1、11 熱學(xué)的一些基本概念熱學(xué)的一些基本概念2 熱力學(xué)第熱力學(xué)第0定律定律 溫度的概念溫度的概念第二部分第二部分 熱學(xué)熱學(xué)1.1 系統(tǒng)與外界系統(tǒng)與外界1.2 熱力學(xué)平衡態(tài)熱力學(xué)平衡態(tài)1.3 狀態(tài)參量狀態(tài)參量平衡態(tài)的描述和態(tài)函數(shù)平衡態(tài)的描述和態(tài)函數(shù)1.4 摩爾、摩爾質(zhì)量摩爾、摩爾質(zhì)量2.1 熱平衡熱平衡2.2 熱力學(xué)第熱力學(xué)第0定律定律經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 理論溫標(biāo)理論溫標(biāo) 國(guó)際溫標(biāo)國(guó)際溫標(biāo)2.3 溫度和溫標(biāo)溫度和溫標(biāo)作業(yè)：作業(yè)：1-2，1-3，1-43 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程KmolJR 31.8第一章第一章 熱學(xué)基本概念熱學(xué)基本概念 熱力學(xué)第熱力學(xué)第0定律定律 溫度溫度21.1 系統(tǒng)與外

2、界系統(tǒng)與外界2.系統(tǒng)的外界（簡(jiǎn)稱外界）系統(tǒng)的外界（簡(jiǎn)稱外界） 能夠與所研究的熱力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互作用能夠與所研究的熱力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互作用 的其它物體的其它物體。熱接觸熱接觸、作功作功、質(zhì)量交換。質(zhì)量交換。1.熱力學(xué)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）熱力學(xué)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)） 在給定范圍內(nèi)，由大量微觀粒子所組成的宏在給定范圍內(nèi)，由大量微觀粒子所組成的宏 觀客體。觀客體。1 熱學(xué)的一些基本概念熱學(xué)的一些基本概念第一章第一章 熱學(xué)基本概念熱學(xué)基本概念 熱力學(xué)第熱力學(xué)第0定律定律 溫度溫度3孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)它與外界無(wú)任何相互作用，它與外界無(wú)任何相互作用， 即即無(wú)能量無(wú)能量，又，又無(wú)物質(zhì)無(wú)物質(zhì)的交換的交換封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)它與外

3、界僅有熱接觸和機(jī)械它與外界僅有熱接觸和機(jī)械“接觸接觸”，閉閉 系系 即即有能量有能量交換，而沒(méi)有物質(zhì)交換交換，而沒(méi)有物質(zhì)交換開(kāi)放系統(tǒng)開(kāi)放系統(tǒng)它與外界有熱接觸、機(jī)械它與外界有熱接觸、機(jī)械“接觸接觸”開(kāi)開(kāi) 系系 和質(zhì)量交換和質(zhì)量交換 即即有能量有能量交換，也交換，也有物質(zhì)有物質(zhì)交換交換絕熱系統(tǒng)是閉系的一個(gè)特例絕熱系統(tǒng)是閉系的一個(gè)特例它與外界無(wú)熱接觸，只有機(jī)械它與外界無(wú)熱接觸，只有機(jī)械“接觸接觸”41.2 熱力學(xué)平衡態(tài)熱力學(xué)平衡態(tài)一個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)系統(tǒng)在不受外界影響的條件下不受外界影響的條件下，如果它的，如果它的宏觀性質(zhì)宏觀性質(zhì)（如溫度、壓力、體積、摩爾、密度、（如溫度、壓力、體積、摩爾、密度、熱容等）

4、熱容等）不再隨時(shí)間變化不再隨時(shí)間變化，我們就說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)，我們就說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡態(tài)。處于熱力學(xué)平衡態(tài)。平衡態(tài)是系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的一種特殊情況。平衡態(tài)是系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的一種特殊情況。實(shí)例：理想氣體絕熱自由膨脹。實(shí)例：理想氣體絕熱自由膨脹。& 與穩(wěn)恒態(tài)的區(qū)別，穩(wěn)恒態(tài)不隨時(shí)間變化，但與穩(wěn)恒態(tài)的區(qū)別，穩(wěn)恒態(tài)不隨時(shí)間變化，但 由于有外界的影響，故在系統(tǒng)內(nèi)部存在能量由于有外界的影響，故在系統(tǒng)內(nèi)部存在能量 流或粒子流。穩(wěn)恒態(tài)是非平衡態(tài)。對(duì)平衡態(tài)流或粒子流。穩(wěn)恒態(tài)是非平衡態(tài)。對(duì)平衡態(tài) 的理解應(yīng)將的理解應(yīng)將“無(wú)外界影響無(wú)外界影響”與與“不隨時(shí)間變化不隨時(shí)間變化” 同時(shí)考慮，缺一不可。同時(shí)考慮，缺一不可。

