1、内容提要内容提要个人简介个人简介 课程要求课程要求热学简史热学简史温度温度为纯科学呼吁（1883年8月15日）Henry Augustus Rowland(November27,1848April16,1901我时常被问及这样的问题：我时常被问及这样的问题：纯科学纯科学与与应用科学应用科学究竟哪个对世界更重要。为了应用科学，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，因那样，多少代人以来他们都没有什
2、么进步，因为他们只满足于科学的应用，却从来没有追问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。中国人知道纯科学。中国人知道火药火药的应用已经若干世纪，的应用已经若干世纪，如果他们用如果他们用正确的方法正确的方法探索其特殊应用的探索其特殊应用的原理原理，他们就会在获得众多应用的同时发展出他们就会在获得众多应用的同时发展出化学化学，甚至甚至物理学物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实，。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
3、这个所有民族中最古的进步。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。老、人口最多的民族当成野蛮人。但是，未来还是有因纯粹热爱而研究自然的人，以但是，未来还是有因纯粹热爱而研究自然的人，以前人们未曾获得过的更崇高的奖赏在等待着他们。前人们未曾获得过的更崇高的奖赏在等待着他们。我们已经开始追求科学，站在门槛上想知道里面究我们已经开始追求科学，站在门槛上想知道里面究竟有什么。我们通过重力定律解释了行星的运动，竟有什么。我们通过重力定律解释了行星的运动，但是谁将解释是什么样的力量让两个相隔数百万英但是谁将解释是什么样的力量让两个相隔数百万英里的天体彼此相向运动呢？里的天体彼此相向运
4、动呢？今天，我们能够非常容易地测量电量和电流，但今天，我们能够非常容易地测量电量和电流，但是我们有方法来解释电的现象吗？光是波动的，但是我们有方法来解释电的现象吗？光是波动的，但我们知道波动的是什么吗？我们知道波动的是什么吗？热是一种运动，但我们知道运动着的是什么吗？普通物质随处可见，但是普通物质随处可见，但是谁探究出了其内部组成的奥秘呢？谁探究出了其内部组成的奥秘呢？孔子和庄子文化阻碍科研 学术不端、文化 孔庄文化鼓励小尺度和自给自足的做法，阻碍创新、商业化和技术发展。建立科学精神，学校教师应鼓励学生的好奇心好奇心。鼓励合作研究，细化分工。清华大学地球系清华大学地球系统科学研究中心统科学研究
5、中心宫鹏宫鹏 教授教授Nature 2012 Cultural history holds back Chinese research目录课程简介课程简介绪论绪论第一章第一章 温度温度 理想气体状态方程理想气体状态方程 （4 4学时）学时）第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律 （8 8学时）学时）第三章第三章 热力学第二定律热力学第二定律 （8 8学时）学时）第四章第四章 气体动理论（气体动理论（1414学时）学时）第五章第五章 实际气体、液体和固体实际气体、液体和固体 （8 8学时）学时）复习复习 （2 2学时）学时）新增新增 热力学第三定律热力学第三定律 （2 2学时）学时）（2 2
6、学时）学时）引言引言 01 热学的研究对象热学的研究对象热学是以物质的热学是以物质的热运动热运动以及热运以及热运动与其它运动形态之间的转化规动与其它运动形态之间的转化规律为其研究对象的一门学科。律为其研究对象的一门学科。引言引言 02 热学的研究方法热学的研究方法一一、热力学热力学RTMPV 实验实验宏观量间（比如物体的温度、压宏观量间（比如物体的温度、压强、热容量等）基本关系强、热容量等）基本关系 对粒子的对粒子的微观量，例如，例如位置、位置、速度、动量、速度、动量、转动、转动、振动振动等，通过统计平均推导系统的热力学性质等，通过统计平均推导系统的热力学性质引言引言 02 热学的研究方法热学
