1、青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義從宏觀上看從宏觀上看，熱學研究物體的，熱學研究物體的宏觀熱現象宏觀熱現象：與溫度有：與溫度有關的物態的物理性質的變化。由觀察和實驗來總結熱關的物態的物理性質的變化。由觀察和實驗來總結熱現象的規律，得出熱現象的宏觀理論，這部分稱為熱現象的規律，得出熱現象的宏觀理論，這部分稱為熱力學。力學。一熱力學一熱力學(thermodynamics)的研究對象與研究方法的研究對象與研究方法物態物態(state of matter)：物質存在的物理狀態：物質存在的物理狀態物質主要存在三種基本物理狀態：物質主要存在三種

2、基本物理狀態：固態、液態固態、液態和氣態和氣態熱學是研究一切物態的熱現象的學科，我們這里熱學是研究一切物態的熱現象的學科，我們這里主主要研究氣態要研究氣態，但有時也會牽涉到固態和液態。，但有時也會牽涉到固態和液態。熱力學利用宏觀上可觀測的物理量，如：熱力學利用宏觀上可觀測的物理量，如：來研究熱現象的規律。來研究熱現象的規律。TVp,青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義單個分子單個分子 的運動是無序的，具有偶然性，遵循力學規的運動是無序的，具有偶然性，遵循力學規律。但律。但整體整體（大量分子）服從統計規律（大量分子）服從統計規律 。氣體動理論利用不可直接測量的、描述個別分子運動氣體動

3、理論利用不可直接測量的、描述個別分子運動狀態的微觀量，如等，來研究熱現象的規律。狀態的微觀量，如等，來研究熱現象的規律。v從微觀上看從微觀上看，熱學主要研究，熱學主要研究宏觀熱現象的本質宏觀熱現象的本質，即宏，即宏觀熱現象的微觀解釋：觀熱現象的微觀解釋：構成宏觀物體的大量微觀粒子構成宏觀物體的大量微觀粒子的永不休止的無規運動的統計規律，這部分稱為氣體的永不休止的無規運動的統計規律，這部分稱為氣體動理論，也稱為統計物理學。動理論，也稱為統計物理學。宏宏觀量觀量微微觀量觀量統計平均統計平均青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義熱力學熱力學 （宏觀研究方法）與氣體動理論（微觀研究方（宏觀研

4、究方法）與氣體動理論（微觀研究方法）比較：法）比較：宏觀研究方法宏觀研究方法1）具有可靠性；具有可靠性； 2）知其然而不知其所以然；知其然而不知其所以然； 3）應用宏觀參量應用宏觀參量 。微觀研究方法微觀研究方法 1）揭示宏觀現象的本質；揭示宏觀現象的本質；2）有局限性，與實際有局限性，與實際有偏差，不可任意推廣有偏差，不可任意推廣 .兩種方法的關系兩種方法的關系氣體動理論氣體動理論熱力學熱力學相輔相成相輔相成青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義二氣體的宏觀物態參量二氣體的宏觀物態參量用什么物理量來描述一個熱力學系統？用什么物理量來描述一個熱力學系統？一個熱力學系統，如果沒有外界因

5、素的影響，一個熱力學系統，如果沒有外界因素的影響，當這個系統經過足夠長的時間以后，將會達到一個當這個系統經過足夠長的時間以后，將會達到一個穩定的、宏觀性質不隨時間變化的狀態，這一狀態穩定的、宏觀性質不隨時間變化的狀態，這一狀態稱為平衡態稱為平衡態 .（理想狀態）（理想狀態）從微觀上看，組成氣體的分子的運動狀態時刻從微觀上看，組成氣體的分子的運動狀態時刻都在變化，所以，熱力學系統的平衡態是一種動態都在變化，所以，熱力學系統的平衡態是一種動態平衡。平衡。一個熱力學系統的平衡態一般需要幾何參量、力一個熱力學系統的平衡態一般需要幾何參量、力學參量、化學參量、電磁參量和熱學參量來描述。對學參量、化學參量

