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ppt 笫一章 热力学第零定律,§1 热力学系统概述 §2 热力学第零定律 §3 物态方程,§1 热力学系统概述,一、热力学系统,孤立系统: 无能量、物质交换。 封闭系统: 有能量交换、无物质交换 开放系统: 能量、物质交换。,由大量微观粒子组成的、有明确界面的连续介质系统。,(界面可以是真实的,也可以是虚拟的,即认为划定的。),二、热力学平衡态,定义:不随时间变化并具有确定值的系统状态。,热力学平衡态,态参量,态函数 (T、U、S),,,,,由状态参量描述的系统状态确定后,系统的态函数也就确定下来。态函数的函数值与系统状态一一对应,与达到该状态的过程无关.,力学平衡,几何参量,热平衡,力学参量,相平衡,化学参量,化学平衡,电磁参量,(平衡态是在实验观察结果总结的基础上引入的理想概念),热力学平衡是一种动态平衡,也称为热动平衡。,系统由初态 i 变到未态 f 时,态函数的基本性质,,以p-V 简单系统为例:,定义:,三、热力学过程,一定条件下,一个热力学系统的状态发生相继的变化,就称它经历了一个热力学过程。,一切实际过程都是由非平衡态构成的,系统状态变化所经历的过程,称为热力学过程,简称过程。,四、准静态过程,定义:,准静态过程是由一系列视为平衡态组成的热力学过程。,弛豫时间:,由一个平衡态,经历一个热力学过程,到达另一个平衡态所经历的时间。,准静态过程是一个理想过程,当热力学过程进行得无限缓慢时可以看作准静态过程。,对于实际的过程,如果经历的时间远大于驰豫时间,该过程就可以看作准静态过程。,§2 热力学第零定律,一、热力学第零定律,(温度定义的理论依据),第三个系统处于热平衡的两个系统,彼此也一定 处于热平衡。,热力学第零定律是实验事实的总结,不是逻辑推理的 结果,它不能被认为是理所当然或显而易见的。,由 ( 1 ) 式 ( 2 ) 式解出 yc , 分别为,( 2 ),由笫零定律可以推证,互为热平衡的系统具有一个数值相等的态函数,这个态函数定义为温度.,二、温度,( 3 ),得,( 1 ),( 4 ),根据笫零定律,因系统 A、B、C 互为热平衡 , 运用同样的结论 , 可得,即互为热平衡的系统具有一个数值相等的态函数, 这个函数就定义为温度,若用符号 T 表示, 则,( 5 ),要使 ( 3 ) 式与 ( 4 ) 式同时成立 , 必须要求( 3 ) 式中的参量xc 以消去, 即 ( 3 ) 式可以简化为,温度是强度量,不具有可加性。,三、温标 —— 温度的数值表示法,温标要素:,定标方程 :,,规定冰和盐水的混合物为0度,水的沸点为212度,在0度与212度之间一定量水银的体积或长度等分为212格. 单位华氏度记作 0F. 冰正常熔点定为32 0F。,根据温标的要素,用不同测温物质及其测温属性建立的温标,统称经验温标.,1、经验温标,华氏温标:,测温物质、测温属性、定标方程及固定标准点,汽点:,定标方程:,摄氏温标:,一个标准大气压下纯水和水蒸气平衡时的温度为100摄氏度。,冰点:,一个标准大气压下纯水和纯冰平衡时的温度0摄氏度。,xi、xs分别是t=0、100℃时水银柱的长度。,经验温标的问题:定标方程是人为假定的函数关系,通常测温参量与温度关系比较复杂,使用用不同经验温标测出的温度除固定点外,数值通常不同。,定容气体温度计,2、 理想气体温标,科学界采用理想气体作为标准温标,由低压气体温度计来实现.,结果分析:,四种气体制成的定容温度计测量水沸点温度的结果:,用不同气体作为测温物质,所测的温度只有微小差别,压强降低,差别渐渐降低,当压强趋于零时,差别将消失。,定容气体温度计:,定压气体温度计:,理想气体温标:,1954年国际上规定水的三相点(水、冰和水蒸汽三相平衡的共存状态) 为273.16K。,1)测温物质:理想气体(压强趋于零的气体),2)测温属性:体积、压强,3)固定点:,4)定标方程,3、 热力学温标,1K定义为水的三相点温度的1/273.16。,1927年开始建立国际实用温标.几经修改,现在国际上采用的是1990年国际温标(ITS--90)。