黄淑清《热学》课件第四章
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《热学》面向物理学本科学生.pptx
国际通用
摄氏温标 C 华氏温标 F 兰氏温标 R
2019年10月8
t -273.15 0.00
0.01
100.00
t 0C
T K
273.15
国际通用
tF -459.67 32.00
32.02
212.00
t 0F
9 5
T K
459.67
英美等 国使用
TR 0
491.67 491.69 671.67
谢谢你的阅读
TR 1.8T
英美等 国使用27
4、热力学温标 是一种不依赖于测温物质和测温属性的温标
5、国际实用温标
实用温度 计简介
2019年10月8
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
开尔文
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
2019年10月8
谢谢你的阅读
18
§1.3 物态方程
一、物态方程
平衡态 Ti Ti ( pi ,Vi,m )或fi (Ti , pi ,Vi,m ) 0
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为状 态方程。
二、热膨胀现象
•等温压缩系数
四、混合理想气体物态方程
pV (1 2 n )RT
p 1
2019年10月8
RT V
2
RT V
谢 谢你的n 阅RV读T
p1
p2
pn
20
§1.4 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
摄氏温标 C 华氏温标 F 兰氏温标 R
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100.00
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国际通用
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32.02
212.00
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4、热力学温标 是一种不依赖于测温物质和测温属性的温标
5、国际实用温标
实用温度 计简介
2019年10月8
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
开尔文
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
2019年10月8
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18
§1.3 物态方程
一、物态方程
平衡态 Ti Ti ( pi ,Vi,m )或fi (Ti , pi ,Vi,m ) 0
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为状 态方程。
二、热膨胀现象
•等温压缩系数
四、混合理想气体物态方程
pV (1 2 n )RT
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§1.4 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
热学课件
v cV
dN
1
N dx
1
N 0e
x
dx
N 0 个 分 子 中 自 由 程 大 于 的 分 子 数 ：N N 0 个 分 子 中 自 由 程 小 于 的 分 子 数 ：N
N 0e
1
0 .3 7 N 0
N 0 N 0.63 N 0
[例] 已知： O2，d 3.6×10-10m，
( t r 2 s ) kT B
每交换一对分子，沿z轴正方向输运的能量为： 1 1 ( t r 2 s ) kT A ( t r 2 s ) kT B 2 2
