1、热学热学1主讲：李佳 热学内容图析热学内容图析2总论总论量热与量温量热与量温热传递的一般规律热传递的一般规律热力学平衡态的特征及充要条件热力学平衡态的特征及充要条件热力学第零定律、温度和温标热力学第零定律、温度和温标理想气体定律和状态方程理想气体定律和状态方程热学发展规律简史热学发展规律简史研究对象及方法研究对象及方法热力学基础热力学基础（宏观理论）（宏观理论）分子运动论分子运动论（微观理论）（微观理论）热学理论的应用热学理论的应用（物性学）（物性学）1、热力学第、热力学第一定律；一定律；2、热力学第、热力学第二定律；二定律；3、热机。、热机。1、分子运动论的实验、分子运动论的实验基础及基本论
2、点；基础及基本论点；2、理想气体分子运动、理想气体分子运动的规律（平衡态）；的规律（平衡态）；3、理想气体内迁移规、理想气体内迁移规律（非平衡态）律（非平衡态）。1、实际气体、实际气体、液体、固体的基液体、固体的基本性质；本性质；2、一级相变特、一级相变特征及基本规律。征及基本规律。主要参考书目：主要参考书目：3成绩考核：成绩考核：平时作业平时作业10%、课堂讨论、课堂讨论10%、期中占、期中占20%、期末占期末占60%1.秦允豪，秦允豪，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社2.赵凯华等，赵凯华等，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社3.黄淑清等，黄淑清等，热学教程热学教程，高等教育出
3、版社，高等教育出版社4.李椿等，李椿等，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社5.肖国平，肖国平，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社6.吴瑞贤等，吴瑞贤等，热学教程热学教程，四川大学出版社，四川大学出版社7.徐行，徐行，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社8.张玉民等，张玉民等，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社9.李洪芳，李洪芳，热学热学，复旦大学出版社，复旦大学出版社10.顾建中，顾建中，热学教程热学教程，高等教育出版社，高等教育出版社11.D.哈理德等，哈理德等，物理学物理学（第二册），科学出版社（第二册），科学出版社绪绪 论论41 热学的研究对象及其特点热学的研究对象
4、及其特点一、热学的研究对象及其特点一、热学的研究对象及其特点 热物理学热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联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。系的各种规律的科学。热现象：热现象：这些与温度有关的物理性质的变化。这些与温度有关的物理性质的变化。热学研究对象：热学研究对象：与热相联系的现象与热相联系的现象。特点：特点：热物理学研究的是由数量很大的微观粒子所热物理学研究的是由数量很大的微观粒子所组成的系统。组成的系统。大数粒子：大数粒子：我们把数量级达到宏观系统量级的粒子。我们把数量级达到宏观系统量级的粒子。二、宏观描述方法与微观描述方法二、宏观描述方法与微观描述方法51、宏
5、观描述方法：热力学方法宏观描述方法：热力学方法热力学：热力学：由观察和实验总结出来的热现象规律，构成由观察和实验总结出来的热现象规律，构成热现象的宏观理论热现象的宏观理论，叫做热力学叫做热力学。热力学方法的优点：热力学方法的优点：热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。可靠性与普遍性。热力学的局限性：热力学的局限性：1、它只适用于粒子数很多的宏观系统；它只适用于粒子数很多的宏观系统；2、它主要研究物质在平衡态下的性质，它不能解答系统如何
6、从非平、它主要研究物质在平衡态下的性质，它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程；衡态进入平衡态的过程；3、它把物质看成为连续体，不考虑物质的微观结构、它把物质看成为连续体，不考虑物质的微观结构2、微观描述过程：统计物理学、微观描述过程：统计物理学6 统计物理学统计物理学则是热物理学的微观描述方法，它从物质由大则是热物理学的微观描述方法，它从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性质看数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定，由此找出微观量与宏作由微观粒子热运动的统计平均值所决定，由此找出微观量与宏观量之间的关系。观量