6、、電磁參量和熱學參量來描述。對理想氣體，需要：理想氣體，需要：青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義1 氣體壓強氣體壓強(Pressure) p：作用于容器壁上單位面積：作用于容器壁上單位面積的正壓力（的正壓力（力學描述力學描述）。）。國際單位：國際單位：2mN1Pa12 體積體積(Volume)V：氣體所能達到的最大空間（：氣體所能達到的最大空間（幾幾何描述何描述）。）。 3333dm10L10m1單位：單位：51atm1.013 10 Pa標準大氣壓：標準大氣壓： 緯度海平面處緯度海平面處, 時的大氣壓時的大氣壓.45C03 溫度溫度(Temperature)T：氣體冷熱程度的量

7、度（：氣體冷熱程度的量度（熱熱學描述學描述）。）。 tT15.273熱力學溫標熱力學溫標(temperature scale)單位單位:開爾文開爾文(Kelvin)K青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義三理想氣體三理想氣體(ideal gas)物態方程物態方程(equation of state)理想氣體宏觀定義理想氣體宏觀定義：遵守三個實驗定律的氣體：遵守三個實驗定律的氣體 .玻意耳玻意耳(Boyle)定律定律查理查理(Charles)定律定律蓋蓋呂薩克呂薩克(Gay-Lussac)定律定律pVcT不變時不變時/p TcV不變時不變時/V Tcp不變時不變時記憶方法記憶方法BCG

8、TVp物態方程物態方程：描述物質存在的物理狀態所需的參量之間：描述物質存在的物理狀態所需的參量之間的函數關系。如理想氣體平衡態宏觀參量間的函數關的函數關系。如理想氣體平衡態宏觀參量間的函數關系系,Tfp V青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義11KmolJ31. 8R摩爾摩爾(mole)氣體常量氣體常量一定質量的一定質量的同種氣體同種氣體理想氣體物理想氣體物態方程態方程1 12212pVp VTTmpVRTRTM1 mol氣體的分子數為氣體的分子數為 Avogadro 常數常數236.022 10AN ( 個分子個分子/mol )對于理想氣體對于理想氣體青島科技大學大學物理講義青島

9、科技大學大學物理講義pVRT如何計算？如何計算？RmolpVpVTTss molspVTRss molspVRT531.013 1022.4 10273.158.30711(J mo8.lK )31標準狀態：標準狀態：51atm1.013 10 Pa273.15KT 1 mol氣體的體積氣體的體積2322.4L2.24 10mVo(0)C青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義五準靜態過程五準靜態過程(quasi-static process)（理想化的過程）（理想化的過程） 準靜態過程：從一個平衡態到另一平衡態所經過準靜態過程：從一個平衡態到另一平衡態所經過的每一中間狀態均可近似當作

10、平衡態的過程的每一中間狀態均可近似當作平衡態的過程 .氣體氣體活塞活塞砂子砂子),(111TVp),(222TVp1V2V1p2ppVo12青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義六功六功(work)（過程量）（過程量）準靜態過程功的計算準靜態過程功的計算lpSlFWdddVpWdd21dVVVpW注意：注意：作功與過程有關作功與過程有關 .宏觀運動能量宏觀運動能量熱運動能量熱運動能量 功是能量傳遞和轉換的量度，它引起系統熱運動狀功是能量傳遞和轉換的量度，它引起系統熱運動狀態的變化態的變化 .青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義21VV21VV21VV21dVVVpW0W

11、氣體對外界作功氣體對外界作功0W 氣體對外界不作功氣體對外界不作功0W 外界對氣體作正功，外界對氣體作正功，氣體對外界作負功氣體對外界作負功注意注意氣體對外界作功氣體對外界作功0W 外界對氣體作功外界對氣體作功0W 青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義1T2T21TT 七熱量七熱量(heat)（過程量）（過程量） 通過傳熱方式傳遞能量的量度，系統和外界之間通過傳熱方式傳遞能量的量度，系統和外界之間存在溫差而發生的能量傳遞存在溫差而發生的能量傳遞 .1）過程量：與過程有關；）過程量：與過程有關；2）等效性：改變系統熱運動狀態作用相同；）等效性：改變系統熱運動狀態作用相同； 宏觀運動宏