5、5穩(wěn)恒態(tài)實(shí)例：穩(wěn)恒態(tài)實(shí)例：& 熱動(dòng)平衡熱動(dòng)平衡: 平衡態(tài)下，組成系統(tǒng)的微觀粒子仍處于不平衡態(tài)下，組成系統(tǒng)的微觀粒子仍處于不停的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)之中，只是它們的統(tǒng)計(jì)平均效停的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)之中，只是它們的統(tǒng)計(jì)平均效果不隨時(shí)間變化，因此熱力學(xué)平衡態(tài)是一種果不隨時(shí)間變化，因此熱力學(xué)平衡態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡，稱之為熱動(dòng)平衡。動(dòng)態(tài)平衡，稱之為熱動(dòng)平衡。61.3 確定平衡態(tài)的宏觀性質(zhì)的量稱為狀態(tài)參量。確定平衡態(tài)的宏觀性質(zhì)的量稱為狀態(tài)參量。常用的狀態(tài)參量有四類：常用的狀態(tài)參量有四類： 幾何參量幾何參量（如：氣體體積）（如：氣體體積） 力學(xué)參量力學(xué)參量（如：氣體壓力或稱壓強(qiáng)）（如：氣體壓力或稱壓強(qiáng)） 化學(xué)參量化學(xué)參量（

6、如：混合氣體各化學(xué)組（如：混合氣體各化學(xué)組 分的質(zhì)量和摩爾數(shù)等）分的質(zhì)量和摩爾數(shù)等） 電磁參量電磁參量（如：電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，（如：電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度， 電極化和磁化強(qiáng)度等）電極化和磁化強(qiáng)度等）態(tài)函數(shù)態(tài)函數(shù)宏觀物理量表示成狀態(tài)參量的函數(shù)，宏觀物理量表示成狀態(tài)參量的函數(shù)， 簡(jiǎn)稱為態(tài)函數(shù)簡(jiǎn)稱為態(tài)函數(shù)7molNA/10022. 623mNAm是一個(gè)分子的質(zhì)量。是一個(gè)分子的質(zhì)量。一摩爾分子質(zhì)量一摩爾分子質(zhì)量 （簡(jiǎn)稱摩爾質(zhì)量）（簡(jiǎn)稱摩爾質(zhì)量） 一摩爾是一個(gè)系統(tǒng)所含物質(zhì)的量，即該系統(tǒng)中一摩爾是一個(gè)系統(tǒng)所含物質(zhì)的量，即該系統(tǒng)中所包含的所包含的基本單元數(shù)等于基本單元數(shù)等于0.0120.012千克碳千克碳_12 _1

7、2 的原子數(shù)的原子數(shù)N NA A- -阿伏伽德羅數(shù)。基本單元可以是原子、分子、離阿伏伽德羅數(shù)。基本單元可以是原子、分子、離子、電子或其它粒子。因此要指明是何種基本單元。子、電子或其它粒子。因此要指明是何種基本單元。82 熱力學(xué)第熱力學(xué)第0定律定律 溫度溫度的概念的概念將兩個(gè)分別處于平衡態(tài)的系將兩個(gè)分別處于平衡態(tài)的系統(tǒng)統(tǒng)A和和B用一剛性隔板分隔開(kāi)。用一剛性隔板分隔開(kāi)。若隔板為若隔板為“絕熱板絕熱板”（如圖（如圖(a)），則則A，B兩系統(tǒng)的狀態(tài)可獨(dú)立地兩系統(tǒng)的狀態(tài)可獨(dú)立地變化而互不影響。厚木板，石變化而互不影響。厚木板，石棉板等都可視為絕熱板。棉板等都可視為絕熱板。若隔板為若隔板為“導(dǎo)熱板導(dǎo)熱板”