7、之间的关系。微观描述方法的局限性：微观描述方法的局限性：在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出简化假在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得的理论结果与实验不能完全符设（微观模型）后所得的理论结果与实验不能完全符合合。3、热物理学、热物理学 热力学基础热力学基础 统计物理学的初步知识统计物理学的初步知识 液体、固体、相变等物性学液体、固体、相变等物性学v宏观方法与微观方法相辅相成，互相促进。宏观方法与微观方法相辅相成，互相促进。热学7一条主线两个方面热是什么热是什么宏观宏观微观微观三个阶段第一阶段：远古十八世纪第一阶段：远古十八世纪毕达哥拉斯毕达哥拉斯 土火水气土火
8、水气老子老子 金木水土火金木水土火柏拉图柏拉图 火是一种运动的表现形式火是一种运动的表现形式2.热学研发展简史热学研发展简史8第二阶段：十八世纪十九世纪末第二阶段：十八世纪十九世纪末 测温测温 量热量热 拉瓦锡拉瓦锡 卡诺卡诺 热无质量的液体热无质量的液体 热素说热素说 伦福德伦福德 焦耳焦耳第三阶段：十九世纪末至今第三阶段：十九世纪末至今 普朗克普朗克 量子说量子说9伽利略温度计伽利略温度计 16世纪世纪(明明)从钻木取火到商周的青铜器从钻木取火到商周的青铜器 1011瓦特早期蒸气机清初121823年年 道光道光3年年 131807年 嘉庆12年141892年年 同治同治18年年(仿哥窑五彩
9、)151.官窑官窑:南宋南宋2.定窑定窑:宋宋,河北曲阳河北曲阳3,汝窑汝窑:宋宋,河南宝丰河南宝丰4,哥窑哥窑:南宋南宋,浙江龙泉浙江龙泉5,均窑均窑:宋宋,河南禹县河南禹县五大名窑五大名窑:第1章温度和气体动理论1.1 平衡态平衡态 状态参量状态参量1.3 理想气体的状态方程理想气体的状态方程1.2 温度温度 1.1 1.1 平衡态平衡态 状态参量状态参量17一、热力学系统一、热力学系统热力学系统（简称系统）热力学系统（简称系统）：被确定为研究对象的物体被确定为研究对象的物体或物体系。或物体系。孤立系统：孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统与外界既不交换物质又不交换能量的系统外界
10、外界：系统边界外部系统边界外部封闭系统：封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统与外界不交换物质但可交换能量的系统开放系统：开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统与外界既交换物质又交换能量的系统热力学与力热力学与力学的区别学的区别热力学参量：压强、体积、温度等热力学参量：压强、体积、温度等热力学的目的：基于热力学的基本定律热力学的目的：基于热力学的基本定律力学的目的：基于牛顿定律（力学参量）力学的目的：基于牛顿定律（力学参量）18热学二、平衡态二、平衡态真空孤立系统孤立系统在不受外界条件影响下，经在不受外界条件影响下，经过足够长时间后系统必将达过足够长时间后系统必将达到一个宏观上看来不
11、随时间到一个宏观上看来不随时间变化的变化的状态状态),(TVppV),(TVp*o19热学箱子假想分成两相同体积的部分，箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越达到平衡时，两侧粒子有的穿越界线，但两侧粒子数相同。界线，但两侧粒子数相同。例如：例如：粒子数粒子数说明说明：处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间观量不随时间 改变。改变。平衡态是一种热动平衡平衡态是一种热动平衡20热学平衡态的特点平衡态的特点注意注意1）理想化；理想化；2）动
12、态平衡。动态平衡。,p T1）单一性（）单一性（处处相等）处处相等）;2）物态的稳定性）物态的稳定性 与时间无关；与时间无关；3）自发过程的终点；）自发过程的终点；4）热动平衡（有别于力平衡）热动平衡（有别于力平衡）.Tp,21热学三、状态参量三、状态参量状态参量状态参量 几何参量：几何参量：体积体积 电磁参量：电磁参量：电场强度，电极化强度，磁化强度电场强度，电极化强度，磁化强度 力学参量：力学参量：压强压强 热学参量：热学参量：温度温度把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量状态参量。化学参量：化学参量：摩尔数，浓度，质量摩尔数，浓度，质量22热学宏观量宏观量表征系统宏观性质的物理量表征
13、系统宏观性质的物理量如系统的体积如系统的体积V、压强、压强P、温度、温度T等等可直接测量可直接测量分为分为广延量广延量和和强度量强度量广延量有累加性如质量广延量有累加性如质量M、体积、体积V、内能、内能E等等强度量无累加性如压强强度量无累加性如压强 P，温度，温度T等等微观量微观量描写单个微观粒子运动状态的物理量描写单个微观粒子运动状态的物理量一般一般只能只能间接间接测量测量如分子的质量如分子的质量 m、大小、大小 d、速度、速度 v等等1、气体的体积、气体的体积V气体的体积气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。的空间。对于密闭容器中的气体，容器的
