热现象及理想气体共34页
热学中的理想气体状态方程及其应用
热学中的理想气体状态方程及其应用热学是物理学中研究热现象的一门学科，而气体是热学中重要的研究对象之一。
理想气体状态方程是描述理想气体行为的基本方程，它对于理解气体性质以及应用于各个领域具有重要意义。
一、理想气体状态方程的推导理想气体状态方程是根据气体分子运动理论和实验观测得出的。
根据分子动理论，理想气体分子之间没有相互作用力，分子之间的碰撞是完全弹性碰撞的。
根据动理论，可以推导出理想气体状态方程。
对于一个理想气体，它的状态可以用物理量压强P、体积V和温度T来描述。
根据玻意耳-马略特定律，V与P的乘积在同一温度和相同的物质量情况下是固定的，即PV = 常数。
而根据查理-高斯定律，V与T的比值在同一压力和相同的物质量情况下也是固定的，即V/T = 常数。
结合这两个定律，可以得到理想气体状态方程PV = nRT，其中n是气体的摩尔数，R是理想气体常数。
二、理想气体状态方程的应用理想气体状态方程在热力学和工程学中有广泛的应用。
下面将介绍一些常见的应用。
1. 大气层的压缩和膨胀大气层的压缩和膨胀是气象学中常见的现象。
理想气体状态方程可以用来描述大气层中气体的状态变化。
通过测量气温、气压和体积，可以利用理想气体状态方程计算出气体的摩尔数以及其他热力学性质，帮助气象学家进行天气预测和气候研究。
2. 高空气球的升降高空气球是科学探测和气象观测的重要工具。
在高空气球中，气体会因为压强变化而产生膨胀或收缩，从而影响气球的浮力。
理想气体状态方程可以用来计算气球内气体的体积变化以及浮力的变化，帮助科学家和气象学家进行高空观测和实验。
3. 工业生产中的气体反应在工业生产中，很多反应过程都涉及气体的生成和消耗。
理想气体状态方程可以用来计算反应过程中气体的体积变化以及温度和压强的关系，从而控制反应过程和优化工艺。
例如，在合成氨的工业生产中，理想气体状态方程可以用来计算反应温度和气体压强之间的关系，从而确定最佳操作条件。
总之，理想气体状态方程是热学中的重要概念，它描述了理想气体行为的基本特性。
热现象及理想气体
• 液态物质中，每个分子中原子间以化学键 结合，但分子间结合要弱很多。
热平衡微观过程
• 固体温度高的地方，分子振动强烈，振幅 较大，会逐渐带动附近的分子振动。（绝 缘材料通过振动传递热量，金属导体可通 过自由移动的电子传递，导热快） • 液体，分子可在较大范围内运动，分子之 间会相互碰撞传递热量。 • 气体，分子间通过碰撞传递能量使各系统 间每部分分子具有相同的平均动能。
设想在如图所示边 长为a的立方体内盛有质量为m、摩尔质量 为M的单原子分子理想气体，设气体的温 度为T，气体分子平均速率为v，它在x、y、 z三维方向速度分量以vx、vy、vz表示，对 大量分子而言，这三个方向速率大小是均 等的，则由
2 v v v v v 2 2 2 v x v y vz 3 观察分子x方向的运动,每个分
等压变化
t Vt V0 1 273 V m 1 Cp Cp R T p
p
图 象
① ②
p V p 0 0
② ① T
V 0
② ① T
0
p
T1>T2 “面积”表示T大小
V1>V2斜率表示V大小
V
p 0
p1>p2斜率表示p大小
p
V0
V T0 T V减小，单位面积碰 撞分子及每个分子碰 撞数增加 0
热传递方式:
暖气管与房间之间:
Q1 k1 T TF 1 Q2 k1 T TF 2
街与房间之间:
Q1 k2 TF 1 TJ 1 Q2 k2 TF 2 TJ 2
20 10 T T T T F1 F2 T T 40 20 T 10 20 F1 J1 F2 T J2
热力学中的理想气体问题详解
热力学中的理想气体问题详解【热力学中的理想气体问题详解】热力学是一门研究物质热现象和能量转换的学科，而理想气体则是热力学中的重要概念之一。
本文将对热力学中理想气体问题进行详细解析，包括理想气体的特性、状态方程、理想气体过程、熵变等相关内容。
一、理想气体的特性理想气体是指在常温常压下，分子间相互作用力可以忽略不计的气体。
在理想气体中，分子之间不存在凝聚力和斥力，分子体积可以忽略不计。
根据热力学第一定律，理想气体的内能仅与温度有关，与体积无关。
二、理想气体的状态方程理想气体的状态方程通过描述气体的状态来揭示气体的特性。
最常用的状态方程为理想气体状态方程，即PV=RT。
其中，P表示气体的压强，V表示气体的体积，T表示气体的温度，R为气体常数。
