第一章 热学绪论.讲义
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热学 绪论
二、科学成就 阿伏伽德罗毕生致力于化学和物理学中关于 原子论的研究。当时由于道耳顿和盖-吕萨克的工 道耳顿和盖 原子论的研究。当时由于道耳顿和盖 吕萨克的工 作，近代原子论处于开创时期，阿伏伽德罗从盖近代原子论处于开创时期，阿伏伽德罗从盖 吕萨克定律得到启发， 吕萨克定律得到启发，于1811年提出了一个对近代 年提出了一个对近代 科学有深远影响的假说： 科学有深远影响的假说：在相同的温度和相同压 强条件下， 强条件下，相同体积中的任何气体总具有相同的 分子个数。但他这个假说却长期不为科学界所接 分子个数。 受，主要原因是当时科学界还不能区分分子和原 同时由于有些分子发生了离解， 子，同时由于有些分子发生了离解，出现了一些 阿伏伽德罗假说难以解释的情况。直到1860年， 阿伏伽德罗假说难以解释的情况。直到 年 阿伏伽德罗假说才被普遍接受， 称为阿伏伽德 阿伏伽德罗假说才被普遍接受，后称为阿伏伽德 罗定律。它对科学的发展， 罗定律。它对科学的发展，特别是原子量的测定 工作，起了重大的推动作用。 工作，起了重大的推动作用。
绪 论
一、热学
热学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种 规律的科学。 规律的科学。 热学与力学、电磁学及光学一起被称为经典物理四大柱石。 热学与力学、电磁学及光学一起被称为经典物理四大柱石。
二、热学研究对象的特征： 热学研究对象的特征：
宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（例如分 宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（ 原子等）都处于永不停息的无规则热运动中。 子、原子等）都处于永不停息的无规则热运动中。 正是大量微观粒子的无规热运动， 正是大量微观粒子的无规热运动，才决定了宏观物 质的热学性质。 质的热学性质。 热物理学研究的是由数量很大很大的大数 大数微观粒子 热物理学研究的是由数量很大很大的大数微观粒子 所组成的系统。 所组成的系统。 热学研究对象的这一特点决定了它有宏观与微观两 种不同的描述方法。 种不同的描述方法。
大学传热学第一章 绪论
传热过程中的温度分布
• 稳态传热过程——热量传递过程中温度不随时间变化的传 热过程。
• 非稳态传热过程——热量传递过程中温度随时间变化的传 热过程。
• 一维传热过程——传热过程中热量只在一个方向进行。 • 多维传热过程——热量在多个方向传递的过程。
第一节 热量传递的三种基本方式
• 导热 • 热对流（对流） • 热辐射（热辐射）
传热学
第一章 绪论
• 传热学是研究热量传递规律的科学。 • 有温差的地方就会有传热。 • 热量传递具有方向性——从高温到低温。 • 热量传递的基本方式有三种——导热、热对流和辐射。
传热学的应用的实例
• 食品加工 • 航天飞行器表面的冷却 • 稠油开采 • 电子器件的冷却 • 生物工程 • 能源动力 • 交通运输
• 实例：两个非接触物体之间的热量传递；火焰的 热量传递；太阳辐射等等。
• 计算：斯忒藩－玻耳兹曼定律。
斯忒藩－玻耳兹曼定律
AT 4
Ac 0
T 100
4
5.67108W /m2 K 4
第二节 传热过程和传热系数
• 定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传给另一侧流体的 过程称为传热过程。
• 模拟法：利用同类现象可比拟的特点，用已知现 象的规律模拟所要研究的现象。
• 实验法：通过试验的方法来获得所要研究问题解 的方法。
第三节 传热学发展简史
• 本节内容请同学自学。
• 实例：由墙壁隔开的室内外空气间的传热。 • 计算：传热方程
传热方程
kAt t
f1
1
At t
1/ h / 1/ h
f1
f2
1
2
传热学的研究方法
• 解析法：首先建立所研究问题的数学描写，然后 应用解析数学的方法，求解该问题。
传热学第一章 绪论
是无做功过程。 （4）热力学研究热量在一段时间内总的交换量（J），而传热
学着重于单位时间的换热量（W）。
二、传热学课的重要性
a 日常生活中：
冰箱和电视机放置 暖气片的设计 保温温度的选择
b 石油工业中: 输油管道（埋深、保温） 稠油开采（注蒸汽）
三、两种热传递过程
稳态过程：温度不随时间变化
Q1 A1 bT14 ,
Q2 A2 bT24
Q1,2 A1 bT14 A2 bT24 A b (T14 T24 )
第三节 热阻的概念
公式Q A tw1 tw2 A t 及
公式Q c A（tw t f）
可改写成公式Q t t 及 （A） R
（3）辐射力的计算公式（四次方定律）
Eb bT 4 b — 斯蒂芬 波尔兹曼常数，5.6710-8 W m2 K 4
T — 黑体的绝对温度, K
