大物熱學(xué)第一章 熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)及平衡方程PPT課件VIP

.,熱學(xué)Heat(andThermodynamics)什么是熱學(xué)研究熱現(xiàn)象的規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科熱學(xué)包含的內(nèi)容1.熱學(xué)的基本參量溫度和熱量的概念2.物質(zhì)的熱性質(zhì)狀態(tài)方程熱膨脹比熱熱傳遞的規(guī)律3.熱力學(xué)定律第零、第一、第二、第三定律4.熱現(xiàn)象的微觀理論氣體分子運(yùn)動(dòng)論統(tǒng)計(jì)物理,.,Chapter1熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)及狀態(tài)方程主要內(nèi)容為(1)熱平衡態(tài)及溫度(2)平衡態(tài)的狀態(tài)方程.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）1.熱力學(xué)系統(tǒng)（Thermodynamicsystem）2.熱力學(xué)平衡態(tài)3.熱力學(xué)第零定律、溫度II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）1.熱力學(xué)系統(tǒng)（Thermodynamicsystem）2.熱力學(xué)平衡態(tài)3.熱力學(xué)第零定律、溫度II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）,.,熱力學(xué)系統(tǒng)（Thermodynamicsystem）定義：在給定空間內(nèi)由大量微觀粒子（原子、分子）組成的體系。微觀上包含大量粒子（大數(shù)目的力學(xué)自由度）時(shí)間與空間上具有宏觀尺度。外界與熱力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其它物體。,.,熱力學(xué)系統(tǒng)的分類(lèi)：(1)根據(jù)其與外界的相互關(guān)系開(kāi)放系統(tǒng)：與外界(有)物質(zhì)交換，(有)能量交換。封閉系統(tǒng)：與外界(無(wú))物質(zhì)交換，(有)能量交換。絕熱系統(tǒng)：與外界(有)物質(zhì)交換，(無(wú))熱能交換。孤立系統(tǒng)：與外界(無(wú))物質(zhì)交換，(無(wú))能量交換。(2)根據(jù)成分單元系多元系(空氣、鹽水、合金.）(3)根據(jù)組成的均勻性，各部分間物理、化學(xué)性質(zhì)的異同單相系（monophase）均勻系（水、水汽、冰）復(fù)相系（multiphase）非均勻系（水+水汽）LHe固態(tài)冰Fe相被一定邊界包圍的具有確定并且均勻的物理和化學(xué)性質(zhì)的一個(gè)系統(tǒng)（子系統(tǒng)）。相變（phasetransition）不同相之間的轉(zhuǎn)變。,.,熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參量volumeVpressureptemperatureTp定義為垂直作用于物體單位面積上的力。單位帕非SI單位有1bar=105Pa1atm=1.01105Pa760mmHg1Torr=1mmHgmole(摩爾)mol1mole物質(zhì)所含的結(jié)構(gòu)粒子（原子、分子、離子）數(shù)為Avogadro常數(shù)。1NA6.02213671023/mol,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）1.熱力學(xué)系統(tǒng)（Thermodynamicsystem）2.熱力學(xué)平衡態(tài)3.熱力學(xué)第零定律、溫度II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）,.,2.熱力學(xué)平衡態(tài)平衡態(tài)、非平衡態(tài)、穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)Equilibriumstate在不受外界影響（外界對(duì)系統(tǒng)不作功也不傳熱）條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。（它不是靜止態(tài)，微觀上系統(tǒng)內(nèi)的分子仍在作熱運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)的平均效果不隨時(shí)間改變，除了小的漲落）。steadystate在外界影響下，系統(tǒng)的各部分宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。例：Non-equilibriumstate系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。從非平衡態(tài)到平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變，稱(chēng)為馳豫過(guò)程。