三、理想气体的过程1. 等温过程等温过程是指在温度不变的条件下，气体发生的变化。
根据理想气体状态方程PV=RT，等温过程中，压强和体积成反比，即P1V1=P2V2。
等温过程中，气体对外界做功的绝对值等于热量的绝对值。
2. 绝热过程绝热过程是指在没有热量交换的条件下，气体发生的变化。
绝热过程中，理想气体的内能保持不变，即Q=0。
根据热力学第一定律，绝热过程中，气体对外界做的功等于内能的减少。
3. 等容过程等容过程是指在体积不变的条件下，气体发生的变化。
等容过程中，理想气体的状态方程变为P1/T1=P2/T2。
等容过程中，气体对外界做的功为零。
4. 等压过程等压过程是指在压强不变的条件下，气体发生的变化。
等压过程中，气体对外界做的功可以表示为W=P（V2-V1）。
等压过程中，气体对外界做的功等于热量的增加。
四、理想气体的熵变熵是热力学中描述系统混乱程度的物理量，也表示了系统的有序度。
理想气体的熵变可以通过以下公式计算：ΔS=nCvln(T2/T1)+nRln(V2/V1)。
其中，n表示气体的摩尔数，Cv表示气体的定容摩尔热容，R表示气体常数，T1和T2分别表示初始和最终温度，V1和V2分别表示初始和最终体积。
大学物理热学
ΔU=Q+W，其中ΔU表示系统内能的增量，Q表示外界对系统传递的热量，W表示外界对系统做的功。
热力学第二定律
内容
不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源 取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，或不可逆热力过程中熵的微 增量总是大于零。
表达式
对于可逆过程，有dS=(dQ/T)；对于不可逆过程，有dS>(dQ/T)，其中S表示熵， T表示热力学温度。
02
辐射传热特点
不需要介质，可在真空中传播；伴 随能量形式的转换；辐射强度与物
体温度的四次方成正比。
04
应用
太阳能利用、红外遥感测温、激光 器等。
复合传热过程分析
复合传热 分析方法 影响因素
应用
实际传热过程中往往同时存在热传导、对流和辐射三种传热方式。 根据具体传热条件，建立物理模型，综合运用热传导、对流和辐 射的传热规律进行分析计算。
02
理想气体性质及应用
理想气体状态方程
01
理想气体状态方程
pV = nRT，其中p为压强，V为 体积，n为物质的量，R为气体常 数，T为热力学温度。
02
理想气体状态方程 的适用条件
适用于稀薄气体，即气体分子间 距离较大，相互作用力可忽略不 计。
03
理想气体状态方程 的应用
可用于计算气体的压强、体积、 温度等物理量，以及进行气体状 态变化的分析。
热力学在其他领域应用
化学工业
制冷与空调
新能源领域
在化学工业中，热力学原理被广泛应用 于化学反应过程的分析和优化。通过热 力学计算和分析，可以确定化学反应的 条件、反应热、反应平衡常数等关键参 数，为化学工业的生产提供理论指导。
5第五章 理想气体的热力性质
气体常数 Rg[J/(kg.K)] 4124.0 2077.0 518.3 488.2 461.5 296.8 188.9 259.8 287.0
不同物量下理想气体的状态方程式及应用
方程式
物量 1 kg 理想气体 m kg 理想气体 方程应用
p1v1 p 2 v2 T1 T2
pv RT pV mRT pVM RMT pV nRMT
1000 ( 1) 1.013 105 1.0 28 pVM m 760 2.658kg RmT 8.3143 1000 293.15
例5-1 已知氧气瓶的容积 V 40L ，瓶内氧气温度为 20℃，安装在瓶上的压力表指示的压力为15Mpa，试求 瓶内氧气的质量是多少？ 解： pV m RT
Cm
c′
J/(kmol· K)或 kJ/(kmol· K)
J/(Nm3· K)或Kj/(Nm3· K)
二、影响比热的因素
• 1、气体的比热与气体性质有关 一般的，气体的原子数越多， 比热越大。
• 2、气体的比热与过程特性有关 一定物量的物质在吸收或放出热量时，其温度变化的大 小取决于工质的性质、数量和所经历的过程。经验表明，同 一种气体在不同条件下，如在保存容积不变或压力不变的条 件下加热，同样温度升高1K所需的热量是不同的。所以相应 有定压比热和定容比热。
定容加热与定压加热
• 3、气体的比热与状态参数有关 实际气体c＝f（t，p） 理想气体c＝f（t） 一般的，比热随温度的升高而增大，温度变化范围越大， 比热变化越大。如图曲线AB
