2011.02.24_王加祥_热学_第1周_第一章_温度
第1章 热一律
第一章
热力学第一定律
（ The First Law of Thermodynamics）
学时：6 主讲：郭红、王女、胡学寅 e-mail:rrrguo@ wangn@
第一章 热力学第一定律
化学热力学
宏观系统为对象;
热力学定律为基础;
研究不同条件下， 物质进行化学(物理) 变化时，伴随的能 量变化及规律;
定V下U随T 的变化率
定T 下U随 V的变化率
U U 或 U f(T , p); d U dT p d p T p T
17
§1-3 热力学第一定律及内能 二、热一律的叙述及表达式
热一律——能量转换及守恒定律。叙述为： 封闭系统中的内能不会自行产生或消灭，只能 以不同的形式等量地相互转化。 第一类永动机不能制造。
§1-6 热一律的应用Ⅰ——pVT变化
§1-7 热一律的应用Ⅱ——相变化
§1-8 热一律的应用Ⅲ——热化学
3
第一章 热力学第一定律
理解热力学基本概念；
学习 要求 及 重点 理解热一律表达式及内能、焓的概念； 掌握在物质的单纯P、V、T 变化、相变化 和化学变化过程中，运用热力学数据计算 系统∆U、 ∆H 、Q和W的方法。
19
§1-4 体积功的计算——可逆过程与最大功 体积功的计算公式 知 识 点 理想气体等温膨胀（压缩）体积功的 计算及比较 可逆过程的概念
W总 W体积 W '
设 ：W ' 0
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§1-4 体积功的计算——可逆过程与最大功 一、体积功的计算
例如，活塞移动一个微小量dl，即气体膨胀(或压缩) dV(或 -dV) dl 膨胀 Fsu=psuAs dV Fsu=psuAs 压缩 微小功： δW Fsu d l psu dV 有限量： W psu d V
总结热力学温标建立的过程与思路。
总结热力学温标建立的过程与思路。
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热学习题解答_第1章温度
第一章温度1-1在什么温度下,下列一对温标给出相同的读数：（1）华氏温标和摄氏温标；（2）华氏温标和热力学温标；（3）摄氏温标和热力学温标解：（1）当时，即可由，解得故在时（2）又当时则即解得：故在时，（3）若则有显而易见此方程无解，因此不存在的情况。
1-2 定容气体温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时，其中气体的压强为50mmHg。
（1）用温度计测量300K的温度时，气体的压强是多少（2）当气体的压强为68mmHg时，待测温度是多少解：对于定容气体温度计可知：(1)(2)1-3 用定容气体温度计测得冰点的理想气体温度为，试求温度计内的气体在冰点时的压强与水的三相点时压强之比的极限值。
解：根据已知冰点。
1-4用定容气体温度计测量某种物质的沸点。
原来测温泡在水的三相点时，其中气体的压强；当测温泡浸入待测物质中时，测得的压强值为,当从测温泡中抽出一些气体,使减为200mmHg时,重新测得,当再抽出一些气体使减为100mmHg时,测得.试确定待测沸点的理想气体温度.解：根据从理想气体温标的定义：依以上两次所测数据,作T-P图看趋势得出时,T约为亦即沸点为.题1-4图1-5铂电阻温度计的测量泡浸在水的三相点槽内时，铂电阻的阻值为欧姆。
当温度计的测温泡与待测物体接触时，铂电阻的阻值为欧姆。
试求待测物体的温度，假设温度与铂电阻的阻值成正比，并规定水的三相点为。
解：依题给条件可得则故1-6在历史上，对摄氏温标是这样规定的：假设测温属性X随温度t做线性变化，即，并规定冰点为，汽化点为。
设和分别表示在冰点和汽化点时X的值，试求上式中的常数a和b。
