大学物理第一章导论

P0
h
测 温 泡
Hale Waihona Puke 定容气体温标 测温物质：某种气体 测温属性：气体体积不变时气体的压强P pV0 . 线性关系：Tv(p)=a p ...…（1） T ( p) R
（a为比例系数，可根据纯水的三相点的温度来确定）
将测温泡置于纯水三相点瓶胆中，平衡后测得泡 内气体压强为Ptr 此时泡内气体的温度为273.16k由 （1）式 得： a=273.16k/Ptr ...…（2）
第一章 导论
§1.1 宏观描述方法和微观描述方法
热学是研究与热现象有关的规律的科学。 热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。 大量分子的无规则运动称为热运动。
热学的研究方法： 1.宏观法. 最基本的实验规律逻辑推理(运用数学) ------称为热力学。 优点：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质。 2.微观法. 物质的微观结构 + 统计方法 ------称为统计物理学 其初级理论称为气体分子运动论(分子动理学) 优点：揭示了热现象的微观本质。 缺点：可靠性、普遍性差。
温标（temperature scale）
以第0 定律为实验基础定义的温度是一个 宏观概念，量化之后就成为一个可测量的宏观 量。对温度进行量化，首先必须确定温标。 *温标定义：温度的数值表示法。 *温标分类：经验温标 理论温标 国际温标

经验温标
建立经验温标三要素：
1.选择测温物质和测温参量（属性） 2.选定固定点：1954年起，水的三相点温度 （273.16k) 被取为标准点。三相点指冰、水、 汽共存的状态，这点的温度可由三相点瓶胆取得。 3.进行分度，即规定测温参量随温度的变化关系
热力学系统
孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统 封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统 开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统
二 平衡态与非平衡态
1. 平衡态 在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间改变的 状态，称为平衡态。 平衡态是一个理想化模型，我们主要研究平衡态的热学规律。 说明两个概念： 动态平衡:处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且 因为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏 观量不随时间 改变。这称为动态平衡
温度（temperature）
互为热平衡的几个热力学系统，必然具有某种共 同的宏观性质，我们将这种决定系统热平衡的宏观性 质定义为温度。 温度是决定一系统是否与其它系统处于热平衡的 宏观性质, 其特征在于一切互为热平衡的系统都具有 相同的温度。
温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与 其他系统处于热平衡。处于热平衡的各系统温度相同。 温度是状态的函数，在实质上反映了组成系统大 量微观粒子无规则运动的激烈程度。 实验表明，将几个达到热平衡状态的系统分开之 后，并不会改变每个系统的热平衡状态。这说明，热 接触只是为热平衡的建立创造条件，每个系统热平衡 时的温度仅决定于系统内部大量微观粒子无规运动的 状态。 换句话说，温度反映了系统本身内部热运动状态 的特征。 一切互为热平衡的物体都具有相同的温度，这是 用温度计测量温度的依据。
绝热板
B (a)
若隔板为“导热板” （如图(b)），则A,B两系统 A 状态不能独立地改变, 一 个系统状态的变化会引起另 B 一系统状态的变化,金属板 导热板 (b) 即为导热板。通过导热板两 个系统的相互作用叫热接触。 热平衡（themal equilibrium） :发生热接触的两 个平衡态, 经过足够长的时间所达到的共同的 热平衡状态.
理想气体物态方程
m pV RT RT Mm
Mm为气体的摩尔质量，m为气体的质量。能 严格满足上述方程的气体为理想气体。 R=8.31Jmol-1K-1 普适气体常量
混合理想气体的状态方程
上面讨论的只限于化学成分单纯的气体，但在许多 实际问题中，往往遇到包含几种不同化学组分的混合气 体。在处理此类问题时，需要用到一条实验定律－－道 尔顿分压定律（Dalton law of partial pressure）:混合气 体的压强等于各组分的分压强之和