8、（如圖（如圖(b)），則），則A,B兩系統(tǒng)兩系統(tǒng)狀狀態(tài)不能獨(dú)立地改變態(tài)不能獨(dú)立地改變, 一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的變一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的變 化會(huì)引起化會(huì)引起另一系統(tǒng)狀態(tài)的變化另一系統(tǒng)狀態(tài)的變化,金屬板即為導(dǎo)熱板。金屬板即為導(dǎo)熱板。通過(guò)導(dǎo)熱板兩個(gè)系統(tǒng)的相互作用叫熱接觸。通過(guò)導(dǎo)熱板兩個(gè)系統(tǒng)的相互作用叫熱接觸。9通過(guò)導(dǎo)熱板進(jìn)行熱接觸的兩個(gè)系統(tǒng)組成通過(guò)導(dǎo)熱板進(jìn)行熱接觸的兩個(gè)系統(tǒng)組成一復(fù)合系統(tǒng)一復(fù)合系統(tǒng)當(dāng)復(fù)合系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，我們就說(shuō)兩個(gè)系統(tǒng)處于當(dāng)復(fù)合系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，我們就說(shuō)兩個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡。熱平衡。如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與處于確定狀態(tài)如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與處于確定狀態(tài)的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則這兩的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則這

9、兩個(gè)系統(tǒng)彼此也將處于熱平衡。個(gè)系統(tǒng)彼此也將處于熱平衡。 溫度溫度互為熱平衡的幾個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，必互為熱平衡的幾個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，必然具然具 有某種共同的宏觀性質(zhì)，我們將這種決有某種共同的宏觀性質(zhì)，我們將這種決定系統(tǒng)熱平衡宏觀性質(zhì)的物理量定系統(tǒng)熱平衡宏觀性質(zhì)的物理量定義為溫度定義為溫度。10&實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明，將幾個(gè)達(dá)到熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)分，將幾個(gè)達(dá)到熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)分 開(kāi)之后，并不會(huì)改變每個(gè)系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)。開(kāi)之后，并不會(huì)改變每個(gè)系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)。 這說(shuō)明，熱接觸只是為熱平衡的建立創(chuàng)造條這說(shuō)明，熱接觸只是為熱平衡的建立創(chuàng)造條 件，每個(gè)系統(tǒng)熱平衡時(shí)的溫度僅決定于系統(tǒng)件，每個(gè)系統(tǒng)熱平衡時(shí)的溫度僅決

10、定于系統(tǒng) 內(nèi)部大量微觀粒子無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。內(nèi)部大量微觀粒子無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。溫度是熱學(xué)中特有的物理量，它決定一溫度是熱學(xué)中特有的物理量，它決定一系統(tǒng)是否與其他系統(tǒng)處于熱平衡。處于系統(tǒng)是否與其他系統(tǒng)處于熱平衡。處于熱平衡的各系統(tǒng)溫度相同。熱平衡的各系統(tǒng)溫度相同。&溫度是狀態(tài)的函數(shù)溫度是狀態(tài)的函數(shù)，在實(shí)質(zhì)上反映了組成系，在實(shí)質(zhì)上反映了組成系統(tǒng)大量微觀粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的激烈程度。統(tǒng)大量微觀粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的激烈程度。 11 以第以第0 定律為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)定義的溫度是一個(gè)宏觀定律為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)定義的溫度是一個(gè)宏觀概念，量化之后就成為一個(gè)可測(cè)量的宏觀量。概念，量化之后就成為一個(gè)可測(cè)量的宏觀量。對(duì)溫度進(jìn)行量化，

11、首先必須確定溫標(biāo)。對(duì)溫度進(jìn)行量化，首先必須確定溫標(biāo)。 溫標(biāo)溫標(biāo)* ：溫度的數(shù)值表示法溫度的數(shù)值表示法。* ：經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 理論溫標(biāo)理論溫標(biāo) 國(guó)際溫標(biāo)國(guó)際溫標(biāo) 建立經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的三要素：建立經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的三要素：1. 選擇物質(zhì)選擇物質(zhì)測(cè)溫屬性測(cè)溫屬性X，如保持等容的氣體的壓強(qiáng)如保持等容的氣體的壓強(qiáng)p； 保持定壓的氣體的體積保持定壓的氣體的體積V；電阻；電阻R等。等。123. 規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)：1954年起，水的三相點(diǎn)年起，水的三相點(diǎn) 溫度（溫度（273.16k) 被取為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。三相點(diǎn)指被取為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。三相點(diǎn)指 冰、水、汽共存的狀態(tài)，這點(diǎn)的溫度可由冰、水、汽共存的狀態(tài)，這點(diǎn)的溫度可由 三相點(diǎn)

