导出过 程），无法具体实现。但是可以从理论上证明在理想 气体温标的有效范围内，热力学温标与理想气体温标 完全一致的。另外，因为热力学温标与任何测温物质 都无关，是一种最理想的温标，具有绝对意义，因此 又常常将此温标叫做绝对温标。（5）为了统一摄氏温标和热力学温标，1960年国际计量 大会 对摄氏温标重新作了规定：摄氏温标由热力 学温标导出，并规定常用的摄氏温标 t（C)的定义，t=T 273.15 K,国际实用温标：为克服气体温度计使用的繁复及统一各国温标，自1929年起，经多次修改，国际上规 定的一种实用温标，现为1990国际温标（ITS-90）。ITS(International Temperature Scale),27,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、磁温度计、频率温度计,辐射测温法,声学测温法：声学温度计,开尔文,28,3.气体的状态方程,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。,一、理想气体物态方程,1、玻意耳定律,一定质量的气体，温度不变 PV=C注意：（1）温度不变，PV为一常数；温度改变，常数也要改变（2）P不太大，T要不太低时适用；P越低，遵守得越好。,29,2、理想气体状态方程,3、普适气体常数R,1摩尔理想气体在压强为1atm,温度为273.15K时（冰点）,解：根据理想气体状态方程（1.12）式，四氯化碳的摩尔质量为,四氯化碳的分子量为154,例题2：一容器内贮有氧气0.100kg，压强为10atm，温度为47，因容器漏气，过一段时间后，压强减到原来的5/8，温度降到27。若把氧气近似看作理想气体，问：（1）容器的容积为多大；（2）漏了多少氧气。已知氧气的分子量为32.0。,解：（1）根据理想气体状态方程（1.12）式，可求得容器的容器为,（2）容器漏气后，压强为p,温度降为T,如果用M表示容器中剩下的氧气的质量，则M可用状态方程求出：,因此，漏掉的氧气的质量为 M-M=0.100kg-0.067kg=0.033kg,解：设待测温度为T，由于毛细管C很长，德银材料的导热性能又很差，所以A中的气体与待测物质达到热平衡，即温度降为T时，B中气体的温度却仍保持为室温为T0,但这时B中气体和A中气体的压强却是相等的。,而B中气体的质量将为.,设A中原有气体的质量为mA，B中原有气体的质量为mB，当A浸入待测物质，压强降低时，将有一部分气体由B经毛细管C进入A。压强达到平衡后，A中气体的质量将为,根据理想气体状态方程式，可以列出以下各式：,将上行两式相加得,将下行两式相加得,所以,由此解出，,三、混合气体的状态方程,1、道尔顿分压定律：在处理混合气体问题时，科学家道 尔顿 通过实验得到了如下定律：混合气体的压强等于各个组分的分压强之和。即,分 压 强：混合气体中的某种气体组分单独存在时的压强。单独存在：某种气体组分在与混合气体的温度、体积 都相同时，以化学纯状态的存在。,示意图！,2、混合气体的状态方程：,根据道尔顿分压定律：,结 论：混合气体状态方程的形式与单元气体状态方程的 形式完全相同。,M为平均摩尔质量,38,四、非理想气体的状态方程：,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。但是随着温度不断降低，压强不断增大，实际气体的性质和理想气体的状态方程的差异越来越大。此时，理想气体状态方程就不适用了。需要建立适合于非理想气体的状态方程。,找真实气体物态方程的途径：修改理想气体模型，在理论上导出物态方程 从实验中总结出经验的或半经验的公式在这方面，前人做了大量的工作，取得了许多成果。主要代表有两个：范德瓦耳斯方程；昂尼斯方程。,39,一.气体分子间的作用力,分子间的作用力十分复杂。不过总的来说，分子力基本上是电磁力。,r 大无作用,r 小吸引,r 更小排斥,r0 平衡距离（d）,s 有效作用距离（10d）,40,对理想气体模型需要做两方面的修正：,二.范氏气体模型,考虑气体分子本身的体积,考虑分子之间的相互作用力,41,1、分子体积引起的修正1mol理想气体的物态方程 pVm=RT,若将分子视为刚球，则每个分子的自由活动空间就不等于容器的体积，而应从Vm中减去一个修正值b。,理想气体物态方程应改为 P（Vm-b）=RT,可以证明,Vm是分子自由活动空间，理想气体分子是没有体积的质点，故Vm等于容器的体积。,Vm为气体所占容积，Vm-b为分子自由活动空间,设想：对任意一个分子而言，与它发生引力作用的分子，都处于以该分子中心为球心、以分子力作用半径 s 为半径的球体内。此球称为分子力作用球。,处于器壁附近厚度为R的表层内的分子周围分子的分布不均匀，使平均起来受到一个指向气体内部的合力，所有运动到器壁附近要与器壁相碰的分子必然通过此区域，则指向气体内部的力，将会减小分子撞击器壁的动量，从而减小对器壁的冲力。这层气体分子由于受到指向气体内部的力所产生的总效果相当于一个指向内部的压强，叫内压强 Pi。,2、分子力修正,处于容器当中的分子 平衡态下，周围的分子相对于球对称分布，它们对的引力平均说来相互抵消。,43,所以，考虑引力作用后，气体分子实际作用于器壁并由实验可测得的压强为,pi的相关因素,3、范德瓦尔斯方程,1 mol气体的范德瓦耳斯方程,44,4.范德瓦耳斯方程的一般形式,式中M为摩尔质量，将上式代入右式得,上式就是质量为m的气体范德瓦耳斯方程的一般形式。式中常量a和b与1 mol气体的相同。,45,5、范德瓦耳斯常量 改正量a和b称为范德瓦耳斯常量。对于一定种类的气体，范德瓦耳斯常量都有确定的值；对不同种类的气体，范德瓦耳斯常量也不同。还必须注意的是，a和b都应由实验来确定。,实际气体在很大范围内近似遵守范德瓦尔斯方程。,1mol N2在等温压缩过程中的实验值和理论值的比较：,理论上把完全遵守此方程的气体称为范德瓦尔斯气体。,昂尼斯方程：,