第一次课:2学时 1题目:§4.1理想气体物态方程准静态过程 §4.2热力学第一定律 2目的:1)掌握理想气体物态方程的几种表述形式。 2)掌握热力学第一定律及应用问题求解。 、引入课题: 、热学研究对象及内容 1.对象:热现象:物质中大量分子热运动的集体表现。 热运动:物体由大量分子、原子组成,它们处于永恒的无规则的运动之 中,这种无规则运动的总体称为热运动。在热学中,称研究对象为热力学系统 热力学系统:在热学中,将被研究的宏观物体和物体系称为热力学系统。 ·系统:由大量分子或原子组成的热力学研究对象。 ·外界:系统外的物体称外界 ·孤立系:与外界没有能量和物质交换。 开系:与外界有能量和物质交换。 ·闭系:与外界有能量交换而无物质交换。 2.内容:与热现象有关的性质和规律 、热学的研究方法 宏观描述方法-一热力学方法 由实验确定的基本规律,硏究热现象的宏观特性和规律。对系统进行整体描述 这部分内容称为热力学 2.微观描述方法一统计物理方法 ·从物质的微观结构出发,用统计平均的方法,研究微观粒子运动和宏观热现象 之间的内在联系,研究热现象规律的微观本质,这部分内容称为分子物理学。 ·两种方法相辅相成。 二、讲授新课 第四章热力学基础 §4.1理想气体物态方程准静态过程
1 第一次课： 2 学时 1 题目： § 4.1 理想气体物态方程 准静态过程 § 4.2 热力学第一定律 2 目的： 1）掌握理想气体物态方程的几种表述形式。 2）掌握热力学第一定律及应用问题求解。 一、引入课题： 一、热学研究对象及内容 1.对象：热现象：物质中大量分子热运动的集体表现。 热运动：物体由大量分子、原子组成，它们处于永恒的无规则的运动之 中，这种无规则运动的总体称为热运动。在热学中，称研究对象为热力学系统。 热力学系统：在热学中，将被研究的宏观物体和物体系称为热力学系统。 ·系统：由大量分子或原子组成的热力学研究对象。 ·外界：系统外的物体称外界 ·孤立系：与外界没有能量和物质交换。 ·开系： 与外界有能量和物质交换。 ·闭系： 与外界有能量交换而无物质交换。 2.内容：与热现象有关的性质和规律 二、热学的研究方法 1.宏观描述方法---热力学方法 ·由实验确定的基本规律，研究热现象的宏观特性和规律。对系统进行整体描述。 这部分内容称为热力学。 2.微观描述方法---统计物理方法 ·从物质的微观结构出发，用统计平均的方法，研究微观粒子运动和宏观热现象 之间的内在联系，研究热现象规律的微观本质，这部分内容称为分子物理学。 ·两种方法相辅相成。 二、讲授新课： 第四章 热力学基础 § 4.1 理想气体物态方程 准静态过程
基本概念 1宏观量与微观量 1)宏观量( macroscopic quantity) 用一些物理量从整体上对系统状态加以描述,表征系统整体性质,称为状态参量 般宏观量可用仪器直接测量(如体积、温度、压强)。 宏观量有分为广延量:有累加性(如质量、能量) 强度量:无累加性(如温度、压强 2)微观量( microscopic quantity) 通过对微观粒子运动状态的说明来描述系统的方法称为微观描述,描写单个徹观 粒子运动状态的物理量,如分子的质量、速度、能量等,微观量一般不能直接测 量(如分子质量、能量)。 宏观量和微观量有关,宏观量是微观量的统计平均值。如压强和大量分子撞击器 壁时动量变化率的统计平均值有关,温度和大量分子无规则热运动速度的统计平 均值有关。 2平衡态( equilibrium state)和非平衡态 例:A中储有气体,B中为真空。当把隔板抽去,A部分中的气体就向B中运动。在 这个过程中,气体内部各处的情况是不均匀的。但随着时间变化,最后将达到各 处均匀一致的状态。此后若不受外界影响,容器内气体将始终保持这一状态,不 再发生变化。 例:将水放在开口容器中,水将不断蒸发。若将容器封闭,经过一段时间后,蒸 发现象将停止,即达到饱和状态。此后若无外界影响,就不在发生宏观变化。 可见,平衡态系统各处的宏观参量不一定相等。 A B 平衡态:一定量的气体,在不受外界的影响下,经过一定的时间,系统达到一个稳 定的,宏观性质不随时间变化的状态称为平衡态 平衡态是一种理想状态,是一定条件下对实际情