解：由题给条件可知由（2）-（1）得将（3）代入（1）式得1-7水银温度计浸在冰水中时，水银柱的长度为4.0cm；温度计浸在沸水中时，水银柱的长度为24.0cm。
（1）在室温时，水银柱的长度为多少（2）温度计浸在某种沸腾的化学溶液中时，水银柱的长度为25.4cm，试求溶液的温度。
大学物理 第01章 温度1
1 – 2
温度的概念
第一章 温度
§1- 2
温度的概念
宁波大学理学院 韦世豪
1 – 2
温度的概念
第一章 温度
热力学第零定律(实验规律) 热力学第零定律(实验规律) 如果系统A和系统 分别与系统 达到热平衡, 和系统B分别与系统C达到热平衡 如果系统 和系统 分别与系统 达到热平衡,则 系统A和 也必定处于热平衡. 也必定处于热平衡 系统 和B也必定处于热平衡. 由热力学第零定律可知, 由热力学第零定律可知,处在同一热平衡状态的 系统必具有共同的宏观性质 具有共同的宏观性质, 系统必具有共同的宏观性质,我们把这一共同的宏观 性质,称为系统的温度 温度. 性质,称为系统的温度. 隔热板 温度的数值表示法叫做温标 温度的数值表示法叫做温标 结论: 结论:要确定两个物体是否温度 相等,即是否处于平衡态, 相等,即是否处于平衡态,就不 需要使二者直接接触, 需要使二者直接接触,只要利用 一个"第三者"加以沟通就行了. 一个"第三者"加以沟通就行了. 这个 "第三者" 就是温度计. 第三者" 就是温度计. 温度计
宁波大学理学院 韦世豪
1 – 1
宏观与微观
第一章 温度
三,宏观状态参量 用来描述系统状态的变数称为状态参量 用来描述系统状态的变数称为状态参量 变数 宏观状态的参量有 描述气体宏观状态的参量有: 描述气体宏观状态的参量有: a,气体的体积 ,气体的体积V
V0
1
V2 2 V1
气体分子所能达到的空间.单位: 气体分子所能达到的空间.单位:米3(m3 ). 气体的体积与气体分子的体积的总和是完全不同 气体的体积与气体分子的体积的总和是完全不同 与气体分子的体积的总和 例如,对于贮有一定量的气体的容器, 的.例如,对于贮有一定量的气体的容器,如果容器 的容积为V,气体分子本身的体积的总和为b, 的容积为 ,气体分子本身的体积的总和为 ,则气体 的体积为V-b. 的体积为 .
热学第一章
1-22 一打气筒，每打一次可将原来压强为，温度为，体积的空气压缩到容器内。
设容器的容积为，问需要打几次气，才能使容器内的空气温度为，压强为。
解：打气后压强为：，题上未说原来容器中的气体情况，可设原来容器中没有空气，设所需打气次数为，则
得：次
1-23一气缸内贮有理想气体，气体的压强、摩尔体积和温度分别为、和，现将气缸加热，使气体的压强和体积同时增大。
设在这过程中，气体的压强和摩尔体积满足下列关系式：其中为常数
（1）求常数，将结果用，和普适气体常数表示。
（2）设，当摩尔体积增大到时，气体的温度是多高？
解：根据理想气体状态方程和过程方程有
（1）
（2）
而
，则
1-15水银气压计中混进了一个空气泡，因此它的读数比实际的气压小，当精确的气压计的读数为时，它的读数只有。
此时管内水银面到管顶的距离为。
问当此气压计的读数为时，实际气压应是多少。
设空气的温度保持不变。
题1-15图
解：设管子横截面为S，在气压计读数为和
时，管内空气压强分别为和，根据静力平衡条件可知
，由于T、M不变
根据方程
有，而
1-21容积为的瓶内贮有氢气，因开关损坏而漏气，在温度为时，气压计的读数为。
过了些时候，温度上升为，气压计的读数未变，问漏去了多少质量的氢。
解：当时，容器内氢气的质量为：当时，容器内氢气的质量为：
故漏去氢气的质量为。
《热学》(第二版)电子教案-杨体强编 第5章 热力学第一定律 第5章 热力学第一定律
节流膨胀后温度降低—正焦耳—汤姆孙效应（正效应）。 节流膨胀后温度升高—负焦耳—汤姆孙效应（负效应）。
S1
p1
V1
T1 p1
l1
S1
p1
S2
p2
V2
T2
