热学教程第一章.ppt

刘士勇2011/2/22,热 学,简历,教育背景1996-2000 北京大学化学与分子工程学院 本科2000-2006 北京大学理论生物学中心 博士 博士论文题目：蛋白质功能预测与功能蛋白质设计 导师：来鲁华 教授2006-2009 美国堪萨斯大学生物信息学中心 博士后研究员 研究项目：蛋白质-蛋白质分子对接 导师：Ilya Vakser 教授2009-至今 华中科技大学物理学院 副教授 研究方向 生物大分子相互作用,为纯科学呼吁（1883年8月15日）,Henry Augustus Rowland(November 27,1848 April 16,1901,我时常被问及这样的问题：纯科学与应用科学究竟哪个对世界更重要。为了应用科学，科学本身必须存在。假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用，我们很快就会退化成中国人那样，多少代人以来他们都没有什么进步，因为他们只满足于科学的应用，却从来没有追问过他们所做事情中的原理。这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药的应用已经若干世纪，如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理，他们就会在获得众多应用的同时发展出化学，甚至物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实，而没有寻根问底，中国人已经远远落后于世界的进步。我们现在只是将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。,但是，未来还是有因纯粹热爱而研究自然的人，以前人们未曾获得过的更崇高的奖赏在等待着他们。我们已经开始追求科学，站在门槛上想知道里面究竟有什么。我们通过重力定律解释了行星的运动，但是谁将解释是什么样的力量让两个相隔数百万英里的天体彼此相向运动呢？今天，我们能够非常容易地测量电量和电流，但是我们有方法来解释电的现象吗？光是波动的，但我们知道波动的是什么吗？热是一种运动，但我们知道运动着的是什么吗？普通物质随处可见，但是谁探究出了其内部组成的奥秘呢？,课程介绍,专业必修课 48学时；2.5学分先修课程：微积分、力学教学目的：通过本课程学习，掌握热现象的唯象性规律，了解热现象作为大量粒子无序运动的本质，为大学阶段的其他课程的学习打好理论基础。,目录,新增 热力学第三定律（2学时）,课程要求,学习要求按时完成作业纪律要求缺课1/3以上者，不予考试资格,课程要求,成绩规定平时：30%；考试：70%出勤、作业、课堂学习状态、回答问题等,办公室:科技楼 512B 房间电话:87558335-805(O);,引言 01 热学的研究对象,热学是以物质的热运动以及热运动与其它运动形态之间的转化规律为其研究对象的一门学科。,引言 02 热学的研究方法一、热力学,得理想气体状态方程,实验宏观量间（比如物体的温度、压强、热容量等）基本关系,对粒子的微观量，例如位置、速度、动量、转动、振动等，通过统计平均推导系统的热力学性质,引言 02 热学的研究方法二、统计力学,按粒子遵循经典力学规律统计 经典统计,按粒子遵循量子力学规律统计 量子统计,华伦海特华氏温标1724用水银代替酒精,波义耳1627-1691 笛卡尔1596-1650培根 1561-1626摩擦生热热是一种运动,洛莫诺索夫1711-1765热是分子运动的表现,迈尔1814-1878热功当量（1842）Cp,m-CV,m=R,焦耳1818-18891cal=4.186J热力学第一定律,卡诺1796-1832卡诺定理(1824),热是一种流质，名叫热质，可透入一切物体之中，不生不灭；一个物体是冷还是热，就看它所含热质是多还是少。,瓦特,能斯特1864-1941热力学第三定律,卡诺1796-1832卡诺定理(1824),福勒热力学第零定律(1930),热功当量实验装置,迈尔（Robert Mayer）德国，1842年提出能量守恒概念,亥姆霍兹（Helmholtz）德国，1847提出并证明能量守恒定律,Joule（1818 1889）英国 1840，焦耳定律1843，热功当量,热力学理论框架,第一章 温度,1-1 平衡态 状态参量,一、热力学系统,在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态 平衡态。,第一章 温度,1-1 平衡态 状态参量,二、热力学系统的平衡态,例.平衡态和稳定态,平衡态,稳定态,稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。,平衡态判据：系统内部温度均匀、压强均匀。,T1T2,三：平衡态可以用状态参量描述,平衡态,几何、力学、化学、电磁,1.热平衡态：由导热板隔开（或直接接触）的两个系统，达到的共同平衡态。,1-2 热力学第零定律和温度,一 热力学第零定律,2.