7、的研究方法二、统计力学二、统计力学按粒子遵循经典力学规律统计按粒子遵循经典力学规律统计 经典统计经典统计按粒子遵循量子力学规律统计按粒子遵循量子力学规律统计 量子统计量子统计华伦海特华伦海特华氏温标1724用水银代替酒精波义耳1627-1691 笛卡尔1596-1650培根 1561-1626摩擦生热热是一种运动洛莫诺索夫洛莫诺索夫1711-1765热是分子运动的表现迈尔迈尔1814-1878热功当量（1842）Cp,m-CV,m=R焦耳焦耳1818-18891cal=4.186J热力学第一定律卡诺卡诺1796-1832卡诺定理(1824)引言引言 03 热学发展简史热学发展简史(一一)热质说
8、与热动说热质说与热动说18501700前1724174417981842182417761776热是一种流质，名叫热热是一种流质，名叫热质，可透入一切物体之质，可透入一切物体之中，不生不灭；一个物中，不生不灭；一个物体是冷还是热，就看它体是冷还是热，就看它所含热质是多还是少。所含热质是多还是少。伦福德伦福德1753-1814枪炮枪炮 切下切下高温碎屑高温碎屑1799年年 戴维戴维（1778-1829）两块冰块互相摩擦完全熔化两块冰块互相摩擦完全熔化瓦特瓦特能斯特能斯特1864-1941热力学第三定律克劳修斯克劳修斯1822-1888据卡诺定律热力学第二定律(1850)开尔文开尔文1824-19
9、07据卡诺定律定绝对温标热力学第二定律(1851)卡诺卡诺1796-1832卡诺定理(1824)引言引言 03 热学发展简史热学发展简史(二二)191218421847185018241930福勒福勒热力学第零定律(1930)迈尔迈尔(1814-1878)热功当量（1842）能量既不能被创造也不能被毁灭Cp,m-CV,m=R焦耳焦耳1818-18891cal=4.186J热力学第一定律亥姆霍兹亥姆霍兹1821-1894热力学第一定律1847热功当量实验装置热功当量实验装置迈尔（迈尔（Robert Mayer）德国，德国，1842年提出能年提出能量守恒概念量守恒概念亥姆霍兹（亥姆霍兹（Helmh
10、oltz）德国，德国，1847提出并证明提出并证明能量守恒定律能量守恒定律Joule（1818 1889）英国英国 1840，焦耳定律，焦耳定律1843，热功当量，热功当量热力学热力学第零定律第零定律热平衡热平衡温度温度(T)热力学热力学第一定律第一定律能量守恒能量守恒内能内能(U)功功(A)热量热量(Q)焓焓(H)热力学热力学第二定律第二定律过程方向过程方向熵熵(S)热力学热力学第三定律第三定律温度温度极限极限绝对零度绝对零度(0K)热力学理论框架热力学理论框架第第一一章章 温度温度1-1 平衡态平衡态 状态参量状态参量 一一、热力学系统热力学系统外界外界外界外界系统系统 在在不受外界影响不
11、受外界影响的条件下，系统的的条件下，系统的宏观性宏观性质不随时间变化质不随时间变化的状态的状态 平衡态。平衡态。第第一一章章 温度温度1-1 平衡态平衡态 状态参量状态参量 二二、热力学系统热力学系统的平衡态的平衡态例例.平衡态和稳定态平衡态和稳定态平衡态平衡态T1T1稳定态稳定态T1T2稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。平衡态判据：平衡态判据：系统内部温度均匀、压强均匀。系统内部温度均匀、压强均匀。T1T2p,V,T三：三：平衡态可以用平衡态可以用状态参量状态参量描述描述PV),(TVp平衡态平衡态几何、力学、化学、电磁几何、力学、化学、电磁1.热平衡态
12、热平衡态：由导热板隔开（或直接接触）的两个由导热板隔开（或直接接触）的两个系统，达到的共同平衡态。系统，达到的共同平衡态。AB绝热壁绝热壁导热板导热板绝热壁绝热壁1-2 热力学第零定律和温度热力学第零定律和温度一一 热力学第零定律热力学第零定律2.2.热力学第零定律（热平衡定律）热力学第零定律（热平衡定律）分别与第三个系统分别与第三个系统(c)处于同一处于同一热平衡态的两个系统热平衡态的两个系统(A,B)必然也必然也处于热平衡。处于热平衡。二二 温度的概念温度的概念 两个（或多个）热力学系统处于两个（或多个）热力学系统处于同一热平衡态时，它们必然具有某同一热平衡态时，它们必然具有某种共同的宏观