14、体积就是对于密闭容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。气体的体积。单位：单位：m32、压强、压强p压强压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。于容器壁上单位面积所受到的正压力。p=F/S单位：单位：1Pa=1N.m-2标准大气压标准大气压 1atm=76cm.Hg=1.013105Pa 气体的物态参量及其单位（宏观量）气体的物态参量及其单位（宏观量）3 温度温度 T :气体冷热程度的量度（热学描气体冷热程度的量度（热学描述）述）.温度的高低反映分子热运动激烈程度。温度的高低反映分子热运动激烈程度。(1)热力学温标热力
15、学温标T，单位：，单位：K (2)摄氏温标摄氏温标t，单位：，单位：0C 00C水的三相点温度水的三相点温度 1000C水的沸腾点温度水的沸腾点温度 tT15.273单位：单位：温标温标 K(开尔文开尔文)(3)华氏温标华氏温标F，单位单位0F320F 水的三相点温度水的三相点温度2120F水的沸腾点温度水的沸腾点温度关系：关系：T=273.15+tF=9t/5+3225热学 1.2 1.2 温温 度度一、热力学第零定律一、热力学第零定律 热交换：热交换：传热但不交换粒子热平衡：热平衡：两个系统在热交换的条件下达到了一 个共同的平衡态.在不受外界影响的情况下，只要A和B同时与C处于热平衡，即使
16、A和B没有接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律被称为热力学第零定律热力学第零定律。ABAB绝热板绝热板导热板导热板A、B 两体系互不影响两体系互不影响各自达到平衡态各自达到平衡态A、B 两体系的平衡态有联系两体系的平衡态有联系达到共同的热平衡状态（达到共同的热平衡状态（热平衡热平衡），），A、B 两体系有共同的宏观性质，两体系有共同的宏观性质，称为系统的称为系统的温度温度。处于热平衡的多个系统具有相同的温度处于热平衡的多个系统具有相同的温度温度测量温度测量ABC设设 A 和和 B、B 和和 C 分别热平衡，分别热平衡，则则 A 和和 C 一定热平衡。一定热平衡。（热力学第零定律）（热力学第零
17、定律）ABA 和和 B 热平衡，热平衡，TA=TB；B A，A 改变很小，改变很小，TA 基基本是原来体系本是原来体系 A 的温度的温度热胀冷缩特性，标准状态下，冰水混合，热胀冷缩特性，标准状态下，冰水混合，B 上留一上留一刻痕，刻痕，水沸腾，又一刻痕，之间百等份，就是摄氏水沸腾，又一刻痕，之间百等份，就是摄氏温标（温标（Co）。）。酒精或水银酒精或水银28（1）日常生活中，常用）日常生活中，常用温度温度来表示来表示冷热冷热的程的程度度（2）在微观上，则必须说明，温度是处于热平衡）在微观上，则必须说明，温度是处于热平衡 系统的微观粒子系统的微观粒子热运动强弱程度热运动强弱程度的度量的度量 温度
18、相同是系统处于热平衡的充分且必要条件：温度相同是系统处于热平衡的充分且必要条件：处于热平衡的系统处于热平衡的系统 温度温度 温度相同的系统温度相同的系统 一定处于热平衡一定处于热平衡 为了描绘一个系统与另外一个系统处于为了描绘一个系统与另外一个系统处于 热平衡热平衡 需要一个物理量：需要一个物理量：温度温度29热学 热力学第零定律的热力学第零定律的物理意义物理意义 互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征，互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征，即它们的即它们的温度是相同温度是相同的。的。第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了 判别温度是否相同的方法
19、。判别温度是否相同的方法。温度计温度计30热学二、温标二、温标 经验温标的三要素经验温标的三要素 温度的数值表示法叫做温度的数值表示法叫做温标温标选择测温物质和测温参量（属性）选择测温物质和测温参量（属性）选定固定点选定固定点进行分度，即规定测温参量随温度进行分度，即规定测温参量随温度的变化关系的变化关系 温标的建立温标的建立以液体摄氏温标为例以液体摄氏温标为例（1）水银测温度）水银测温度 体积随温度变化测温属性体积随温度变化测温属性（2）1atm 水冰点水冰点0摄氏度摄氏度 沸点沸点 100摄氏度摄氏度（3）确定测温属性随温度的变化关系）确定测温属性随温度的变化关系31热学三、气体温度计三、
20、气体温度计定容气体温度计定容气体温度计气体的体积保持不变，压强随温度改变气体的体积保持不变，压强随温度改变定压气体温度计定压气体温度计气体的压强保持不变，体积随温度改变气体的压强保持不变，体积随温度改变0()pVT pR0273.16trRVpKV0不变不变Ptr为该气体温度计在水的三相点（气、为该气体温度计在水的三相点（气、液、固三相共存）时的压强液、固三相共存）时的压强0()273.16limtrptrpT pKp（体积不变）（体积不变）四、理想气体温标四、理想气体温标以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积（压强）不变时压强（体积）与温度成