dt时间内通过dS面输运的总能量,即沿z轴正方向传递的热量为：
dQ
1 6
n vd S d t
(t r 2 s ) 2
现象、热传导、扩散过程，这些过程都可归结为某种物理
量的迁移和输运，统称为输运过程。
模型：
• • • 气体是处于接近平衡态的非平衡态，故可认为每个局部区域 麦克斯韦速率分布率及分子平均速率公式仍适用。 输运过程是通过分子无规则热运动和碰撞实现的。描述这三 处于平衡态，可用温度、压强等状态参量表示。
种输运过程要用到分子自由程、碰撞频率等概念。
v z
：
气体分子在相邻两次碰撞间飞行的平均路程。
二. 平均碰撞频率 理想气体，在平衡态下，并假定： （1）只有一种分子； （2）分子可视作直径为 d 的刚球； （3）被考虑的分子以平均相对速率 u 运动， 其余的分子静止。
2d d
中心在 扫过的柱体内的分子都能碰撞
π d
单原子分子气体 双原子分子气体
t r 2 s 3, C V ， m
《热 学》课件
详细描述
热力学第三定律在低温技术和超导研 究中有着重要的应用。例如，在超导 材料的制备和研究中，需要充分考虑 和利用热力学第三定律来理解和控制 材料的物理和化学性质。
CHAPTER
05
热机与制冷机
热机的工作原理与效率
热机工作原理
热机是利用热能转换为机械能的装置，通过高温热源吸收热量，经过一系列的物理和化学变化，将热能转换为机 械能。
影响因素
物质的导热系数、温度梯度、物质的性质等。
对流
定义
对流是流体内部由于温度差异引起的流动，从而将热 量从高温部分传向低温部分的过程。
机制
对流的发生依赖于流体的流动，包括自然对流和强制 对流。
影响因素
流体性质、温度差、流速等。
辐射
定义
01
辐射是热量通过电磁波的形式传递的过程。
机制
02
物体通过吸收、发射和反射电磁波来传递热量，不受物质媒介
详细描述
保温杯利用热的不良导体减缓热量传递速度，达到保温效果；制冷技术利用相变 原理实现温度降低；能源利用方面，热能转换和利用技术为人类提供了大量的能 源。
CHAPTER
02
热量传递方式
热传导
定义
热传导是热量在物体内部由高温部分传向低温部 分的过程。
机制
热传导主要通过分子、原子等微观粒子的振动和 相互碰撞传递热量。
热力学第二定律
总结词
第二类永动机的不可能性
详细描述
根据热力学第二定律，第二类永动机是不可 能实现的。第二类永动机是指能够从单一热 源吸热使之完全变为机械功而不引起外界变 化的机器。由于违反了熵增加原理，因此不
可力学第二定律的应用
要点二
详细描述
热力学第三定律在低温技术和超导研 究中有着重要的应用。例如，在超导 材料的制备和研究中，需要充分考虑 和利用热力学第三定律来理解和控制 材料的物理和化学性质。
CHAPTER
05
热机与制冷机
热机的工作原理与效率
热机工作原理
热机是利用热能转换为机械能的装置，通过高温热源吸收热量，经过一系列的物理和化学变化，将热能转换为机 械能。
影响因素
物质的导热系数、温度梯度、物质的性质等。
对流
定义
对流是流体内部由于温度差异引起的流动，从而将热 量从高温部分传向低温部分的过程。
机制
对流的发生依赖于流体的流动，包括自然对流和强制 对流。
影响因素
流体性质、温度差、流速等。
辐射
定义
01
辐射是热量通过电磁波的形式传递的过程。
机制
02
物体通过吸收、发射和反射电磁波来传递热量，不受物质媒介
详细描述
保温杯利用热的不良导体减缓热量传递速度，达到保温效果；制冷技术利用相变 原理实现温度降低；能源利用方面，热能转换和利用技术为人类提供了大量的能 源。
CHAPTER
02
热量传递方式
热传导
定义
热传导是热量在物体内部由高温部分传向低温部 分的过程。
机制
热传导主要通过分子、原子等微观粒子的振动和 相互碰撞传递热量。
热力学第二定律
总结词
第二类永动机的不可能性
详细描述
根据热力学第二定律，第二类永动机是不可 能实现的。第二类永动机是指能够从单一热 源吸热使之完全变为机械功而不引起外界变 化的机器。由于违反了熵增加原理，因此不
可力学第二定律的应用
要点二
详细描述
《热学》课件
熔化曲线
液化的的方法：降低温度和压缩体积。