真实质量比热c＝dq/dt
c
c=a+bt+ct-2+d2┉
B A 2
q 平均质量比热 2 cm1 t2 t1
工程热力学理想气体的热力性质及基本热力过程
第一篇
工程热力学
第三章 理想气体的热力性质 及基本热力过程
本章主要内容
t2
t2
c=f(t)
2
c t2 t1
a 1
b
0
t1
t2
t
24
对1kg气体从t1到t2的热量q等 于0到t2的热量q2减去0到t1的 热量q1，即
c
c=f(t)
2
c t2 t1
a 1
b
q q2 q1 c 0 t 2 c 0 t1
对于mkg质量气体，所需热量为：
0
t2
t1
t1
t2
t
Q m(c 0 t 2 c 0 t1 )
对于标态下V0m3气体，所需热量为：
t2
t1
Q V0 (c 0 t 2 c 0 t1 )
平均比热容计算热量
25
t2
t1
例题分析
例3-2 用平均比热容计算将1kg空气从t1=150℃定压 加热到360℃时所需的热量。
R 8314 J /( kmol K )
各种物量单位之间的换算关系：
1kmol气体的量 Mkg气体的量 标态下22.4m 气体的量
3
7
气体常数Rg与通用气体常数R的关系：
m pV nRT RT M pV mRg T
R 8314 Rg 或 R MRg M M
pVm RT
热力学中的理想气体与分子运动
热力学中的理想气体与分子运动热力学是研究物质热现象和能量转化规律的科学，它对于我们了解自然界中诸多现象具有重要作用。
其中，理想气体的热力学性质以及分子运动理论是热力学的重要组成部分。
本文将深入探讨热力学中的理想气体与分子运动。
首先，我们来了解一下什么是理想气体。
理想气体是指分子间相互作用可以被忽略的气体。
它有一些特性，如无体积、无内聚力以及无吸引力。
在理想气体中，分子之间的碰撞是完全弹性的，因此理想气体也被称为弹性气体。
一个重要的热力学性质是理想气体的状态方程。
对于理想气体，我们有一个简化的状态方程，即理想气体状态方程：PV = nRT。
其中，P是气体的压力，V是气体的体积，n是气体的物质量，R是气体的摩尔气体常数，T是气体的温度。
这个方程表明，当其他变量不变时，气体的压力和体积成反比例关系。
这个方程对于理想气体的研究具有重要的理论和实际意义。
然而，理想气体状态方程只是对理想气体热力学性质的一种简化描述。
为了更好地理解理想气体的性质，我们需要借助于分子运动理论。
分子运动理论认为，气体是由大量微观粒子（分子或原子）组成的，它们不断地以高速运动并不断地碰撞。
这种微观粒子的运动导致了宏观性质的表现。
根据分子运动理论，气体分子的热运动可以用速率分布函数描述。
速率分布函数是描述气体分子速度的概率密度函数，它告诉我们不同速度的分子在气体中的相对比例。
根据热力学，我们可以得到分子运动理论中的麦克斯韦速率分布定律，它指出在一个温度为T的气体中，不同速度的分子数密度与速度的平方成正比。
分子运动理论不仅可以解释气体的热力学性质，还可以解释气体的输运性质。
例如，当我们将一个容器内的气体加热时，容器内的气体分子会加速运动，并且与容器壁碰撞。
这种碰撞会导致气体分子的动量传递给容器壁，从而产生气体的压力。
这就是热力学中所定义的压力。
此外，分子运动理论也可以解释理想气体的温度。
根据分子运动理论，温度实际上是分子平均动能的度量。
工程热力学理想气体
第四章 理想气体的性质第一节 理想气体的概念热能转变为机械能通常是借助于工质在热动力设备中的吸热、膨胀作功等状态变化过程而实现的。
为了分析研究和计算工质进行这些过程时的吸热量和作功量，除了以热力学第一定律为主要的基础和工具外，还需具备工质热力性质方面的知识。
热能转变为机械能只能通过工质膨胀作功实现，采用的工质应具有显著的涨缩能力,即其体积随温度、压力能有较大的变化。
物质的三态中只有气态具有这一特性，因而热机工质一般采用气态物质，且视其距液态的远近又分为气体和蒸气。
气态物质的分子持续不断地做无规则的热运动，分子数目又如此的巨大，因而运动在任何一个方向上都没有显著的优势，宏观上表现为各向同性，压力各处各向相同，密度一致。
自然界中的气体分子本身有一定的体积，分子相互间存在作用力，分子在两次碰撞之间进行的是非直线运动，很难精确描述和确定其复杂的运动，为了方便分析、简化计算,引出了理想气体的概念。
理想气体是一种实际上不存在的假想气体，其分子是些弹性的、不具体积的质点，分子间相互没有作用力。