13、性质。这一共同的宏种共同的宏观性质。这一共同的宏观性质，称为系统的观性质，称为系统的温度。温度。处于热平衡的多个系统有相同的温度。处于热平衡的多个系统有相同的温度。三要素三要素1.1.测温物质和测温物质和 测温属性测温属性2.2.规定测温参量随规定测温参量随温度的变化关系温度的变化关系3.3.选定标准温度点选定标准温度点并规定其数值并规定其数值1-3 1-3 温标的建立温标的建立一、经验温标一、经验温标如华氏温标如华氏温标17241724年，年，Fahrenheit Fahrenheit 测温物质：水银测温物质：水银测温属性：水银柱长度测温属性：水银柱长度X定标点：定标点：水的冰点：水的冰点：
14、3232F水的沸点：水的沸点：212212F温度的数值表示法叫做温度的数值表示法叫做温标温标SA和SB是金属A和B的赛贝克系数B，T1和T2是两块金属结合处的温度。塞贝克系数取决于温度和材料的分子结构。T(X)=X1122()()T XXT XX测温参量随温度变化测温参量随温度变化怎样确定怎样确定？K.T16273 摄氏温标与华氏温标，摄氏温标与华氏温标，热力学温标热力学温标的关系的关系29在固定点在固定点 t(X0)=t(Y0)=0 t(X100)=t(Y100)=100 30解：解：测温参量测温参量X随温度随温度t作线性变化作线性变化即即 t=ax+b于是：于是：aX0 +b=0 (1)a
15、X100+b=100 (2)aX +b=t(X)(3)(2)-(1)得得 a=100/(X100-X0)(3)-(1)得得 t(x)=a(X-X0)=100(X-X0)/(X100-X0)课后思考课后思考利用特定的测温物质的特定测温属利用特定的测温物质的特定测温属性建立的温标统称性建立的温标统称经验温标。缺点：不同经验温标测温有差异！缺点：不同经验温标测温有差异！能否找到一种与测温质的选择无关能否找到一种与测温质的选择无关的温标？的温标？低温物理补充材料低温物理补充材料测温物质：气体测温物质：气体测温属性：气体压强测温属性：气体压强固定点固定点 ：水的三相点：水的三相点 关关 系：系：KTtr
16、16.273 T pap二、理想气体温标二、理想气体温标2、理想气体温标、理想气体温标trPPPK.)P(Tlimtr016273 实验发现实验发现 ptr=0 时不同气体给出相同的水汽点温度时不同气体给出相同的水汽点温度P Ptrtr为该气体温度计在水的三相点（气、液、固三为该气体温度计在水的三相点（气、液、固三相共存）时的压强相共存）时的压强 ptrtrPPK.)P(T16273 2、理想气体温标、理想气体温标trPPPK.)P(Tlimtr016273 在压强极低的极限情况下，气体温标只取决于在压强极低的极限情况下，气体温标只取决于气体的共同性质，而与气体的共同性质，而与特定气体特定气体
17、的的特定性质特定性质无关。无关。根据气体在压强趋近根据气体在压强趋近0的极限情况下所遵循的的极限情况下所遵循的普遍规律建立的温标，叫做理想气体温标。普遍规律建立的温标，叫做理想气体温标。)(lim)(lim00VTPTpptr二、热力学温标和国际温标二、热力学温标和国际温标 把处于平衡态的某种物质的热力学参把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、温度）之间所满足的函量（如压强、体积、温度）之间所满足的函数关系称为该物质的数关系称为该物质的物态方程或称状态方程。物态方程或称状态方程。0),(或),(TVpfVpTT一、物态方程一、物态方程平衡态平衡态M M是气体的质量，是气体的质量，是
18、气体的摩尔质量，是气体的摩尔质量，R R是摩尔气体是摩尔气体常数（常数（R R=8.31 J/(mol=8.31 J/(molK)K)。RTMPV 或或一定质量（一定质量（摩尔）摩尔）的理想气体，任一状态的理想气体，任一状态下的下的 PV/TPV/T 的值都相等。的值都相等。见教材图见教材图1.101.10RTPV2310022.6 AN阿佛加德罗定律：阿佛加德罗定律：在相同的温度和压强下在相同的温度和压强下1 1mol()()任何理想气体的体积都相同。所以普适常数任何理想气体的体积都相同。所以普适常数R R为：为：KmolJ 31.815.273104.2210013.135TPVR 000