液化过程：放热
注意
“白气”并不是气体，空气、水蒸气是看不见 摸不着的，“白气”实际是小水滴，夏天打开 冰糕的包装纸后，空气中温度高的水蒸气遇到 冰糕附近的冷空气放热温度降低液化成的小水 滴，并悬浮在空气中形成“白气”。“白气”、 “白雾”是水蒸气液化而成的。
为0度；将＿沸＿水＿的温度定为100度，之间分成100等份， 每份为1℃。单位：摄氏度（℃） (2)热力学温度（T）：以绝对零度（-273℃）为起点的 温度。单位：开，（K） 热力学温度和摄氏温度的关系：T=t+273K 温度计 （1）原理：常用温度计是根据液体的热胀冷缩来制成 的
（2）种类：体温计、实验室用温度计、寒暑表。 使用注意（两点）：
华过程要放热。 如：冬天早晨瓦上的霜或下的雪（凝华）
▲注意对比：早晨的雾、露（属于液化）
❖ 1、夏天打开冰箱门时，在冰箱门附近会出现 “白气”，形成“白气”的物态变化过程是 （C ）
A、升华 B、汽化 C、液化 D、熔化
2、夏天喝冰镇饮料时，饮料瓶子外壁常出现一层 小水珠，以下现象中涉及的物态变化和它不同的 是（ A ）
答案： J/(kg·℃)，80℃，6.72×105J。
【典例分析】
例5、下列关于温度、内能、热量和做功的说法中，正 确的是（ ） A. 物体温度降低，内能一定减少 B. 物体吸收热量，温度一定升高 C. 温度高的物体把温度传给温度低的物体 D. 一个物体温度升高，一定是物体对外做了功
答案：A
有
风
吹同
来样
干湿
得的
更衣
快
服
，
影响蒸发快慢的因素： 一、液体温度的高低 二、液体表面积的大小 三、液体表面上的空气流动快慢
热学-第四章 课件
第四章气体内的输运过程§4.1气体分子的平均自由程§4.2输运过程的宏观规律§4.3输运过程的微观解释43个分子自由运动的平均路程其它分子碰撞的平均次数分子平均碰撞次数nd Z v 2π2=以红球的中心的运动轨迹为轴线，以分子的有效直径d 为半径做个曲折为半径做一个曲折的圆柱体，则凡是中心落在此圆柱体内的分子都会与红球相碰撞，故2dσπ=⋅nd Z v 2π2=nkT=p 平均自由程pkT2=λd π2例1、某种分子的平均自由程是10cm，在10000段自由程中，问：1、有多少段大于50cm？2、有多少段位于5~10cm之间？3、有多少段长度正好等于10cm？例2、显像管的灯丝到荧光屏的距离是20cm。
要使灯丝发射的电子有90%在途中不与空气分子相碰而直接打到荧光屏上，在途中不与空气分子相碰而直接打到荧光屏上问显像管至少要保持怎样的真空度？已知显像管的工作温度是320K，空气分子的有效直径为3.0×1010m。
空气分子的有效直径为30-10分子射线中的分布函数假设容器足够大，而器壁上开的孔足够小，则分子射线的逸出不会影响容器内部的平衡态。
分子射线中的分子速率分布函数为：2气体在非平衡态下的三种典型变化过程粘滞现象(Viscosity Phenomenon)•(Viscosity Phenomenon)——动量的传递•传热(Heat Transfer) ——热量的传递•扩散(Diffusion) ——质量的传递§4.2输运过程的宏观规律在许多实际问题中，气体常处于非平衡状态，气体内各部分的温度或压强不相等，或各气体层之间有相对运动等，这时气体内将有能量、质量或动量从一部分向另一部分定向迁移，这就是非平衡态下气体的部分向另部分定向迁移，这就是非平衡态下气体的迁移现象.y 1v2v 一粘滞现象气体中各层间有相,xz对运动时, 各层气体流动速度不同, 气体层间存在粘滞力的相互作用.为粘度（粘性系数）η气体粘滞现象的 微观本质是分子定向运动动量的迁移, 而 v +SΔ这种迁移是通过气体分子无规热运动来实现的.xΔdS′气体中的粘滞现象两侧相互作用的粘滞力定向流速在垂直于定向流动的z方向上的变化率成正比。
黄淑清热学教程第四章
p
8 RT RT f ( )d 1.60 M mol M mol 0
3. 方均根速率：
m f ( ) 4 2 kT
f()
3/ 2
e
2
m 2 / 2 kT
2
3RT f ( )d M mol 0
2
刚性分子：常温，不计振动自由度