,与具体的测温物质的属性无关,是一种理论温标。在理想气体温标适用的温度范围内,理想气体温标是热力学温标的具体实现方式。(第三章介绍),4、国际温标,T = t+273.15(k),§3 物态方程,处于平衡态的热力学系统温度与状态参量之间满足一定的函 数关系。,物态方程:,处于热平衡的热力学系统具有确定的温度,而且温度是状态参量的函数:,T = T(x、y),f(T、x、y)= 0,上式可改写为:,,系统的物态方程,一、气体定律(实验定律),1.玻意耳定律(1662),温度不变的条件下,一定质量的气体的压强和体积的乘积是一个常数,常数的大小和温度有关。,2.盖吕萨克定律(1802),在压强p不变的情况下,一定质量的气体的体积V随温度t作线性变化。,3.玻意耳定律(1787),在体积V不变的情况下,一定质量的气体的压强p随温度t作线性变化。,气体无限稀薄极限下,αV、αp趋于固定值,约为1/273。,阿伏加德罗假说(1181):,温度压强相同条件下,相同体积的任何气体含有相同的分子数。,此假说后来被实验证实,改称为阿伏加德罗定律。,在温度和压强相同的条件下,1mol任何气体的体积都相同。,阿伏加德罗定律:,4.阿伏加德罗定律,阿伏伽德罗常数,,二、理想气体的物态方程,,,,,,,,,P,V,(po,Vo,To),(p´’Vo,T´),(p,V,T),To,T,如图,对一定质量M的理想气体,假设先由状态(po Vo To) 等容变化到(p´’ Vo’ T) 状态.,根据玻意耳定律,理想气体由(p´’ Vo ’ To)状态到(p, V ’ T) 状态, 则得,根据理想气体温标定义,则有,平衡态由状态参数唯一确定,与路径没关系,po =1atm To=273.15K,由(1)、(2)两式则得,按照阿伏加德罗实验定律,,普适气体常数,阿伏伽德罗常数,,玻尔兹曼常数,例 某抽气机的抽气速率为u,现用它对容积为V的密封容器排气。问需要多长时间才能使容器中的气压自P2降至P1?,解:设排气过程中温度恒定。在t到t+dt时刻内容器气体压强由p变到p+dp,排出气体为udt,则,展开略去高次无穷小量,即得,两边积分化简,,,,二、混合理想气体的状态方程,根据道尔顿分压实验定律,,引入混合气体的平均摩尔质量,例 中等肺活量的人在标准状况下一次大约吸进1.0g的氧,如果空气温度及各组分含量不随高度变化,飞行员飞到气压为5.0104Pa的高空时每次吸进的氧气有多少克?,解:题中所给压强是混合气体空气压强,故用理想气体状态方程直接计算时得到的实际是空气质量。,设空气中氧气所占质量百分比为x,则吸进质量为m的氧时,实际吸进空气质量为m/x,则,由题意,,,,设在标准状态下飞行员每次吸进的氧气质量为 mo,实际吸进的空气质量为mo/x ,则,,,1、范德瓦耳斯方程,考虑到分子间的引力和斥力作用,把理想气体方程进行了修正。,三、实际气体的物态方程,a, b分别称为范德瓦耳斯常数,可以由实验测定。,更准确的实际气体状态方程是昂尼斯方程,或,其中的系数A,B,C,…及 A′,B′,C′,…分别称为第一、第二、第三…维里系数。,2、昂尼斯方程,3、各向同性固体与液体的物态方程,各向同性固体和液体同气体一样,也可以用p,V作状态参量描述一定质量的系统状态。,引入两个反映系统重要特性的物理量,则,2、在一定温度范围内α、β可近似视为常数,准确到 一级近似,可得简单固体与液体的状态方程。,讨论:,1、若d V =0,则,若压强 p 保持不变,dp = 0,则,,对任意三个满足一定函数关系的变量都成立。,两边微分得,例 一团水银在1标准大气压下,温度T1。若保持体积不变,温度升高10℃,则终态的压强为多少?己知水银的α,β基本保持不变。,解:,根据三个变量关系定理得,在限定的范围内α,β基本保持不变,所以对上式两边积分得,水银体积保持恒定,故,则,,本章基本要求,1、理解系统和外界的意义,了解宏观描述与微观描述的不同与联系; 2、明确热力学的研究对象和基本特征; 3、在理解热力学笫零定律与温度概念的基础上,了解各种温标及特征; 4、掌握理想气体等几种简单系统的物态方程及其应用。,,