对于非黑体，E bT 4 — 黑度（发射率）
以上讲的是热辐射，而不是辐射换热。
（4）辐射换热
tw1
tf
tw2
透明气体
考虑两个无限大平板的 辐射换热（黑体）
微观粒子的热运动而产生的热量传递。
（2）特征：
a. 物体间无相对位移；
t1
b.物体间必须相互接触； b.没有能量形式的转化。
Q
t2
（3）导热量的计算
δ
x
如上图所示的大平壁，若其两侧壁面各点温度保持不变，
分别保持为tw1及tw2，且，则热量将从tw1一侧传向tw2一侧。此 时通过大平壁的热流量Q可表示为：W
（1）热对流：
流体的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传递。
学着重于单位时间的换热量（W）。
二、传热学课的重要性
a 日常生活中：
冰箱和电视机放置 暖气片的设计 保温温度的选择
b 石油工业中: 输油管道（埋深、保温） 稠油开采（注蒸汽）
三、两种热传递过程
稳态过程：温度不随时间变化
Q1 A1 bT14 ,
Q2 A2 bT24
Q1,2 A1 bT14 A2 bT24 A b (T14 T24 )
第三节 热阻的概念
公式Q A tw1 tw2 A t 及
公式Q c A（tw t f）
可改写成公式Q t t 及 （A） R
（3）辐射力的计算公式（四次方定律）
Eb bT 4 b — 斯蒂芬 波尔兹曼常数，5.6710-8 W m2 K 4
T — 黑体的绝对温度, K
对于非黑体，E bT 4 — 黑度（发射率）
以上讲的是热辐射，而不是辐射换热。
（4）辐射换热
tw1
tf
tw2
透明气体
考虑两个无限大平板的 辐射换热（黑体）
微观粒子的热运动而产生的热量传递。
（2）特征：
a. 物体间无相对位移；
t1
b.物体间必须相互接触； b.没有能量形式的转化。
Q
t2
（3）导热量的计算
δ
x
如上图所示的大平壁，若其两侧壁面各点温度保持不变，
分别保持为tw1及tw2，且，则热量将从tw1一侧传向tw2一侧。此 时通过大平壁的热流量Q可表示为：W
（1）热对流：
流体的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传递。
热学讲义第一章
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。
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。
四、状态参量
宏观量：表征系统宏观性质的物理量.
如系统的体积V、压强P、温度T等。宏观量可直接 测量。 宏观量又可分为广延量和强度量.
m M
为气体物质的摩尔数，
阿伏伽德罗定律：在气体压强趋于零的极限情形下，相
同温度和压强的1摩尔任何气体所占的体积都相同。
R p tr V tr 273 . 16 K
R=8.31 J· -1· -1，称为普适气体常量 mol K
R 1 . 9872 cal mol
1
K
1
R 8 . 2 10
分子数密度 n = p/(kT) 25 =2.547010 -3 m
绝热指数
= cp /cV
= 1.400
声音传播速度
c=
1/2 (RT/)
= 340.29
-1 ms
大气标高
H = RT/(g)
=
3 8.434510
m
373.2 373.0
Ptr/(133.3224Pa)
T ( p ) 273 . 16 K lim
p p tr
p tr 0
（体积不变）
（定容理想气体温标测温公式）
T ( p ) 273 . 16 K lim
V V tr
p tr 0
（压强不变）
（定压理想气体温标测温公式）
理想气体温标的适用范围：极低温度（气体的液 化点以下）和高温（1000℃是上限）不适用。
热学绪论70102
M
摩尔气体常量 R 8.31J mol 1 K1
pV N RT NA
n N /V
玻尔兹曼常数
k R 1.381023J K1 NA
p nkT
7-2 物质的微观模型 统计规律性
一.分子动理论的基本观点——物质的微观模型
1.宏观物体是由大量分子组成的。
现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大 小以及它们在物体中的排列情况, 例如 X 光分析仪, 电子显微镜, 扫描隧道显微镜等.
对于由大 量分子组成的 热力学系统从 微观上加以研 究时，必须用 统计的方法 .
小球在伽 尔顿板中的分 布规律 .
............ ........... ............ ........... ............ ........... ............
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研究对象
热运动 : 构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无 规运动 .
