第一章温度课件.ppt

1.1 热力学系统的状态参量、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）,二、平衡态与非平衡态,1、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，这种状态叫做平衡态。,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（有别于力平衡）.,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。,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。,平衡态可以用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。,1.2 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,1.2 温度与温度计,二、热力学第零定律,1、绝热壁与导热壁,2、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。,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,三、温标,（一）温标的定义及建立1、温标：温度的数值表示法（温度的量化）2、温标的建立,水银摄氏温度计,液态水银的体积变化来反映温度变化,标准状态下：冰水混合物温度为0度 沸水温度为100度,体积的变化与温度成线性关系,推广,选定测温属性,选定固定点(参考点),规定变化关系（线性关系）,建立温标的三要素,三、温标,讨论：？摄氏温标的同一性,常用摄氏温度计,氢定容温度计,水银温度计,铂电阻温度计,二氧化碳定压,总结：1、各种摄氏温标除了所选固定点，都不存在同一性；2、规定了一种测温属性与温度是线性关系，则其他属性就不一定是严格线性关系；3、各种摄氏温标需要标准温标校准,理想气体温标；,三、温标,(二)理想气体温标1、气体温度计：定容气体温度计：V一定；T(p)定压气体温度计：p一定；T(V),三、温标,(二)理想气体温标2、定容气体温标建立：测温属性 一定质量气体在定容下的压强 固定点 水的三相点273.16K 线性关系,确定系数a:,2 温 标,(三)理想气体温标2、定容气体温标讨论:?同一性,以测温泡内的气体作为研究对象,气体质量与同一性?,气体种类与同一性?,结论:同一气体,ptr,T;ptr0,T0不同气体,ptr0,T0,当ptr0时,定容气体温标与气体种类及质量无关,空气,N2,O2,H2,三、温标,(二)理想气体温标3、定压气体温标建立讨论:?同一性,Ne,N2,H2,结论:同一气体,p,T;p0,T0不同气体,p0,T0,当p0时,定压气体温标与气体种类及质量无关,三、温标,(二)理想气体温标4、定压与定容气体温标讨论:?同一性,Ne(p),N2(p),H2(p),结论:,当p0时,定容和定压气体温标与气体种类及质量无关,趋于同一个极限值.,Ne(V),H2(V),N2(V),三、温标,(二)理想气体温标,结论:,1、理想气体温标与气体种类(即气体个性)无关,但依赖于气体的共性.2、对于极低温度（气体液化）和极高温度（1000）不适用,Or,Or,Or,三、温标,(三)热力学温标热力学温标（开尔文温标）是一种不依赖于测温物质和测温属性的温标热力学温度，符号：T；单位：开（尔文），K；定义：1开等于水的三相点热力学温度的1/273.16。,结论:,1、热力学温标是最基本的温标；是一种理想温标；2、理想气体温标在其适应的范围，与热力学温标一致，为可实现的温标。,三、温标,(四)摄氏温标和华氏温标摄氏温标：符号，t；单位：摄氏度（）；定义：华氏温标:符号，tF；单位：华氏度（）；定义:,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,课堂练习,题:道尔顿提出一种温标：规定在给定的压强下理想气体体积的相对增量正比于温度的增量，采用在标准大气压时水的冰点温度为0摄氏度，沸点温度为100摄氏度。试用摄氏温度t来表示道尔顿温标的温度。,解:设理想气体的压强一定时,温度的增量为da,相应的体积的相对增量为 V/V,比例系数为,则按规定有:,完成上式得积分,参考点,则任意温度下:,理想气体摄氏温标:,综上,&参考点选择:,20,1.3 物态方程,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、玻意耳定律,二、理想气体物态方程,在气体压强趋近于零的极限情况下，可以引入理想气体温标的定义，并且这时玻意耳定律和阿伏伽德罗定律都严格成立，据此，就能导出理想气体物态方程。