12、觀運動分子熱運動分子熱運動功功分子熱運動分子熱運動分子熱運動分子熱運動熱量熱量Q3）功與熱量的物理本質不同）功與熱量的物理本質不同 .1卡卡(calorie) = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡卡功與熱量的異同功與熱量的異同吸熱吸熱0Q 放熱放熱0Q 規定規定青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義作機械功改變系統作機械功改變系統 狀態的焦耳實驗狀態的焦耳實驗AV作電功改變系統作電功改變系統 狀態的實驗狀態的實驗青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義八熱力學第一定律八熱力學第一定律我們可以通過作功、傳熱等方式，把外界的能我們可以通過作功、傳熱等方式，把外界的能量傳

13、給氣體。如果外界對氣體作正功，同時氣體又量傳給氣體。如果外界對氣體作正功，同時氣體又吸收熱量，根據能量守恒定律，氣體的能量必然增吸收熱量，根據能量守恒定律，氣體的能量必然增加。加。從宏觀上看，氣體增加的能量表現在哪里呢？從宏觀上看，氣體增加的能量表現在哪里呢？氣體變熱了，溫度升高了！氣體變熱了，溫度升高了！從微觀上看，氣體增加的能量又表現在哪里呢？從微觀上看，氣體增加的能量又表現在哪里呢？氣體分子運動的機械能！氣體分子運動的機械能！氣體分子運動的動能與分子之間的勢能、分子內氣體分子運動的動能與分子之間的勢能、分子內部原子振動的動能與原子間的勢能，總稱為氣體的部原子振動的動能與原子間的勢能，總稱

14、為氣體的內內能能(internal energy) 。青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義以后我們可以證明：以后我們可以證明：理想氣體的內能僅是溫度的函數。理想氣體的內能僅是溫度的函數。系統內能為表征系統狀態的單值函數，它的增系統內能為表征系統狀態的單值函數，它的增量只與系統起始和終了狀態有關，與系統所經歷的量只與系統起始和終了狀態有關，與系統所經歷的過程無關。過程無關。( )EE T由能量守恒定律：系統吸收的熱量由能量守恒定律：系統吸收的熱量Q青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義 實驗證明系統從實驗證明系統從 A 狀態變化到狀態變化到 B 狀態，可以采用狀態，可以采用

15、做功和傳熱的方法，不管經過什么過程，只要始末狀態做功和傳熱的方法，不管經過什么過程，只要始末狀態確定，外界做功和傳給系統的熱量之和保持不變確定，外界做功和傳給系統的熱量之和保持不變 .2AB1*pVo2AB1*pVo1122A BA BA BA BWQWQ1 21 20A B AA B AWQd()0WQ青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義 系統內能的增量只與系統起始和終了狀態有系統內能的增量只與系統起始和終了狀態有關，與系統所經歷的過程無關關，與系統所經歷的過程無關 . 理想氣體內能理想氣體內能 : 表征系統狀態的單值函數表征系統狀態的單值函數 ,理想氣體的內能僅是溫度的函數理想氣體的內能僅是溫度的函數 .2AB1*pVo2AB1*pVoABEC1 20A B AE( )EE T青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義九熱力學第一定律九熱力學第一定律WEEQ12 系統系統從外界吸收的熱量從外界吸收的熱量,一部分使系統的內能增加一部分使系統的內能增加, 另另一部分使系統一部分使系統對外界對外界做功做功 .21dVVVpEQ準靜態過程準靜態過程VpEWEQddddd微小過程微小過程12*pVo1V2VWEWEEQ12青島科技大學大學物理講義青島科技大學大學物理講義 1