精选【2017年整理】第八章-热物理学简介.doc

PAGE 838 PAGE 837 第八章 热物理学简介 §8 - 1 热力学平衡的基本概念 一 热物理学概述 研究的是热运动（宏观物体中大量微观粒子的无规运动。物体的各种宏观性质，例如物体的力学性质、电磁性质和化学性质等均受热运动的影响）的规律及其对物质宏观性质的影响，以及与物质其他各种运动形式之间的相互转化规律。 理论基础： ● 热力学（宏观理论） 基本研究方法：热力学以基本规律（第一定律、第二定律等）为基础，应用数学方法，通过逻辑推理和演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系，以及宏观物理过程进行的方向和限度等方面的结论。 热力学定律的普适性：具有高度的可靠性和普遍性。 ● 统计物理学（微观理论） 基本研究方法：认为物质的宏观性质是大量微观粒子运动的集体表现，而宏观量是微观量的统计平均值。 特点： 阐明了热力学定律的统计意义 理论结果也往往是近似的。 ● 热力学方法与统计物理学方法的相互结合和渗透 二 热力学系统的平衡态 ● 热力学系统：在给定范围内，由大量的微观粒子所组成的宏观物体。 ● 外界或环境： 对所研究的热力学系统能够发生相互作用的其他物体。 ● 孤立系：与外界没有任何相互作用的热力学系统。 ● 封闭系：与外界有能量交换，但没有物质交换的热力学系统。 ● 开放系：与外界既有能量交换，又有物质交换的热力学系统。 ● 平衡态：热力学系统内部没有宏观的粒子流动和能量流动的状态，这时系统的各种宏观性质不随时间变化。 三 态参量和态函数 ● 微观量：描述组成该系统的微观粒子的运动及其固有性质的量，如粒子的动量、能量和固有磁矩等。 ● 宏观量：描述组成该系统的大量微观粒子集体表现出来的宏观性质的量，如气体的容积、压强和总能量等。 态参量：可以独立改变的，并足以确定热力学系统平衡态的一组宏观量。 几何参量：如气体的体积、固体的应变 力学参量：如气体的压强、固体的应力 化学参量：如各化学组分的质量和摩尔数 电磁参量：如电场和磁场强度、电极化和磁化强度 ●态函数：平衡态确定的其他宏观量，可以表达为以态参量为自变量的函数。 ●单相系（均匀系）：各部分的性质完全一样的热力学系统。 ●复相系：如果整个系统不是均匀的，但可以分为若干个均匀的部分，即可以分为若干个相。 四 热力学第零定律 温度 ●热力学第零定律(热平衡定律)：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。 ●热力学第零定律表明，处在同一平衡态的所有系统都具有一个共同的、决定系统热平衡的宏观性质 温度。 温度的特征：一切互为热平衡的系统都具有相同的温度 ◇ 温度计 ◇ 温标：温度的数值表示法。 ◇ 理想气体温标:用气体温度计(气体为测温物质)来实现。 定体气体温度计： : 定体气体温度计与待测系统达到热平衡时的温度值; p: 测得的并经过修正的气体温度计中的气体压强值; 规定与p成正比 , (8. 1) a ?确定 规定纯水的三相点(水、冰和水蒸汽三相平衡共存的温度)=273.16 K， ptr =(在水的三相点时所测得的)该气体温度计中气体的压强，则 . 将该式所确定的比例系数a代入式(8. 1)，可得 . 实验表明，用不同的气体作为测温物质，由上式定出的温标基本相同，稍有差别。在温度计内气体密度(或压强ptr)趋于零的极限情况下，它们都趋于一个共同的极限温标??理想气体温标，用它计量的温度为 . (8. 2) ◇ 热力学温标（在热力学第二定律的基础上引入的一种不依赖于物质的具体测温性质的温标） 用该温标确定的温度，称为热力学温度或绝对温度：热力学温度是基本的物理量，其单位为K(kelvin，开尔文，简称开)。 把水三相点温度规定为热力学温标的基本固定温度，按定义永久不变。 ◇ 摄氏温标的新定义 规定它由热力学温标导出，摄氏温度t定义为 . (8. 3) ◇ 可以证明，在理想气体温标适用的温度范围内，理想气体温标与热力学温标是一致的。 五 物态方程 1、 物态方程的定义 在平衡态下，热力学系统的温度和态参量之间的函数关系。 2、 理想气体的物态方程 一个重要的理论模型，它反映了各种气体在密度趋于零时共同的极限性质。 理想气体的物态方程是 , (8. 4) 气体物质的量 摩尔气体常量 3、 实际气体的物态方程 对于实际气体，人们导出了各种类型的物态方程： ● 范德瓦耳斯方程（是对气体的结构作了一些简化假设后推导出来的） 对于1 mol气体有