2 一、 基本概念 1 宏观量与微观量 1)宏观量 (macroscopic quantity) 用一些物理量从整体上对系统状态加以描述，表征系统整体性质，称为状态参量。 一般宏观量可用仪器直接测量(如体积、温度、压强)。 宏观量有分为广延量：有累加性(如质量、能量) 强度量：无累加性(如温度、压强) 2)微观量(microscopic quantity) 通过对微观粒子运动状态的说明来描述系统的方法称为微观描述，描写单个微观 粒子运动状态的物理量，如分子的质量、速度、能量等，微观量一般不能直接测 量(如分子质量、能量)。 宏观量和微观量有关，宏观量是微观量的统计平均值。如压强和大量分子撞击器 壁时动量变化率的统计平均值有关，温度和大量分子无规则热运动速度的统计平 均值有关。 2 平衡态(equilibrium state)和非平衡态 例：A中储有气体，B中为真空。当把隔板抽去，A部分中的气体就向B中运动。在 这个过程中，气体内部各处的情况是不均匀的。但随着时间变化，最后将达到各 处均匀一致的状态。此后若不受外界影响，容器内气体将始终保持这一状态，不 再发生变化。 例：将水放在开口容器中，水将不断蒸发。若将容器封闭，经过一段时间后，蒸 发现象将停止，即达到饱和状态。此后若无外界影响，就不在发生宏观变化。 可见，平衡态系统各处的宏观参量不一定相等。 平衡态：一定量的气体，在不受外界的影响下,经过一定的时间,系统达到一个稳 定的,宏观性质不随时间变化的状态称为平衡态。 平衡态是一种理想状态，是一定条件下对实际情 A B p o V ( , , ) p V T ' ' ( , , ) p V T
况的概括和抽象。 pV图上一点表示气体的一个平衡态 平衡态要点 1)孤立系,宏观量不随时间变化。 2)平衡态是一种热动平衡。平衡态指系统的宏观性质不随时间变化,从微观看, 分子仍在作不停地、无规则热运动 3)平衡态可用状态参量来描述。 4)稳恒态不一定是平衡态 非平衡态:系统的宏观状态参量随时间变化的状态称为非平衡态 4状态参量 状态量;描述系统平衡态的宏观参量,气体的体积、压强和温度三个物理量称为 气体的物态参量。常用:P、VT表示气体的三个状态参量。 过程量:与过程有关的物理量,如功、热量 1)气体压强P:作用于容器壁上单位面积的正压力。 单位:1Pa=1Nm2 标准大气压:450纬度海平面处,00时的大气压。 latm=1013×105Pa 2体积v:气体所能达到的最大空间。 单位:1m3=103L=103dm 3温度T:气体冷热程度的量度 单位:温标(开尔文)T=273.15+t 平衡态下状态参量不随时间变化 二、理想气体物态方程 1状态方程( equation of state) 状态参量之间的函数关系称为状态方程f(P,V,=0 2理想气体 宏观定义:遵守三个实验定律的气体。 微观模型:从分子运动论的观点出发
3 况的概括和抽象。 p-V 图上一点表示气体的一个平衡态 平衡态要点 1）孤立系，宏观量不随时间变化。 2）平衡态是一种热动平衡。平衡态指系统的宏观性质不随时间变化，从微观看， 分子仍在作不停地、无规则热运动。 3）平衡态可用状态参量来描述。 4）稳恒态不一定是平衡态。 非平衡态：系统的宏观状态参量随时间变化的状态称为非平衡态。 4 状态参量 状态量；描述系统平衡态的宏观参量，气体的体积、压强和温度三个物理量称为 气体的物态参量。常用：P、V、T 表示气体的三个状态参量。 过程量：与过程有关的物理量，如功、热量。 1）气体压强 P：作用于容器壁上单位面积的正压力。 单位： 标准大气压： 450 纬度海平面处, 0 0 时的大气压。 2.体积 v: 气体所能达到的最大空间。 3.温度 T: 气体冷热程度的量度。 单位：温标（开尔文） 平衡态下状态参量不随时间变化 二、理想气体物态方程 1 状态方程(equation of state) 状态参量之间的函数关系称为状态方程 f (P,V,T) = 0 2 理想气体 宏观定义：遵守三个实验定律的气体。 微观模型：从分子运动论的观点出发 2 1Pa 1N m− = 5 1atm 1.013 10 Pa = 3 3 3 3 单位： 1m 10 L 10 dm = =T t = + 273.15