其時(shí)間常數(shù)稱(chēng)為馳豫時(shí)間。,.,Quasi-static(quasi-stationary)state從非平衡態(tài)到平衡態(tài)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)過(guò)程中，每一個(gè)中間態(tài)（從非平衡到平衡）的馳豫時(shí)間可以忽略（比熱力學(xué)過(guò)程快得多，即過(guò)程進(jìn)行得足夠慢），這種中間態(tài)近似可看作平衡態(tài)，稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)。,熱力學(xué)平衡熱力學(xué)中最重要的基本概念之一。在不變的外界條件下，物質(zhì)系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)保持不變。物質(zhì)系統(tǒng)中不發(fā)生任何宏觀的物理和化學(xué)變化。,.,熱力學(xué)平衡必須滿足：力學(xué)平衡力學(xué)狀態(tài)參量不隨時(shí)間變化。系統(tǒng)各部分之間受力平衡，沒(méi)有宏觀運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)與外界之間沒(méi)有宏觀運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)各部分之間，系統(tǒng)與外界之間均沒(méi)有物質(zhì)交換（粒子流）。電磁平衡電磁狀態(tài)參量不隨時(shí)間變化。化學(xué)平衡化學(xué)狀態(tài)參量（濃度、化學(xué)成分）不隨時(shí)間變化（濃度相同，化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡）。相平衡物質(zhì)系統(tǒng)中各相之間的物理和化學(xué)平衡（化學(xué)勢(shì)相等）。熱平衡熱學(xué)狀態(tài)參量（溫度）不隨時(shí)間變化。系統(tǒng)各部分之間沒(méi)有熱量交換，溫度均勻（熱量傳遞著的熱能）。,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）1.熱力學(xué)系統(tǒng)（Thermodynamicsystem）2.熱力學(xué)平衡態(tài)3.熱力學(xué)第零定律、溫度II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）,.,3熱力學(xué)第零定律、溫度ZerothlawofthermodynamicsR.H.Fowler1938年提出關(guān)于熱平衡的定律兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)如果分別均與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則它們彼此也處于熱平衡。互為熱平衡的所有系統(tǒng)有一個(gè)統(tǒng)一的狀態(tài)參數(shù)T.溫度表示物體冷熱程度的物理量?jī)晌矬w處于熱平衡時(shí)溫度相等，二者之間沒(méi)有熱量交換。兩個(gè)不同溫度的物體相接觸時(shí)，熱量由T高的物體傳遞到T低的物體。溫度的微觀解釋溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的量度。kB=1.3806625810-23J/KT絕對(duì)溫度,.,Temperaturescale溫度的數(shù)值表示法建立溫度的三要素：(1)測(cè)溫物質(zhì)的某一隨溫度變化的屬性(測(cè)溫屬性);(2)參考點(diǎn);(3)測(cè)溫屬性vs溫度的變化關(guān)系。,常用溫標(biāo)有(1)經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)Fahrenheit()和Celsius（）在p101.325kPa（1atm）下水的冰點(diǎn)320水的沸點(diǎn)212100180等分100等分（1960年國(guó)際計(jì)量大會(huì)新規(guī)定：t()=T(k)-273.15）t()與t()之間的轉(zhuǎn)換t()=t()(9/5)+32t()=t()-32(5/9),.,(2)理想氣體溫標(biāo)理想氣體為測(cè)溫物質(zhì)，壓強(qiáng)（或體積）為測(cè)溫屬性即V（T）或p（T）（理想氣體是實(shí)驗(yàn)氣體在p0時(shí)的極限，即氣體分子間的相互作用完全忽略）a)定體氣體溫標(biāo)一定量的氣體V固定由壓強(qiáng)值決定溫度Charles定律p和p0溫度為t和0時(shí)氣體壓強(qiáng)P氣體壓強(qiáng)溫度系數(shù)Charles定律：一定質(zhì)量氣體，當(dāng)體積不變時(shí)，p與絕對(duì)溫度成正比。