热力学第零定律（热平衡定律）,分别与第三个系统(c)处于同一热平衡态的两个系统(A,B)必然也处于热平衡。,二 温度的概念,两个（或多个）热力学系统处于同一热平衡态时，它们必然具有某种共同的宏观性质。这一共同的宏观性质，称为系统的温度。,处于热平衡的多个系统有相同的温度。,三要素测温物质和 测温属性2.规定测温参量随温度的变化关系3.选定标准温度点并规定其数值,1-3 温标的建立,一、经验温标,如华氏温标1724年，Fahrenheit 测温物质：水银测温属性：水银柱长度X定标点：水的冰点：32F水的沸点：212F,温度的数值表示法叫做温标,水银温度计,热电偶温度计,不同热电偶电动势,工业常用的一种温度计,SA和SB是金属A和B的赛贝克系数B，T1和T2是两块金属结合处的温度。塞贝克系数取决于温度和材料的分子结构。,T(X)=X,测温参量随温度变化,怎样确定？,水的三相点为标准温度点,t=T-273.15,tF=32+9/5 tc,摄氏温标与华氏温标，热力学温标的关系,2011年2月24日,32,在固定点 t(X0)=t(Y0)=0 t(X100)=t(Y100)=100,33,解：测温参量X随温度t作线性变化即 t=ax+b于是：aX0+b=0(1)aX100+b=100(2)aX+b=t(X)(3)(2)-(1)得 a=100/(X100-X0)(3)-(1)得 t(x)=a(X-X0)=100(X-X0)/(X100-X0),利用特定的测温物质的特定测温属性建立的温标统称经验温标。缺点：不同经验温标测温有差异！能否找到一种与测温质的选择无关的温标？,问题的提出,测温物质：气体测温属性：气体压强固定点：水的三相点 关 系：,等体积气体温度计,二、理想气体温标,1.气体温度计,2、理想气体温标,实验发现 ptr=0 时不同气体给出相同的水汽点温度,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,ptr,2、理想气体温标,在压强极低的极限情况下，气体温标只取决于气体的共同性质，而与特定气体的特定性质无关。根据气体在压强趋近0的极限情况下所遵循的普遍规律建立的温标，叫做理想气体温标。,完全不依赖任何测温物质及其属性的温标。具体内容，且听第三章分解。,二、热力学温标和国际温标,1.热力学温标,2.国际温标,1990年国际温标规定以热力学温标为基本温标。热力学温度用T表示,单位K摄氏温度 t=T-273.15,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、物态方程,平衡态,1-4 理想气体状态方程,理想气体是突出气体共性，忽略次要因素而提出的理想化模型。许多气体在压强不太大、温度不太低时，皆可作为理想气体处理。,M是气体的质量，是气体的摩尔质量，R是摩尔气体常数（R=8.31 J/(molK)。,二 理想气体状态方程,一定质量（摩尔）的理想气体，任一状态下的 PV/T 的值都相等。见教材图1.10,阿佛加德罗定律：,在相同的温度和压强下1mol()任何理想气体的体积都相同。所以普适常数R为：,气体普适常量R的计算,分子数密度,玻尔兹曼常量,理想气体状态方程的另一种写法,1901年的普朗克,常数C在不同的温度下有不同的值，所以C是一个温度的函数。,解：,例2：由玻-马定律导出一个气体的定压温度计所测定的温度，与同一气体定容温度计所测定的温度相同（提示，用符号表示任意一种经验温标所定的温度，考虑一种特殊的温标,t(x)=100(X-X0)/(X100-X0),对于定容温度计，同样可以得到,三.几个与物态方程有关的名词,气体的体膨胀系数,气体的压强系数,理想气体 压强系数与膨胀系数相等,四.混合理想气体的状态方程,道尔顿分压定律:混合气体的压强等于各种气体分压之和:,例题1-2（教材),解 假设每次打进的空气的压强、温度、体积和摩尔质量为p1,T1,V1,则根据理想气体状态方程，每次打进空气的质量为,胎内气体质量：,故打气次数：,解 根据题意考虑大小容器中气体的初态到末态的状态变化，现以p1,V1,T1和p2,V2,T2分别表示大、小容器中气体处于初态时的各量，以带撇的符号表示末态的各个相应量。注意到初态和末态的压强分别相等。,初态计算总摩尔数,末态计算总摩尔数,二者相等,为了计算从小容器中留出的空气的体积，按照题意把初、终两态的容器气体在标准状态下的体积求出即可。,初态小容器气体在标况下的体积,末态小容器气体在标况下的体积,思考题 1.热运动与机械运动有何区别？2.用同一种标度法但采用不同测温质的同一种测温参量所制成的不同温度计同时测同一物体的某一温度，其结果是否相同？为什么？采用同种测温质的不同测温参量测温时，情况又如何呢？,一金属杆一端置于沸水中，另一端和冰接触，当沸水和冰的温度维持不变时，则金属杆上各点的温度将不随时间而变化。试问金属杆这时是否处于平衡态？为什么？答：金属杆就是一个热力学系统。根据平衡态的定义，虽然杆上各点的温度将不随时间而改变，但是杆与外界（冰、沸水）仍有能量的交换。一个与外界不断地有能量交换的热力学系统所处的状态，显然不是平衡态。,复 习 题,1-21-81-14,