12、瓶膽取得。三相點(diǎn)瓶膽取得。2. 規(guī)定溫度規(guī)定溫度T 與測(cè)溫屬性與測(cè)溫屬性X 之間的函數(shù)關(guān)系之間的函數(shù)關(guān)系 通常假定為線性關(guān)系，如：通常假定為線性關(guān)系，如：T(x)=a.X ： 各種物質(zhì)的各種測(cè)溫屬性隨溫度的變化各種物質(zhì)的各種測(cè)溫屬性隨溫度的變化不可能都是一致的，如果我們規(guī)定某物質(zhì)的不可能都是一致的，如果我們規(guī)定某物質(zhì)的某種測(cè)溫屬性與溫度成線性關(guān)系，則其他測(cè)某種測(cè)溫屬性與溫度成線性關(guān)系，則其他測(cè)溫屬性與溫度的關(guān)系就不可能是線性的。因溫屬性與溫度的關(guān)系就不可能是線性的。因此，用此，用不同的測(cè)溫物質(zhì)不同的測(cè)溫物質(zhì)或或同一物質(zhì)的不同性同一物質(zhì)的不同性質(zhì)質(zhì)建立溫標(biāo)往往建立溫標(biāo)往往不一致不一致。13需要一

13、個(gè)作為統(tǒng)需要一個(gè)作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的溫標(biāo)一標(biāo)準(zhǔn)的溫標(biāo)測(cè)溫物質(zhì)測(cè)溫物質(zhì)：某種氣體（如氦氣）。：某種氣體（如氦氣）。測(cè)溫屬性測(cè)溫屬性：氣體體積不變時(shí)氣體的壓強(qiáng)：氣體體積不變時(shí)氣體的壓強(qiáng)P線性關(guān)系：線性關(guān)系：Tv(p)=a . p .（1） （a可根據(jù)純水的三相點(diǎn)的溫度來(lái)確定）可根據(jù)純水的三相點(diǎn)的溫度來(lái)確定） 將測(cè)溫泡置于純水三相點(diǎn)瓶膽中，平衡將測(cè)溫泡置于純水三相點(diǎn)瓶膽中，平衡 后測(cè)得泡內(nèi)氣體壓強(qiáng)為后測(cè)得泡內(nèi)氣體壓強(qiáng)為Ptr 此時(shí)泡內(nèi)氣體此時(shí)泡內(nèi)氣體 的溫度定義為的溫度定義為273.16k由（由（1）式）式 得：得： a=273.16k/Ptr . （2）以氣體為測(cè)溫質(zhì)可制成以氣體為測(cè)溫質(zhì)可制成定容（或定

14、壓）氣體溫度計(jì)定容（或定壓）氣體溫度計(jì)14（2）代入（）代入（1）得：）得：Tv(p)=273.16k . P/Ptr利用此式，根據(jù)溫度計(jì)中利用此式，根據(jù)溫度計(jì)中氣體壓強(qiáng)氣體壓強(qiáng)P，可確定待測(cè)，可確定待測(cè)系統(tǒng)的溫度系統(tǒng)的溫度Tv(P)。實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明 ： 以不同氣體為測(cè)溫物質(zhì)，以不同氣體為測(cè)溫物質(zhì)，Tv(p)存在差異。存在差異。但在但在Ptr降低時(shí)，差異逐漸消失，在降低時(shí)，差異逐漸消失，在Ptr0的的極限下，極限下，亦即測(cè)溫泡內(nèi)的氣體密度趨于零的亦即測(cè)溫泡內(nèi)的氣體密度趨于零的極限下極限下，它們趨于一個(gè)共同的極限溫標(biāo)，稱，它們趨于一個(gè)共同的極限溫標(biāo)，稱為為理想氣體溫標(biāo)理想氣體溫標(biāo)。 trPPP