p2
l2
S2
p2
做功 吸热
A A L A R p 1 S 1 l 1 p 2 S 2 l 2 p 1 V 1 p 2 V 2
功与过程（路径）有关，它是过程量，不是状态量。
[例题] 在定压下，气体体积从V1 变被压缩到V2 （1）设过程为 准静态过程，试计算外界对系统所做的功。（2）若为非静态过
程结果如何？
[解]
（1）
A V V 1 2p d V pV V 1 2d V p (V 2 V 1)
A 外界对系统做正功
参考文献： 1.杨体强：《大学物理》1991，12，： 2.赵凯华：《热学》（高等教育出版社，1998），； 3.包科达：《热物理学基础》（高等教育出版社，2001），。
三、理想气体内能 焓的表达式
在实际气体压强趋于零的极限情形下，内能只是温度的函数，与 体积无关。这一规律也叫焦耳定律。
综合气体物态方程及气体内能的实验规律，提出理想气体的概念 是：
热质：没有重量的物质，热的物体含有较多的热质，冷物体含 有较少的热质；热质既不能产生也不能消灭，只能从较热的物体传 到较冷的物体，在热传递过程中热质量守恒是物质量守恒的表现。
1798年，伦福德（Rumford)由实验揭示出热质不守恒。
焦耳( ，1818─1889) 实验表明：热量是物体中大量微粒机械运 动的宏观表现。
热功当量
热量不是传递着的热质，而是传递着的能量。 做功与传热是使系统能量发生变化的两种不同的方式。 1956年国际规定的热功当量精确值为: 1 cal（热化学卡）= 4.184 0 J 1 cal（国际蒸汽表卡）= 4.186 8 J 1 cal（15 0C卡）= 4.185 5 J
2_1_1温度
热力学的任务：
用恰当的物理量描述物质的宏观性质； 建立这些量之间的普适关系。
热力学最基本的量：温度。 温度是冷热吗？ 质量是轻重吗？ 时间是先后吗？ 空间是大小吗？
中国石油大学，冯金波
热 学
第1章
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 宏观与微观 温度的概念 理想气体温标 理想气体状态方程
h M 水银槽
C是常数，p是气体压强。
p pa gh
pa是大气压。
p2 p1 T2 T1
只能给出 两个温度 数值的比
中国石油大学，冯金波
一、定体气体温度计
p2 p1 为建温标，必须选取一个标准的固定点， T2 T1 并给定该点一个固定的温度数值。
因技术原因，选水的三相点为标准固定点温度， 其量值规定为 可重复的热现象 T3 273.16K 则，系统任意状态下的温度为 p p3：为三相点 p T T3 273.16 K 时气体的压强 p3 p 3 温度和压强的线性关系是假设的， T Cp 如何保证该实测温度的有效性呢？
三、摄氏温标
规定：在标准压力（101.325 kPa）下, 水的冰点温度为0℃，沸点温度为100℃； 严格来说，水的沸点温度为99.975℃； 用理想气体温标，水的三相点温度273.16K； 冰点273.15K，沸点373.15K（近似）， 故，1℃的大小和 1K的大小一样； 相对于理想气体温标T，摄氏温标 t为， t =T-273.15 摄氏温标和理想气体温标中，温度差是一样的。 绝对零度 T =0K，t = -273.15℃
中国石油大学，冯金波
§1.4 理想气体状态方程
一、理想气体 1. 玻意耳定律 一定质量的气体，在一定温度下，其压强 p 和体积 V 的乘积是常量，即 pV=常量（温度不变） 各种实际气体都近似遵循该定律， 且压强越小，与该定律符合的越好。 2. 理想气体 在各种压强下都严格遵守玻意耳定律的气体。 实际气体在压强→0时的极限情形； 极其稀薄的气体可近似看作理想气体。
《热学》第一章习题参考答案