19、TVP 气体普适常量气体普适常量R R的计算的计算RTpV TNRVNTVRpAA VNnA 分子数密度分子数密度nkTp KJ1038.123ANRk 玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量理想气体状态方程的另一种写法理想气体状态方程的另一种写法mol10023623/.NA 1901年的普朗克CPV常数常数C在不同的温度下有不同的值，所以在不同的温度下有不同的值，所以C是一个温度的函数。是一个温度的函数。)(FPVPV解：解：例例2：由玻：由玻-马定律导出一个气体的定压温度计马定律导出一个气体的定压温度计所测定的温度，与同一气体定容温度计所测定所测定的温度，与同一气体定容温度计所测定的温度相同（的温度相
20、同（提示，用符号提示，用符号表示任意一种经表示任意一种经验温标所定的温度，考虑一种特殊的温标验温标所定的温度，考虑一种特殊的温标PV010压强是，设定压气体温度计的是，在汽点的数值在冰点的数值是假设pVPVPVP0110000,t(x)=100(X-X0)/(X100-X0)()(100)(01000010VVpVVpVVVVPT010100)(PT对于定容温度计，同样可以得到对于定容温度计，同样可以得到010100)(VT)1()15.273(000tVtTVV 三三.几个与物态方程有关的名词几个与物态方程有关的名词气体的体膨胀系数气体的体膨胀系数气体的压强系数气体的压强系数)1(0tPP理
21、想气体理想气体 压强系数与膨胀系数相等压强系数与膨胀系数相等 VRTMVRTM2211 四四.混合理想气体的状态方程混合理想气体的状态方程 21PPPRT)MM(PV 2211 道尔顿分压定律道尔顿分压定律:混合气体的压强等于各种气混合气体的压强等于各种气体分压之和体分压之和:RT)M(PVniii 1RTPV例题例题1-2（教材（教材)解解 假设每次打进的空气的压强、温度、体积和假设每次打进的空气的压强、温度、体积和摩尔质量为摩尔质量为p1,T1,V1,则根据理想气体状态方则根据理想气体状态方程，每次打进空气的质量为程，每次打进空气的质量为胎内气体质量：胎内气体质量：故打气次数：故打气次数：
22、解解 根据题意考虑大小容器中气体的初态到末态的根据题意考虑大小容器中气体的初态到末态的状态变化，现以状态变化，现以p1,V1,T1和和p2,V2,T2分别表示大、分别表示大、小容器中气体处于初态时的各量，以带撇的符号小容器中气体处于初态时的各量，以带撇的符号表示末态的各个相应量。注意到初态和末态的压表示末态的各个相应量。注意到初态和末态的压强分别相等。强分别相等。初态计算总摩尔数初态计算总摩尔数末态计算总摩尔数末态计算总摩尔数二者相等二者相等为了计算从小容器中留出的空气的体积，按照题意把为了计算从小容器中留出的空气的体积，按照题意把初、终两态的容器气体在标准状态下的体积求出即可。初、终两态的容
23、器气体在标准状态下的体积求出即可。初态小容器气体在标况下的体积初态小容器气体在标况下的体积末态小容器气体在标况下的体积末态小容器气体在标况下的体积思考题思考题 1.热运动与机械运动有何区别？热运动与机械运动有何区别？2.用同一种标度法但采用不同测温质的用同一种标度法但采用不同测温质的同一种测温参量所制成的不同温度计同同一种测温参量所制成的不同温度计同时测同一物体的某一温度，其结果是否时测同一物体的某一温度，其结果是否相同？为什么？采用同种测温质的不同相同？为什么？采用同种测温质的不同测温参量测温时，情况又如何呢？测温参量测温时，情况又如何呢？一金属杆一端置于沸水中，另一端和冰接触，当沸水和冰的温度维持不变时，则金属杆上各点的温度将不随时间而变化。试问金属杆这时是否处于平衡态？为什么？答：金属杆就是一个热力学系统。根据平衡态的定义，虽然杆上各点的温度将不随时间而改变，但是杆与外界（冰、沸水）仍有能量的交换。一个与外界不断地有能量交换的热力学系统所处的状态，显然不是平衡态。