研究对象特征
单个分子 — 无序、具有偶然性、遵循力学规律.
整体（大量分子）— 服从统计规律 .
量）微，观如量分：子描的述m个, v别等分.子运动状态的物理量（不可直接测
宏观量：表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）,
如 p,V ,T 等 .
Ni N
i 概率 粒子在第 格中
出现的可能性大小 .
归一化条件
i
i
Ni iN
1
利用扫描隧道显微 镜技术把一个个原子排 列成 IBM 字母的照片.
对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加 以研究时, 必须用统计的方法.
分子的数密度
阿伏伽德罗常数： NA 6.022 1023 mol1
热学教程第一章PPT课件
2009-至今 华中科技大学物理学院 副教授
研究方向 生物大精分选子课件相互作用
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为纯科学呼吁（1883年8月15日）
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。
对于定容温度计，同样可以得到
T(V )
100
0 1 0
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48
三. 几个与物态方程有关的名词
气体的体膨胀系数α
V
V0 T0
(t
273.15)
V0(1
t )
气体的压强系数β
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
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39
1-4 理想气体状态方程 一、物态方程
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。
平衡态
T T( p, V) 或 f( p, V, T) 0
体是冷还是热，就看它
所含热质是多还是少精。选课件
13
引言 0—3 热学发展简史(二)
热学 第一章
热力学系统（简称系统）：确定为研究对象的物体或 物体系。
外 界 ：系统以外的物质世界称为“ 外界”.
界面分类：(1)绝热壁; (2)导热壁;
系统分类：(1).开放系统:与外界既交换物质,又交换能量.
(2).封闭系统:与外界不交换物质,但交换能量. (3).孤立系统:与外界既不交换物质,又不交换能量.
2.热力学第零定律:
如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热 力学系统处于热平衡,则这两个热力学系统彼此也 必定处于热平衡.（也称热平衡定律）
C
A
B
C
A
B
A、B分别与C达到热平衡
A、B也达到热平衡
二、温度的概念
处于同一热平衡态的所有热力学系统都具有 一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡宏 观性质的物理量就是-------温度。
宏观理
论部分
温
度
热力学第一定律
热力学第二定律
内 容
微观理
气体动理论 (平衡态)
体 论部分 气体内的输运
系
过程(近平衡态)
第一章 第二章 第三章
第四章
第五章
物性学
部分
非 理 想 气 体、 固 体 、液 体
第六章
相
变
第七章
§0-3.热学发展简史
热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的 发展史，可以划分为以下几个大的时期。 一.远古~17世纪末
[说明] : 如何理解热运动? 1. 宏观物体内部大量微观粒子的一种永不停息的 无规则运动; 2. 具有统计规律性; 3. 是物质运动的一种基本形式; 4. 与其它运动形式相互转化.
3.热学:
热学以物质的热运动以及热运动与其他运动形态 之间的转化规律为其研究对象的一门学科.
外 界 ：系统以外的物质世界称为“ 外界”.
界面分类：(1)绝热壁; (2)导热壁;
系统分类：(1).开放系统:与外界既交换物质,又交换能量.
(2).封闭系统:与外界不交换物质,但交换能量. (3).孤立系统:与外界既不交换物质,又不交换能量.
2.热力学第零定律:
如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热 力学系统处于热平衡,则这两个热力学系统彼此也 必定处于热平衡.（也称热平衡定律）
C
A
B
C
A
B
A、B分别与C达到热平衡
A、B也达到热平衡
二、温度的概念
处于同一热平衡态的所有热力学系统都具有 一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡宏 观性质的物理量就是-------温度。
宏观理
论部分
温
度
热力学第一定律
热力学第二定律
内 容
微观理
气体动理论 (平衡态)
体 论部分 气体内的输运
系
过程(近平衡态)
第一章 第二章 第三章
第四章
第五章
物性学
部分
非 理 想 气 体、 固 体 、液 体
第六章
相
变
第七章
§0-3.热学发展简史
热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的 发展史，可以划分为以下几个大的时期。 一.远古~17世纪末
[说明] : 如何理解热运动? 1. 宏观物体内部大量微观粒子的一种永不停息的 无规则运动; 2. 具有统计规律性; 3. 是物质运动的一种基本形式; 4. 与其它运动形式相互转化.
3.热学:
热学以物质的热运动以及热运动与其他运动形态 之间的转化规律为其研究对象的一门学科.