1-1按线形标度法,可设华氏温标与摄氏温标的关系为 t F =at+b 参考教材P2内容知 t=0 时,t F =32,以及t=100时,tF=212 .即⎭⎬⎫+=+=b a ba 100*2120*32⇒ a=59,b=32 ,故华氏温标与摄氏温标的换算关系为 t F =59+32 , 若 t F =t ,即t=59+32 ⇒ t=-40 ,即在-40摄氏度的温标下,摄氏温标与华氏温标给出相同的读数.1-21)此题须从理想气体温标的定义来考虑.理想气体温标是定容(或定压)气体温度计来实现的.实验表明,无论用什么气体,无论是定容还是定压气体温度计,所建立的温标在测温泡内的气体压强趋于0时,都趋于一个极限值,这个极限温标就是理想气体温标.我们可以先根据题意算出三次测量所得的,用定容气体 温标表示的沸点温度,然后应用作图法,求出当测温泡内气体在 水的三相点时的压强P tr 趋于0时的定容气体温标的极限,此极限即为该题所要求的某种物质的沸点的理想气体温度.根据T=273.16*trP P. 可得三次测得的沸点温度分别为: T 1=273.16*500734=401.00(K) T 2=273.16*2004.293=400.73(K)T 3=273.16*10068.146=400.67(K)在T---P tr 图上作出(T 1,P tr1),(T 2,P tr2).(T 3,P tr3)三点.由图看三点连线趋势得知:当P tr ->0时T->400.50K,此即待测沸点的理想气体温度.此题告诉我们一个道理,理想气体温度不能用温度计直接测量.只能借助气体温度计做间接测量.2)t*=a ε+b=a(αt+βt(2))+b按规定。
冰点t=0时，t*=100度 ，即⎪⎭⎪⎬⎫++=++=b a ba )100*100*(100)0*0*(022βαβα⇒ a=︒5mv ,b=0即 t*=5ε。
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( p1 ,V , T ,1 )
( p2 ,V , T , 2 )
( p ',V , T , )
p ' p1 p2
混合气体的状态方程
p 'V RT p ' p1 p2 ...
1 2 ... p1 : p2 :... 1 : 2 :...
状态方程：f(V,P,M,T)=0
小结
宏观态 宏观状态参量 平衡态
第一章 温度 1.3 精确化
1.3.2 热力学第零定律
与第三个系统处于热 平衡的两个系统一定 处于热平衡
温度是两个系统处于热平衡的 充分必要条件
温度的要点
第一章 温度 1.3 精确化
温度是一个宏观量 温度是一个态函数
例一 气体自由膨胀
第一章 温度 1.3 精确化
平衡条件
(1）力学平衡 (2）热平衡 (3）化学平衡
非平衡态 (非力学平衡)
平衡态
例二 热传导
第一章 温度 1.3 精确化
T1
金属棒处于非平衡态: 有温度梯度
T2
平衡条件
(1）力学平衡 (2）热平衡 (3）化学平衡
热学平衡态 系统内部的温度处处相等
我们把在有热流或粒子流情况下，各处宏观状态均不随时间变化的状态称为 稳恒态（steady state）， 也称稳态或定（常）态（stationary state)。
复习
定量化测量温度方法 测温物质 测温属性 标准点
1.3 精确化
不依赖测温物质
基本概念 宏观态 宏观状态参量 平衡态
温度存在性 热力学第零定律 温度的精确测量 理想气体状态方程
1.3.1宏观状态参量和平衡态
宏观态参量
力学参量: 体积 V 力学参量: 压强 P 磁学参量: 磁化强度 M 热学参量：温度 T ……
宏观态参量
几何参量: 体积 V 力学参量: 压强 P
平衡态：孤立系统最终达到的 所有宏观性质都不随 时间变化的状态。
磁学参量: 磁化强度 M 热学参量：温度 T ……
唯象方法
研究方法的特点：
第一章 温度 1.3 精确化
利用系统的宏观参量对其物性进行 刻画。
平衡条件
（1）力学平衡（除为固定容器外，内外压强差为零） （2）热平衡（除为绝热壁外，内外温差为零） （3）化学平衡（内部结构不变）