3 2 kT 5 t r kT kT 2 2 3kT 5 2 kT （单 原 子 ） （双 原 子 ） （非 直 线 型 多 原 子 ） （直 线 型 多 原 子 ）
晶格点阵上的离子：只有振动自由度
2 s kT 2 3 kT 3kT 2 2
基态
E1 、N1
原子处于基态的最多， 处于激发态的极少。
一、玻耳兹曼分布律 (严格)
考虑外场,在平衡态下,速度在 v x ~ v x dv x v y ~ v y dv y v z ~ v z dv z 坐标在x+dx ,y+dy,z+dz之间的分子数
m 3 / 2 E / kT dN n0 ( ) e dv x dv y dv z dxdydz 2πkT
第四章 分子动理论
4-1 分子动理论的基本观点
一.分子热运动的基本特征
二. 统计规律性
分子运动论在研究大量分子组成的系统的热运动 性质时发现，对于每一个分子的运动一般都是无规 则的，有很大的偶然性。但从整体上却有确定的规 律性。物理学上把这种支配大量粒子综合性质和集 体行为的规律称为统计规律性。
1. 统计规律与涨落现象
0
e
2
m 2 / 2 kT
热学第4章_热力学第一定律
§4.3 热力学第一定律
一、能量守恒与转换定律
能量守恒和转化定律的内容是：自然界一切物体都具 有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化
为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转 化和传递中能量的数值不变。
●这一定律也被表示为，第一类永动机(perpetual motion machine of the first kind)(不消耗任何形式的能量而能对外 作功的机械)是不能制作出来的。
Conservation of energy principle states that energy can be neither created nor destroyed; it can only change from one form to another but the total amount of energy remains constant.
力学相互作用：力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状 态的影响。
在力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量就是功。
注意：
1）、只有在系统状态变化过程中才有能量转移。
2）、只有在广义力（如压强、电动势等）作用下 产生了广义位移（如体积变化、电量迁移等）后 才作了功。 3）、在非准静态过程中很难计算系统对外作的功。
判断 条件
•系统回到初态
•对外界也不产生任 何影响
f i
***只有无耗散的准静态过程才是可逆过程。
耗散过程：机械功、电磁功等自发转化为热量的过程。
注意：
不可逆过程并不是逆过程不能实现的过程，只是其实 现必然要引起外界的变化。
可逆过程必须同时满足四个条件：
（1）力学平衡条件； （2） 热学平衡条件； （3） 化学平衡条件; （4）满足无耗散条件。
华师热学课件第四章
17
思考： 判断下列过程是否可逆？ 思考： 判断下列过程是否可逆？ （1）用活塞缓慢地压缩绝热容器中的理想 ） 气体（设活塞与器壁无摩擦） 气体（设活塞与器壁无摩擦）
---可逆，是无耗散的准静态过程。 ---可逆，是无耗散的准静态过程。 可逆
（2）用缓慢地旋转的叶片使绝缘容器中的 ） 水温上升。 水温上升。
力学相互作用： 力学相互作用：力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状 20 态的影响。 态的影响。
热量Q 内能U 二、功 W、热量Q、内能U
（一）功 W（或A） ） 1、功的概念（P170）
讨论： 讨论：