工程热力学绪论、第一章
热转换为机械功必须依靠工质的膨胀。 由于系统容积变化而通过截面向外界传递的
机械功称为膨胀功，也称容积功。 系统容积增大，则系统对外界做膨胀功，视
为正功；系统容积减小，则外界对系统做压 缩功，视为负功。
功=力×距离，若f是活塞的 截面积，则F=pf。于是单位 质量工质在微元热力过程中克 服外力所做的功为：
1、绝热系统：与外界无热量传递的系统 2、孤立系统：与外界既无能量又无物质交
换的系统
孤立系统表示图
在一个图中表示各系统
四、系统的内部状况
1、热源系统：提供热能的物质或能量 2、功源系统：提供机械功的物质或能量 3、质源系统：提供质量的物质或能量 4、单相系：物质、化学性质都均匀一致（固、液、
气） 5、单元或多元系统
单元：一种化学成分组成的系统 多元：两种以上的不同化学成分组成 6、均匀或非均匀系统 系统中化学、物理性质处处均匀一致的系统
第二节 工质的热力状态及其基本状态参 数
一、状态与状态参数 描述工质状态特征的各种物理量称为工质的状态 参数。 常见状态参数：温度（T）、压力（p）、比容
一、平衡状态 如果不受外界影响的条件下，系统的状态能 够始终保持不变，则系统的这种状态称为平 衡状态。
二、状态公理 确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1 其中n表示传递可逆功的形式，加1表示能 量传递中的热量传递
三、状态方程 建立 温度、压力、比容这三个基本状态参 数之间的函数关系。而用p-v图来确定工质 状态。
（v ）、密度（ ）、内能（u）、焓（h）、熵
（s）、火用（ex）、自由能（f）、自由焓（g） 等
二、基本参数
1、温度 物体冷热程度的标志 理想气体热力学温度与分子平移动能的关系式：
机械功称为膨胀功，也称容积功。 系统容积增大，则系统对外界做膨胀功，视
为正功；系统容积减小，则外界对系统做压 缩功，视为负功。
功=力×距离，若f是活塞的 截面积，则F=pf。于是单位 质量工质在微元热力过程中克 服外力所做的功为：
1、绝热系统：与外界无热量传递的系统 2、孤立系统：与外界既无能量又无物质交
换的系统
孤立系统表示图
在一个图中表示各系统
四、系统的内部状况
1、热源系统：提供热能的物质或能量 2、功源系统：提供机械功的物质或能量 3、质源系统：提供质量的物质或能量 4、单相系：物质、化学性质都均匀一致（固、液、
气） 5、单元或多元系统
单元：一种化学成分组成的系统 多元：两种以上的不同化学成分组成 6、均匀或非均匀系统 系统中化学、物理性质处处均匀一致的系统
第二节 工质的热力状态及其基本状态参 数
一、状态与状态参数 描述工质状态特征的各种物理量称为工质的状态 参数。 常见状态参数：温度（T）、压力（p）、比容
一、平衡状态 如果不受外界影响的条件下，系统的状态能 够始终保持不变，则系统的这种状态称为平 衡状态。
二、状态公理 确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1 其中n表示传递可逆功的形式，加1表示能 量传递中的热量传递
三、状态方程 建立 温度、压力、比容这三个基本状态参 数之间的函数关系。而用p-v图来确定工质 状态。
（v ）、密度（ ）、内能（u）、焓（h）、熵
（s）、火用（ex）、自由能（f）、自由焓（g） 等
二、基本参数
1、温度 物体冷热程度的标志 理想气体热力学温度与分子平移动能的关系式：
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::: : : ::: ------------------纯水 … … = ::: = … : ::: 纯 冰 :… -------------------… ------------------温度计 = = ::: … : : … … = ::: ------冰水混合物 = … :… : :::: ------保温瓶
[说明]:
1、一切互为热平衡的物体都具有相同的温度； 2、热接触只为热平衡的建立创造了条件； 3、宏观上，温度是物体冷热程度的量度； 4、从微观角度，温度是组成系统的大量微观粒子无规则 运动剧烈程度的反映。
• 二、温标 温度的数值表示法叫做 温标 1、 经验温标 建立经验温标的三要素:
1.) 选择物质的某一随温度变化的属性来标志温度. 测温物质 测温参量 测 温 质：用来确立温标的一种特定物质
测温属性：测温质的某一随温度变化的属性
测温参量：表示测温属性的物理量
规定测温参量随温度的变化关系:
X:
表示测温参量
T ( X ) : 温度计与被测系统达到热平衡时的温度值
如果规定 T ( X ) 与
X 成正比，令： T ( X ) aX
T ( X1) X1 T(X2) X2
测温参量为X的同一温度计所测定的两个物体的 温度之比跟这两个温度所对应的X值之比相等。
2. 理想气体温标
三.19世纪~20世纪初
热力学和统计物理学都获得了长足的发展，由 彼此的相互隔绝到后来的互相结合，最终导致了 统计热力学的产生。 四.20世纪初以后
这个时期出现了大量统计物理学和非平衡态理论。 形成了现代理论物理学最重要的一部分。 非平衡态理论还很不完善，有待继续研究和 发展。希望大家学好本专业理论，打下扎实的基 础，为热学的进一步发展作出贡献！
2.热力学第零定律:
如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热 力学系统处于热平衡,则这两个热力学系统彼此 也必定处于热平衡.（也称热平衡定律） C A B A
C
B
A、B分别与C达到热平衡
A、B也达到热平衡
3. 温度的概念
处于同一热平衡态的所有热力学系统都具 有一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡 宏观性质的物理量就是-------温度。
微观量
宏观量
热学研究方法
1. 气体动理论 —— 微观描述
研究大量数目的热运动的粒子系统，应用模型假设和统计 方法 .