能否建立一种完全不依赖于任何测温物质的理想温标呢？
热力学温标是建立在第二定律基础上，不依赖于何物质 的特性的温标。 热力学温度国际单位为“开尔文”，简称开记为K 根据定义，1开等于水的三相点的热力学温度的1/273.16。 可证明在理想气体温标有效范围内，热力学温标理想气 体温标完全一致。 常用的摄氏温标 t（ C)定义：t = T273.15 三相点与冰点相同吗？ 华氏温标tF （ F)定义：tF=32+9t/5
结论：分子无规则运动的剧烈程度与温度有关， 温度越高，分子的无规则运动就越剧烈。通常把 分子的这种运动称为热运动。
3.分子间存在吸引力和排斥力 吸引力：由于固体与液体的分子之 间存在着相互的吸引力使固体能够 保持一定的形状与体积而液体能保 持一定的体积。 排斥力：固体和液体的很难压缩说明分 子之间存在着斥力 分子间的吸引力和排斥力有使分子聚集在一 起的趋向，而热运动有使分子尽量散开的趋势， 二者是一对矛盾。
平衡态是系统宏观状态的一种 特殊情况。
2.非平衡态：宏观性质随时间改变 实例：理想气体绝热自由膨胀。 各处压强都不同，且随时间变化。处 于非平衡态。 3.与稳恒态的区别，稳恒态不随时间变化，但 由于有外界的影响，故在系统内部存在能量 流或粒子流。稳恒态是非平衡态。对平衡态 的理解应将“无外界影响”与“不随时间变化” 同时考虑，缺一不可。
2. 物质在永不停息的做热运动.这种运动是无规 则的，其剧烈程度与物体的温度有关 热运动的例证：扩散、布朗运动。
扩散现象说明：一切物体（气体、液体、 固体）的分子都在不停地运动着
在显微镜下观 察到悬浮在液 体中的小颗粒 都在不停地作 无规则运动， 该运动由布朗 最早发现，称 为布朗运动。
布朗运动的无规则性，实际上反映了液体内部分 子运动的无规则性。 所谓“无规则”指的是： 1。由于分子间的相互碰撞，每个分子的运动方向 和速率都在不断地改变； 2。任何时刻，在液体或气体内部，沿各个方向运 动的分子都有，而且分子运动的速率有大有小。 实验结果：扩散的快慢和布朗运动的剧烈程度都与 温度的高低有显著的关系。随着温度的升高，扩散过程 加快，悬浮颗粒的运动加剧。
Ptr表示气体在三相点时的压强
（2）代入（1）得： Tv(p)=273.16k . P/Ptr 利用此式，根据温度计中气体压强P，可确定 待测系统的温度Tv(P)。
定容气体温度计常用的气体有氢、氦、氧 和空气等，对于不同的气体所确定的温标，除 根据规定对水的三相点的读数相同外，对其他 温度的读数也相差很少，而且这些微小的差别 在温度计所用的气体极稀薄时逐渐消失。
宏观法与微观法相辅相成。
• 宏观量与微观量
对热力学系统的两种描述方法： 1. 宏观量 从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。 如 M、V、E 等----可以累加，称为广延量。 P、T 等----不可累加，称为强度量。 2. 微观量 描述系统内微观粒子的物理量。 如分子的质量m、 直径 d 、速度 v、动量 p、能量 等。 微观量与宏观量有一定的内在联系。 例如，气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果， 它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。
§1.2 热力学系统的平衡态
一、热力学系统 1.系统与外界
（1）.热力学系统（简称系统）:在给定范围内， 由大量微观粒子所组成的宏观客体。
1).它包含极大量的分子、原子。 2)以阿佛加德罗常数 NA =6.023×1023/mol计。
（2）.系统的外界（简称外界）:能够与所研究 的热力学系统发生相互作用的其它物体。 例：若汽缸内气体为系统，其它为外界
稳恒态实例：
100 oc
金属杆
0 oc
4.状态参量——平衡态的描述
确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量 （state vaviable）。 常用的状态参量有四类： 几何参量（如：气体体积） 力学参量（如：气体压强） 化学参量（如：混合气体各化学组 分的质量和摩尔数等） 电磁参量（如：电场和磁场强度， 电极化和磁化强度等）
A B C
设A和B、B和C分别热平衡， 则A和C一定热平衡。
热力学第零定律（Zeroth law of themodynamics）
如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统 达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。 这个定律反映出，处在同一热平衡状态的所有的 热力学系统都具有共同的宏观性质。定义这个决定系 统热平衡的宏观性质为温度。 第零定律为建立温度概念提供了实验基础。
p=p1+p2+…+pn
注意：此定律只适用于理想气体，即只在压强较低时才准确成立。
由理想气体状态方程与道尔顿分压定律可得：
( p1 p2 pn )V (
M1
1

M2
2

Mn
n
) RT
用表示混合气体的摩尔数，则：

M1
1

M2
2

Mn
n
则混合理想气体的状态方程为：
三、热力学平衡条件
热力学呈 现平衡态 的条件
无热流 无粒子流 无外场作用下系统各部分 化学组成处处相等 热学平衡条件 力学平衡条件
化学平衡条件
可以用P、V、 T图来表示
§1.3 物态方程
物态方程
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 的物态方程或状态方程。如：fi(Ti,pi,Vim)=0
P T 273.16 K lim Ptr 0 P tr
V T 273.16 K lim P 0 V tr
（体积V不变）
（压强p不变）
理想气体温标利用了气体的性质，因此在温度低 于液化温度时，此温标便失去意义。能测量的最低温 度为0.5 K ( 低压3He气体）。