对于定压气体温度计有 V(T)=VtrT(V)/273.16K.用此温度计内气体的压强(即ptr)乘上式两端可得 ptrV(T)=ptrVtrT(V)/273.16K=ptr(vtr)T(V)/273.16K=(ptrvtr/273.16K)T(V).,三、理想气体物态方程,在等温条件下随意将此温度计内气体的压强和体积分别改变为任意值 p 和V，则由玻意耳定律可知 pV=ptrV(T)=(ptrvtr/273.16K)T(V).在气体压强趋近于零的极限情况下，按照理想气体温标的定义，T(V)将趋近于理想气体温度(即热力学温度)T，同时根据阿伏伽德罗定律可知(ptrvtr/273.16K)也将是与气体性质无关的常量。,二、理想气体物态方程,若令(ptrvtr/273.16K)=R，在气体压强趋近于零的极限情况下就得到:pV=RT这样，根据玻意耳定律和阿伏伽德罗定律，再利用理想气体温标的定义，就导出了理想气体物态方程。,理想气体的宏观定义,通常把严格遵守理想气体物态方程的气体称为理想气体。因而也可以说，凡严格服从玻意耳定律和阿伏伽德罗定律的气体是理想气体。实际上，理想气体也严格服从焦耳定律气体的内能只是温度的函数。因此有人认为：只有严格服从玻意耳定律、阿伏伽德罗定律和焦耳定律的气体才是理想气体。,理想气体的宏观定义,但是以后在理论上又可以证明：凡严格遵守理想气体物态方程的气体必定也严格服从焦耳定律。因而，最终又可以说：凡严格遵守理想气体物态方程的气体就是理想气体。当然也可以说：凡严格服从玻意耳定律和阿伏伽德罗定律的气体就是理想气体。,一口气里的分子数,理想气体物态方程为 pV=RT由此可得 p=RT/V=(N/NA)RT/V=(N/V)(R/NA)T=nkT.,因此，理想气体在标准状态下的分子数密度（即洛施密特常量）为 n0=p0/(kT0)=1.013105/(1.3810-23273)2.691025(m-3).,成年人呼吸时每呼出一口气的体积约为V1=0.40L，由此可见，一口气里包含的分子数约为N1=n0V1=2.710220.40 1.11022(个).,地球表面71%是海洋，陆地平均高度为 875 m，并不高。因而可以近似认为整个大气层都是从海平面向上延伸的。而大气的重量可用标准大气压与地球表面积 S 的积来估算。于是，地球大气里的分子总数约为N=Sp0/g(/NA)=Sp0NA/(g)=4(6.4106)21.01056.01023/(2910-39.8)1.11044(个).,地球大气里的分子总数,地球大气分子的总数与一口气里的分子数之比为 N/N11.11044/(1.11022)=1.01022.这就表明地球大气大约包含了1.01022口气，而一口气里又有1.11022个分子，两者数量级相同，数值上差不多。人们常说：我们都是炎黄子孙。如果炎帝(或者黄帝)在临终时呼出了一口气，经过几千年后这口气里的分子现在应该已经均匀地分布在整个大气中。,由此可见：我们现在呼吸的每一口气里，都应当包含有炎帝（或者黄帝）临终时呼出的那一口气中的一个分子.基于同样的理由，在我们每个人的血管里也总有炎帝（或者黄帝）的血液中的水分子在流动，并且这样的分子的数目多达成千上万个。,32,四、混合理想气体物态方程,道尔顿分压定律:,阿马格分体积定律,根据理想气体物态方程和道尔顿分压定律可以导出阿马格分体积定律，具体的推导过程如下。将理想气体物态方程应用于混合理想气体中的第 i 种组分可得:,pVi=iRT=Vpi.对各种组分求和得:pVi=iRT=Vpi.用 p 除上式左右两端则得:Vi=Vpi/p.由道尔顿分压定律知p=pi，由此可见 Vi=V.以上结果表明：混合理想气体的体积等于各组分的分体积之和，这个结论称为阿马格分体积定律。,平均摩尔质量,M=Mi=i i 体积分数(压强分数)Vi/V=pi/p=i/=Ni/N=ni/n 摩尔质量分数:i/质量分数:Mi/M=(i/)(i/)=(Vi/V)(i/)=(i/),由质量分数Mi/M 求平均摩尔质量,=M/=M/(i)=M/(Mi/i)=1/(Mi/M)(1/i)1=(Mi/M)i1,由体积分数Vi/V求平均摩尔质量,=M/=(Mi)/=(ii)/=(i/)i=(Vi/V)i 请注意：p=pi、V=Vi、=i、N=Ni、n=ni、M=Mi、=i,这些等式都成立。,但是，平均摩尔质量 i，并且分子的平均质量m mi，使用时一定要分清。混合理想气体的密度和其中各组分的密度干洁大气的平均摩尔质量、密度与其中各组分的密度,非理想气体物态方程,非理想气体物态方程 范德瓦耳斯方程 范德瓦耳斯气体,第一章小结,作业:13,15,19,30,32,