P=1/T0則取水三相點(diǎn)（triplepoint）的Ttr=273.16KT為絕對(duì)溫度,.,LaboratoryofAdvancedMaterials,.,Lab102(Shiyan),DilutionFridgeandSuperconductingMagnetT=7mK,H=17T,.,b)定壓氣體溫標(biāo)一定質(zhì)量氣體，壓強(qiáng)保持不變由體積決定溫度V氣體的體膨脹系數(shù)V=1/T0V=V0(T/T0)Gay-Lussac定律T(K)與熱力學(xué)溫標(biāo)一致(3)Thermodynamicscale基于熱力學(xué)第二定律（Carnot定律）的溫標(biāo)，與測(cè)溫物質(zhì)和測(cè)溫屬性無(wú)關(guān)。水的三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度273.16K1K=水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16(4)國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)選取11個(gè)易復(fù)現(xiàn)的溫度固定點(diǎn)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)一起給出內(nèi)插公式（ITS90）,.,.,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）1.狀態(tài)方程的一般討論2.物質(zhì)狀態(tài)變化性質(zhì)的物理量3.理想氣體的狀態(tài)方程4.實(shí)際氣體的狀態(tài)方程III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）,.,EquationofState1.什么是狀態(tài)方程（狀態(tài)方程的一般討論）處于平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參量所滿足的關(guān)系式。對(duì)單元均勻系統(tǒng)，p，V，T之間的關(guān)系f（p，V，T）0在p-V-T三維空間中是一個(gè)曲面。p，V，T中獨(dú)立參數(shù)只有二個(gè)，第三個(gè)可以表示為它們的函數(shù)。p=p(V,T)V=V(T,p)T=T(p,V)熱力學(xué)函數(shù)（態(tài)函數(shù)）以p,V為狀態(tài)參量T=T(p,V),內(nèi)能U=U(p,V),焓H=H(p,V),熵S=S(p,V),自由能F=F(p,V),自由焓G=G(p,V),.,狀態(tài)方程由實(shí)驗(yàn)確定，而不能由熱力學(xué)定律導(dǎo)出。微觀上利用分子運(yùn)動(dòng)論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)，可以在一些簡(jiǎn)化假設(shè)下導(dǎo)出某些系統(tǒng)的狀態(tài)方程。狀態(tài)方程曲面f(p,V,T)=0可以在三個(gè)平面上投影得到pV圖pT圖VT圖,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）1.狀態(tài)方程的一般討論2.物質(zhì)狀態(tài)變化性質(zhì)的物理量3.理想氣體的狀態(tài)方程4.實(shí)際氣體的狀態(tài)方程III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）,.,2.由狀態(tài)方程導(dǎo)出的物質(zhì)狀態(tài)變化性質(zhì)的物理量,(1)等壓膨脹系數(shù)（coefficientofisobaricexpansion）或體膨脹系統(tǒng)（cubicexpansioncoefficient）壓強(qiáng)不變下，溫度升高1K引起的體積變化率,(2)等溫壓縮系數(shù)（isothermalcompressioncoefficient）溫度不變下，增加單位壓強(qiáng)引起的體積縮小的比率。,(3)等體壓強(qiáng)系數(shù)（isochoricpressurecoefficient）或相對(duì)壓力系數(shù)，體積不變下，升高1K引起的壓強(qiáng)變化率,可以證明,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）1.狀態(tài)方程的一般討論2.物質(zhì)狀態(tài)變化性質(zhì)的物理量3.理想氣體的狀態(tài)方程4.實(shí)際氣體的狀態(tài)方程III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）,.,3.理想氣體狀態(tài)方程idealgas-組成氣體的粒子的體積及粒子間相互作用（除碰撞外）均可忽略的氣體，是一切實(shí)際氣體在壓強(qiáng)趨于零時(shí)的極限（稀薄氣體）。（可以證明理想氣體的內(nèi)能與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)）理想氣體在平衡態(tài)時(shí)滿足CharleslawpTGay-LussaclawVTBoyle-Marriotlelaw一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)溫度一定時(shí)，P和V成反比PV=const(T)對(duì)于1mole理想氣體PVm=RTR為UniversalgasconstantR=8.31441J/molKmolegasconstant,.,對(duì)mole氣體質(zhì)量為M=為mole質(zhì)量推廣到n種組分的混合理想氣體，第i種組分Daltonslawofpartialpressure:混合氣體的壓強(qiáng)等于各組分的分壓強(qiáng)之和。