15、KTtr0lim16.273 15理想氣體溫標(biāo)利用了氣體的性質(zhì)，因此在理想氣體溫標(biāo)利用了氣體的性質(zhì)，因此在溫度低于液化溫度時(shí)，此溫標(biāo)便失去意義。溫度低于液化溫度時(shí)，此溫標(biāo)便失去意義。能測(cè)量的最低溫度為能測(cè)量的最低溫度為0.5 K ( 低壓低壓3He氣體）。氣體）。 是建立在第二定律基礎(chǔ)上，是建立在第二定律基礎(chǔ)上，不不 依賴于任何物質(zhì)的特性的溫標(biāo)。依賴于任何物質(zhì)的特性的溫標(biāo)。國(guó)際單位為國(guó)際單位為“開(kāi)爾文開(kāi)爾文”，簡(jiǎn)稱開(kāi)記為，簡(jiǎn)稱開(kāi)記為K是基本的物理量。是基本的物理量。在理想氣體溫標(biāo)有效范圍內(nèi)，熱力學(xué)溫標(biāo)在理想氣體溫標(biāo)有效范圍內(nèi)，熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)完全一致。與理想氣體溫標(biāo)完全一致。常用的攝氏

16、溫標(biāo)常用的攝氏溫標(biāo) t（ C)定義：定義：t = T 273.1516攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)(C)與華氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)(F)0F-17.8C0C32F100F50C122F200F100C212F換算關(guān)系：設(shè)換算關(guān)系：設(shè)aF=bC, 則則 a=32+1.8b2V1P),(!11TVPI1V2PPVO),(222TVPII173 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)可由四種狀態(tài)參量確定。一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)可由四種狀態(tài)參量確定。第第0定律表明，平衡態(tài)下的熱力學(xué)系統(tǒng)存在一個(gè)定律表明，平衡態(tài)下的熱力學(xué)系統(tǒng)存在一個(gè)狀態(tài)函數(shù)溫度。溫度與四種狀態(tài)參量必然存在一狀態(tài)函數(shù)溫度。溫度與四種狀態(tài)參量

17、必然存在一定的關(guān)系。定的關(guān)系。所謂狀態(tài)方程就是溫度與狀態(tài)參量之所謂狀態(tài)方程就是溫度與狀態(tài)參量之間的函數(shù)關(guān)系式間的函數(shù)關(guān)系式 一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)不必考慮電磁性質(zhì)一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)不必考慮電磁性質(zhì) 和化學(xué)性質(zhì)時(shí)，可看作和化學(xué)性質(zhì)時(shí)，可看作簡(jiǎn)單系統(tǒng)簡(jiǎn)單系統(tǒng)。 T、 V、 和和P的函數(shù)關(guān)系即其狀態(tài)方程的函數(shù)關(guān)系即其狀態(tài)方程.18 Tf Pf = Ti PiV1不變T2不變理想氣體溫標(biāo)：理想氣體溫標(biāo)：根據(jù)：玻意耳定律：根據(jù)：玻意耳定律：TrPPPKTTr0lim16.273 使理想氣體由初態(tài)使理想氣體由初態(tài) ( P1 , V1 , T1 ) 經(jīng)中間態(tài)經(jīng)中間態(tài)( P2, V1 , T2 )變化到末

18、態(tài)變化到末態(tài) ( P2 , V2 , T2 )。保持保持 V1一定，根據(jù)理想氣體溫標(biāo)定一定，根據(jù)理想氣體溫標(biāo)定義得：義得：)1 (1212TTPP 建立方程建立方程19將將(1)代入代入(2)得：得： 一定質(zhì)量的同種理想氣體，任一狀態(tài)下的一定質(zhì)量的同種理想氣體，任一狀態(tài)下的 PV/T 的值都相等。的值都相等。. (3) 用用V0，P0，T0 表示該氣體在表示該氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相應(yīng)的狀態(tài)參量值下的相應(yīng)的狀態(tài)參量值, 根據(jù)根據(jù)(3)則有則有:.(4)222111TVPTVP 000TVPTPV P2 V1 = P2V2 . (2) 保持保持T2不變，根據(jù)玻意耳定律得：不變，根據(jù)玻意耳定律得：20 P0V0 = R（普適氣體常數(shù)）（普適氣體常數(shù)） T0P0=1.013 105帕帕=1大氣壓大氣壓=760mmHg；T0=273.15開(kāi)開(kāi)=0oC；V0=22.4升升KmolJR31. 815.273104 .2210013. 1352