作功可以改变系统的状态。 通过作功可以改变系统的状态 通过作功可以改变系统的状态。 W：表示外界对系统做的功。有正负之分。 之分。 ：表示外界对系统做的功。有正负之分 W’：表示系统对外界做的功。W’= -W ：表示系统对外界做的功。 ▲ 功与系统状态间无对应关系， 功与系统状态间无对应关系，是过程量
= − PdV
对一有限的可逆过程， 体积由V 变化到V 对一有限的可逆过程 ， 体积由 V1 变化到 V2 ， 外界对系统 做的总功为 做的总功为：
W = ∫ dW = − ∫ PdV
V1
V2
（P：气体的压强
V：气体的体积） 气体的体积）
非准静态过程的功一般是无法计算的。 非准静态过程的功一般是无法计算的。以后的讨论 21 系统对外做功的计算通常局限于准静态过程 功的计算通常局限于准静态过程。 中，系统对外做功的计算通常局限于准静态过程。
热量Q 内能U 二、功 W、热量Q、内能U
（一）功 W（或A） ） 1、功的概念（P170）
▲ 功的概念可以从力学领域推广到电学领域。 功的概念可以从力学领域推广到电学领域。 做功指在广义力的作用下产生了广义位移。 做功指在广义力的作用下产生了广义位移。 功包括：机械功（ 功包括：机械功（如：体积功、摩擦功、拉伸弹性 体积功、摩擦功、 棒所做的功、表面张力功）；电磁功（ ）；电磁功 棒所做的功、表面张力功）；电磁功（如：电流的 电力功、磁力功） 功、电力功、磁力功） 通过作功改变系统内能的本质 本质： 压缩气体） 通过作功改变系统内能的本质：（ 如：压缩气体） 通过系统做宏观位移来完成。 外界有规则的运动能量 通过系统做宏观位移来完成。是外界有规则的运动能量 22 系统分子的无规则热运动能量的转化和传递。 分子的无规则热运动能量的转化和传递 和系统分子的无规则热运动能量的转化和传递。
思考： 判断下列过程是否可逆？ 思考： 判断下列过程是否可逆？ （1）用活塞缓慢地压缩绝热容器中的理想 ） 气体（设活塞与器壁无摩擦） 气体（设活塞与器壁无摩擦）
---可逆，是无耗散的准静态过程。 ---可逆，是无耗散的准静态过程。 可逆
（2）用缓慢地旋转的叶片使绝缘容器中的 ） 水温上升。 水温上升。
力学相互作用： 力学相互作用：力学平衡条件被破坏时所产生的对系统状 20 态的影响。 态的影响。
热量Q 内能U 二、功 W、热量Q、内能U
（一）功 W（或A） ） 1、功的概念（P170）
讨论： 讨论：
作功可以改变系统的状态。 通过作功可以改变系统的状态 通过作功可以改变系统的状态。 W：表示外界对系统做的功。有正负之分。 之分。 ：表示外界对系统做的功。有正负之分 W’：表示系统对外界做的功。W’= -W ：表示系统对外界做的功。 ▲ 功与系统状态间无对应关系， 功与系统状态间无对应关系，是过程量
= − PdV
对一有限的可逆过程， 体积由V 变化到V 对一有限的可逆过程 ， 体积由 V1 变化到 V2 ， 外界对系统 做的总功为 做的总功为：
W = ∫ dW = − ∫ PdV
V1
V2
（P：气体的压强
V：气体的体积） 气体的体积）
非准静态过程的功一般是无法计算的。 非准静态过程的功一般是无法计算的。以后的讨论 21 系统对外做功的计算通常局限于准静态过程 功的计算通常局限于准静态过程。 中，系统对外做功的计算通常局限于准静态过程。
热量Q 内能U 二、功 W、热量Q、内能U
（一）功 W（或A） ） 1、功的概念（P170）
▲ 功的概念可以从力学领域推广到电学领域。 功的概念可以从力学领域推广到电学领域。 做功指在广义力的作用下产生了广义位移。 做功指在广义力的作用下产生了广义位移。 功包括：机械功（ 功包括：机械功（如：体积功、摩擦功、拉伸弹性 体积功、摩擦功、 棒所做的功、表面张力功）；电磁功（ ）；电磁功 棒所做的功、表面张力功）；电磁功（如：电流的 电力功、磁力功） 功、电力功、磁力功） 通过作功改变系统内能的本质 本质： 压缩气体） 通过作功改变系统内能的本质：（ 如：压缩气体） 通过系统做宏观位移来完成。 外界有规则的运动能量 通过系统做宏观位移来完成。是外界有规则的运动能量 22 系统分子的无规则热运动能量的转化和传递。 分子的无规则热运动能量的转化和传递 和系统分子的无规则热运动能量的转化和传递。