1 。 T0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
只有当 p0 0 时，（p,V , t )的关系具有普适性。 并且有V p
第一章 温度 1.3 精确化
理想气体
定义
1 V p 的气体 T0
理想气体温标：用理想气体来测量温度。T=t+273.15, 单位开尔文(K)。
PV PV 0 0 T T0
第一章 温度 1.3 精确化
为什么要引入宏观参量？
力学：还原论 热学：还原论？？
微 观
自由度： 6 自由度： 12 自由度： 18
宏 观
自由度：6X1023
自由度：6X1023
解微分方程首先要写出微分方程，还要写出已知条件。 简单些，我 们不要求写了，只要求数出所必须解出的微分方程的个数。
假如有一个“超人”，他从宇宙大爆炸那 一刻起与宇宙同时诞生，并与宇宙的年龄 相同，若他 1秒数10个粒子，则他数到现 今才数了1018个粒子,差不多相当于 10-5摩 尔粒子。
第一章 温度 1.3 精确化
t f ( P,V )
玻意尔定律 (Boyle 1662）：t不变
pV =常量C
查理定律 (Charles 1787）：V 不变
p p0 (1 pt )
盖吕萨克定律 (Gay-Lussac 1802）：p 不变
V V0 (1 V t )
温度是衡量两系统是否达到热平衡的充 分必要条件
第一章 温度 1.3 精确化
气体温度计
t f ( P,V )
• 定体气体温度计
气体状态三定律
第一章 温度 1.3 精确化
t f ( P,V )
玻意尔定律 (Boyle 1662）：t不变
pV =常量C
查理定律 (Charles 1787）：V 不变
第一章 温度 1.3 精确化
不同气体的压强系数
p 和 p0 的关系
p p0 (1 pt )
1 T0
lim p
p0 0
结论： 查理定律在气体压强趋于零时具有普适性。
第一章 温度 1.3 精确化
气体的等压系数
V 和 p0 的关系
V V0 (1 V t )
1 V lim T0 V0 0
阿伏伽德罗定律： 相同温度、压强下，摩尔数相等的各种气体所占体积相同。 PV 0 0 nR T0
理想气体的状态方程
PV=nRT
R为普适气体常数：8.31J/mol/K
理想气体的定义
① 压强趋于零的气体
② 严格遵循理想气体状态方程的气体。
混合气体
• 道尔顿分压定律：混合气体的压强等于各 分组分的分压强之和。
例三 扩散现象
第一章 温度 1.3 精确化
平衡条件
(1）力学平衡 (2）热平衡 (3）化学平衡
氧气
氮气
非平衡态
化学平衡条件
氧气 氮气
在无外场作用下系统各部分 的化学组成处处相同。
平衡态
平衡态的描述
态参量：V, P, M,T … 态函数：以态参量为函数的物理量 M=M(V,P,T) 宏观态参量
力学参量: 体积 V 力学参量: 压强 P 磁学参量: 磁化强度 M 热学参量：温度 T ……
宇宙现今年龄为1010年数量级(~160亿年) 1年 = 365×86400秒∽107秒, 1010年 ∽ 1017秒
第一章 温度 1.3 精确化
自由度~1023
开放系统
封闭系统
孤立系统
和外界有能 量物质交换
和外界有能 量交换,无物 质交换
和外界无能 量物质交换
第一章 温度 1.3 精确化
热学研究一种特殊的状态：平衡态
p p0 (1 pt )
盖吕萨克定律 (Gay-Lussac 1802）：p 不变
V V0 (1 V t )
第一章 温度 1.3 精确化
同一种气体的等容变化
p 和 p0 的关系
p p0 (1 pt ) 1 p lim T0 p0 0
T0 273.15
道尔顿分体定律：混合气体的体积等于各组分的分体积之和。
( p,V1 , T ,1 )
( p,V2 , T , 2 )
( p,V ', T , )