在这两点假设条件下，气体分子的运动规律极大地简化了，分子两次碰撞之间为直线运动，且弹性碰撞无动能损失。
对此简化了的物理模型，不但可定性地分析气体某些热力学现象，而且可定量地导出状态参数间存在的简单函数关系。
众所周知，高温、低压的气体密度小、比体积大,若大到分子本身体积远小于其活动空间，分子间平均距离远到作用力极其微弱的状态就很接近理想气体。
因此，理想气体是气体压力趋近于零(p →0)、比体积趋近于无穷大(v →∞)时的极限状态。
一般来说，氩、氖、氦、氢、氧、氮、一氧化碳等临界温度低(参见附表2)的单原子或双原子气体，在温度不太低、压力不太高时均远离液态，接近理想气体假设条件。
因而，工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合空气、燃气、烟气等工质,在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理，误差一般都在工程计算允许的精度范围之内。
《大学物理》第17章 温度热膨胀和理想气体定律
ΔV βV0ΔT
(17-2)
其中，ΔT 是温度的增量，V0 是原来的体积，ΔV 是体积增量，
β 是体膨胀系数。单位为 (℃)-1。
注意：对于固体，通常体膨胀系数 β 大约是线膨胀系数 α 的
3 倍。这是为什么？考虑一个长度 l0、宽度W0、高度H0 的长 方体固体。当它的温度改变ΔT ，其体积从 V = l0 w0 H0 到
l l0 Δl l0 αl0ΔT
或l l0 (1 αT )
(17-1b)
l0 是温度为 T0 时的长度， l 是温度 T 时的长度，
如果温度增量ΔT = T-T0 为负值，则Δl = l- l0 也为 负值。
例17-3 桥梁伸缩 在20℃时，吊桥的钢床为200 m长，它可能会 暴露在-30℃～40℃极端的温度下，它将怎样收缩和膨胀呢？
例17-10 在STP条件下1mol气体的体积 在标准温度和压强（STP） 下，1 mol任何气体的行为接近理想气体。
解：根据方程17-3，则体积V 的解为
V nRT (1.00mol)(8.314J / mol K)(273K) 22.4 103 m3
P
(1.013105 N / m2 )
V l0 (1 αΔT)W0 (1 αΔT)H0 (1 αΔT ),
假设线膨胀系数 α 沿所有方向都相同，则
ΔV V V0 V0 (1 αΔT )3 V0 V0 (3αΔT 3(αΔT )2 (αΔT )3).
如果膨胀量远小于原来物体的大小，那么αΔT << 1，可将2次方和 3次方项忽略，则有
§17- 7 理想气体定律
玻意耳，查尔斯和盖－吕萨克 的气体定律组合成一个一定量 的气体、绝对压强、体积和绝 对温度之间的单一关系式：
大学物理热力学
02
数学表达式为：不可能通过有限个步骤将一个单一 热源的热量全部转化为机械功而不产生其他影响
04
此外，热力学第二定律还揭示了机械能与内能之间 的转化是不可逆的，即机械能可以完全转化为内能， 而内能不能完全转化为机械能而不产生其他影响
5
卡诺循环与卡 诺定理
卡诺循环与卡诺定理
01
02
卡诺循环是由法国物理学家 卡诺提出的一种理想化循环 过程，包括四个步骤：等温 膨胀、绝热膨胀、等温压缩 和绝热压缩
1
热力学的基本 概念
热力学的基本概念
热力学的基本概念包括系 统、状态、过程和循环等
系统是指研究对象的整体， 可以是气体、液体、固体
等
状态是指系统在某一时刻 的宏观物理量，如温度、
压力、体积等
过程是指系统状态的变化 历程，可以分为等温过程、
等压过程、绝热过程等
循环是指系统经过一系列 状态变化后又回到初始状
此外，热力学还在航天工 程、材料科学等领域得到
应用
11
热力学与其他 学科的联系
热力学与其他学科的联系
热力学与其他学科有着密切的 联系
例如，热力学与统计力学的关 系密切，统计力学从微观角度 研究物质的热力学性质，提供
了对热现象的微观描述
此外，热力学与电动力学也有 一定的联系，如电磁场的能量 和动量等物理量可以与热力学 中的熵和温度等概念相对应
12
未来展望
未来展望
随着科学技术的发展，热力学的研究和应用将 不断深入和扩展
例如，随着能源问题的日益严重，热力学在能 源利用和环境保护方面的应用将更加广泛；随 着纳米技术的发展，热力学在纳米材料和纳米 器件方面的应用将更加深入；随着气候变化和 环境问题的日益严重，热力学在地球科学和环 境科学方面的应用将更加重要