21、正比关系所（压强）不变时压强（体积）与温度成正比关系所确定的温标确定的温标称为理想气体温标称为理想气体温标33热学P Ptrtr/(133.3224Pa)/(133.3224Pa)373.373.0 0373.2373.2374.374.0 0200200400400 600600 800800 1001000 0T(p)=373.15KT(p)=373.15KT(p)T(p)H H2 2N N2 2O O2 2空气空气由气体温度计所定由气体温度计所定出的温标出的温标称为理想称为理想气体温标气体温标34热学五、热力学温标五、热力学温标是一种不依赖于测温物质和测温属性的温标是一种不依赖于测温物质
22、和测温属性的温标,单位：单位：K(Kelvin)规定：规定：T3=273.16K在理想气体温标有效范围内二者一致。在理想气体温标有效范围内二者一致。泡泡B毛细管毛细管指示针指示针hMMO水银槽水银槽体积保持不变体积保持不变TKPP 273163.摄氏温度摄氏温度 t 与理想气与理想气体温度体温度 T的关系的关系 t=T-273.15稀薄的实际气体稀薄的实际气体接近理想气体，接近理想气体，温度很低时气体温度很低时气体液化，气体温度液化，气体温度计失效。计失效。热力学温标热力学温标与任何物质与任何物质特性无关，但与特性无关，但与理想气理想气体温标体温标等价等价36热学六、摄氏温标、华氏温标与兰氏温
23、标六、摄氏温标、华氏温标与兰氏温标009325FCttFt是摄氏温标是摄氏温标01.8()RRTTK00459.67FRtTRFTR是兰（金）氏温标是兰（金）氏温标汽点汽点三相点三相点冰点冰点绝对零绝对零度度英美等英美等国使用国使用671.67491.69491.670TRR兰氏温标兰氏温标英美等英美等国使用国使用212.0032.0232.00-459.67tFF华氏温标华氏温标国际通国际通用用100.000.010.00-273.15tC摄氏温标摄氏温标国际通国际通用用T=T373.15273.16273.150TK热力学温热力学温度度通用通用情况情况与热力学温度与热力学温度的关系的关系固
24、定点的温度值固定点的温度值符符号号单单位位温度温度0273.15tTCK09459.675tTFK1.8RTT37热学国际实用温标国际实用温标实用温度实用温度计简介计简介膨胀测温法：玻璃液体温度计、膨胀测温法：玻璃液体温度计、双金属温度计双金属温度计压力测温法：压力表式温度计、压力测温法：压力表式温度计、蒸汽压温度计蒸汽压温度计电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、电磁学测温法：电阻温度计、温差热电偶温度计、半导体温度计、频率温度计半导体温度计、频率温度计辐射测温法辐射测温法声学测温法：声学温度计声学测温法：声学温度计开尔文开尔文38热学1.31.3 气体的状态方程气体的状态方程 物态方
25、程物态方程平衡态平衡态 把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、温度）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之间所满足的函数关系称为该物质的物态方程物态方程或称或称状态方程状态方程。一、理想气体物态方程一、理想气体物态方程1、玻意耳定律、玻意耳定律一定质量的气体，温度不变一定质量的气体，温度不变 PV=C注意：（注意：（1）温度不变，）温度不变，PV为一常数；温度改变，常数也要改变为一常数；温度改变，常数也要改变 （2）P不太大，不太大，T要不太低时适用；要不太低时适用；P越低，遵守得越好。越低，遵守得越好。0),(),(,miiii
26、miiiiVpTfVpTT或39热学 2、理想气体状态方程、理想气体状态方程3、普适气体常数、普适气体常数R1摩尔理想气体在压强为摩尔理想气体在压强为1atm,温度为温度为273.15K时时 RTRTMmpVmolKVpRtrtr16.273222111TVpTVp3301041383.22mv000RTVp000TVpR 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。40热学4、混合理想气体物态方程、混合理想气体物态方程注意：注意：（1）是各混合气体在同温同体积同摩是各混合气体在同温同体积同摩尔数时的压强；尔数时的压强；（2）气体压强比较低时适用。）气体压强比较低
27、时适用。RTpVn)(21 nnpppVRTVRTVRTp 2121nppp 21,41热学 二、非理想气体的状态方程二、非理想气体的状态方程 范得瓦尔斯方程范得瓦尔斯方程 范得瓦尔斯气体：范得瓦尔斯气体：考虑分子大小斥力考虑分子大小斥力 互相吸引互相吸引分子模型分子模型1摩尔范式气体（摩尔范式气体（a,b对于一定的气体来说是常数）对于一定的气体来说是常数）范得瓦尔斯方程范得瓦尔斯方程:昂尼斯方程：昂尼斯方程：（1mol范氏气体）范氏气体）若气体质量为若气体质量为m,体积为体积为V,则范氏方程为：则范氏方程为：(P+av2)(v-b)=RT(P+aV2)(V-b)=RTM2m2Mm M2.BCpVAVV