2. 热力学 —— 宏观描述 实验经验总结， 给出宏观物体热现象的规律，从能量观 点出发，分析研究物态变化过程中热功转换的关系和条件 . 两种方法的关系 热力学 相辅相成 气体动理论
二、热学发展简史
热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的发 展史，可以划分为以下几个大的时期。
一.远古~17世纪末 主要是关于对“热本质”的定性猜想。 二.17世纪末~19世纪初
积累了大量的实验和观察事实，为热力学理பைடு நூலகம்的 建立作了准备。特别是十九世纪初出现的热机理论 和热功当量原理已经包含了热力学的基本思想。
热学
绪论
一、什么是热学？
热学是研究有关物质的热运动（热现 象）以及与热相联系的各种规律的科学。 是经典物理学的四大柱石之一。
热物理学的研究对象 是由数量很大的微观粒子所组成的系统。
研究对象的特征
单个分子 — 无序、具有偶然性、遵循力学规律. 整体（大量分子）— 服从统计规律 . 微观量：描述个别分子运动状态的物理量（不可直接测 量），如分子的 m , v 等 . 宏观量：表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）, 如 p,V , T 等 . 统计平均
§2 温度
一、热力学第零定律 1.热平衡
A (p1,v1) B (p2,v2) A (p1,v1) B (p2,v2)
绝热壁
导热壁
两个系统用刚性壁隔开
[热接触]
通过导热壁相互接触的两个系统， 它们之间会发生热传递，这种接触称为热接触。
[热平衡]
两个系统在热接触时,通过热交换 实现新的平衡,这种平衡称为热平衡. 有时，两个系统接触后，它们的状态都不发生 变化，说明它们在接触前就已达到了热平衡。即： 热平衡的概念还可用于两个不发生热接触的系统。
‘
------------------水蒸汽
= =
水的三相点裝置
273.16 a X tr
[经验温标:] 利用特定测温物质的特定测
温属性建立的温标统称为经验温标。
[温 度 计 :] 按照经验温标测量温度的仪器.
[ 讨 论：]
测温属性必须随温度的改变发生 单调的、显著的变化;
不同的温度计测量同一对象时结 果不同,是由于不同物质的不同（或同一） 测温属性随温度的变化关系不同.
选定固定点:
1954年以后，国际上规 定水的三相点为固定点---标准温度点
.
T ( X tr ) 273.16K
对于任何温度计都有：
T ( X1) X1 T ( X tr ) X tr
X T ( X ) 273.16K X tr
:::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: ::::
二、状态参量 1. 定义: 描述系统宏观性质或状态的(可由实验
测定的)量.是描述平衡态性质的物理量。
2. 常见的状态参量:
力学参量： P 化学参量： m,
几何参量：V 电磁参量：E,
B
3 . 说明: •状态参量的选择由系统本身的性质决定.
•完整描述热力学系统的平衡态，须引入 一 个热学参量---温度 •一定体积内单一成分的气体，在平衡态下， 忽略重力，用温度，体积，压强来描述。
§1 平衡态
一、平衡态：
状态参量
在不受外界影响的条件下，宏观性质 不随时间变化的状态。
1、热力学系统的平衡态：
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
孤立系统
真空
p
( p ,V , T )
*( p,V , T )
V
o
2、说明：
(1)“孤立系统”---统与外界无物质、能量交换; (2) 是一种理想状态; (3) 动态平衡(热动平衡)； (4)处于平衡态的系统须同时满足三种平衡条件： 力学平衡、热平衡、化学平衡。 (5)平衡态不同于稳恒态；