分壓強(qiáng)指某組分單獨(dú)存在于容器時(shí)的壓強(qiáng)。Dalton分壓定律只對(duì)理想氣體適用。,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）1.狀態(tài)方程的一般討論2.物質(zhì)狀態(tài)變化性質(zhì)的物理量3.理想氣體的狀態(tài)方程4.實(shí)際氣體的狀態(tài)方程III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）,.,4實(shí)際氣體的狀態(tài)方程實(shí)際氣體：分子有一定大小，有體積容器有效體積減小，引起修正項(xiàng)b分子間有相互作用力，壓強(qiáng)減小，引起修正項(xiàng)aa,b修正量由實(shí)驗(yàn)確定。,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）1.物質(zhì)的組成和存在形式2.布朗運(yùn)動(dòng)3.分子間的相互作用力4.壓強(qiáng)和溫度的分子運(yùn)動(dòng)論描述,1.物質(zhì)的組成和存在形式物質(zhì)由原子、分子、離子等微觀顆粒組成。物質(zhì)存在形式：gasliquidsolidplasma,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）1.物質(zhì)的組成和存在形式2.布朗運(yùn)動(dòng)3.分子間的相互作用力4.壓強(qiáng)和溫度的分子運(yùn)動(dòng)論描述,.,2.Brownianmovement美國(guó)植物學(xué)家RobertBrown于1827年發(fā)現(xiàn)懸浮在液體或氣體中的宏觀微粒（直徑約1m）所作的不停頓的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。溫度愈高，運(yùn)動(dòng)愈激烈。1877年Delsaulx解釋:微粒受周?chē)肿优鲎膊黄胶舛鸬钠鸱\(yùn)動(dòng)（統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的漲落現(xiàn)象）反映了荷載Brown粒子的介質(zhì)中分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。1905年A.Einstein提出了Brown運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)理論，經(jīng)過(guò)時(shí)間t以后，微粒離開(kāi)原來(lái)位置的坐標(biāo)SS=2DtDEinstein擴(kuò)散系數(shù)，與T有關(guān)。,1908年J.B.Perrin作了Brown運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量，與Einstein理論相符。,.,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）1.物質(zhì)的組成和存在形式2.布朗運(yùn)動(dòng)3.分子間的相互作用力4.壓強(qiáng)和溫度的分子運(yùn)動(dòng)論描述,.,3分子間的相互作用力用分子間相互作用的potential(r)來(lái)表示r0-分子間平衡距離d-分子有效直徑EB-bindingenergyRd吸引R(r)0分子間沒(méi)有相互作用力R=R0達(dá)到最小值EB穩(wěn)定的凝聚態(tài),.,分子作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）的動(dòng)能平均值分子束縛在well中solid分子不受束縛gasliquid,.,.熱平衡態(tài)、熱力學(xué)第零定律、溫度及溫標(biāo)（1.2，1.3，1.4節(jié)）II.狀態(tài)方程（1.5，1.6節(jié)）III.氣體分子運(yùn)動(dòng)論的初步概念（1.1，1.6節(jié)）1.物質(zhì)的組成和存在形式2.布朗運(yùn)動(dòng)3.分子間的相互作用力4.壓強(qiáng)和溫度的分子運(yùn)動(dòng)論描述,.,4.壓強(qiáng)和溫度的分子運(yùn)動(dòng)論描述理想氣體粒子間的碰撞和粒子與器壁的碰撞是完全彈性的壓強(qiáng)p是氣體內(nèi)（或器壁上）單位面積上的垂直力理想氣體的壓強(qiáng)是單位時(shí)間內(nèi)分子作用在單位面積上的沖量的平均值。,.,可以導(dǎo)出公式：,n單位體積中的分子數(shù)分子的平均動(dòng)能,根據(jù),Boltzmann常數(shù),溫度是組成系統(tǒng)的大量微觀粒子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈程度的度量。,.,公式的推導(dǎo)：分子按速度分組，第i組速度vi