1)分子间除碰撞外不存在相互作用。 2)分子间的碰撞、分子与器壁的碰撞都是完全弹性碰撞。 3)分子的大小忽略不计。 应用条件:压强不太高、温度不太低的实 际气体。 piV 3理想气体状态方程 3 p1V3T2 由三个实验定律 波一马定律: p=恒量 查理定律 P=恒量 2p2V212 盖.吕萨克定律 =恒量 1)理想气体状态方程 状态1到状态3:等压变化 v3 T2 状态3到状态2,等温变化 PI3=P2v2 消去 得 2)克拉伯龙方程恒量 lmol的理想气体在标准状态下 P1013×103×224x103 273(mk) =8.31 称R为气体普适恒量。 (molk) mol的理想气体在标准状态下 PoL=y Poo=VR 7o7 取任意一状态 PV- POV=VR
4 1）分子间除碰撞外不存在相互作用。 2）分子间的碰撞、分子与器壁的碰撞都是完全弹性碰撞。 3）分子的大小忽略不计。 应用条件：压强不太高、温度不太低的实 际气体。 3 理想气体状态方程 由三个实验定律 波－马定律： 查理定律： 盖.吕萨克定律： 1）理想气体状态方程 状态 1 到状态 3：等压变化 状态 3 到状态 2，等温变化 消去 v3 得 2）克拉伯龙方程 1mol 的理想气体在标准状态下 称 R 为气体普适恒量。 νmol 的理想气体在标准状态下 取任意一状态 = 恒量 T PV P V O 1 p1v1T1 2 p2v2T2 3 p1v3T2 1 1 3 2 v T v T = 1 3 2 2 p v p v = pv = 恒量 p T = 恒量 v T = 恒量 ( ) ( ) 5 3 0 0 0 1.013 10 22.4 10 273 8.31 p v J T mol k J R mol k − = = = 0 0 0 0 0 p v p v R T T = = 0 0 p v p v R T T = =
VRT 若气体的质量为M,摩尔质量为μ,则 RT 3)若气体的总分子数为N,则 N2=60224101m阿伏加德罗常数 上式 N R P 则 式中 分子数密度 k一-玻耳兹曼常数 k R 1.38×10-23J/K NA 三、热力学过程 热力学系统的状态随时间变化叫做热力学过程。 1非平衡过程:系统从某一平衡态开始,相继经历一系列的非平衡态,最后达到 个新的平衡态的过程叫做非平衡过程。 例:压缩气缸内的气体。 未压前:气体各处密度均匀,且不随时间变化,是平衡态 过程中:靠近活塞处气体密度增大,出现非平衡态 压缩停止后:由于分子热运动的碰撞的结果,气缸内气体密度差异逐渐减小,直 到各处均匀,此后保持不变,出现新的平衡状态。 系列 初平衡态 非平衡态 末平衡态 气体经历一个非平衡过程,过程的中间状态由于没有确定的状态参量值,过程无 法描述
5 即 若气体的质量为 M,摩尔质量为μ，则 即 3）若气体的总分子数为 N,则 上式 则 式中：n — 分子数密度 k -- 玻耳兹曼常数 三、热力学过程 热力学系统的状态随时间变化叫做热力学过程。 1 非平衡过程：系统从某一平衡态开始，相继经历一系列的非平衡态，最后达到 一个新的平衡态的过程叫做非平衡过程。 例：压缩气缸内的气体。 未压前：气体各处密度均匀，且不随时间变化，是平衡态。 过程中：靠近活塞处气体密度增大，出现非平衡态。 压缩停止后：由于分子热运动的碰撞的结果，气缸内气体密度差异逐渐减小，直 到各处均匀，此后保持不变，出现新的平衡状态。 气体经历一个非平衡过程，过程的中间状态由于没有确定的状态参量值，过程无 法描述。 PV = RT M P = nkT k = = 1.3810-23 J/K R NA pv RT = M = 23 6.022 10 A A N N N mol = = 阿伏加德罗常数 A A N pV RT N N R p T V N = = N n V = 初平衡态 一系列 非平衡态 末平衡态
2准静态过程:若过程进行得相当缓慢,每一次从非平衡态过渡到平衡态所用的 时间非常短,可以认为过程的每一步都会达到平衡态,这种一系列中间状态都无 限接近平衡态的过程称为平衡过程和准静态过程。 砂子 活塞 气体一 气体经历一个平衡过程,过程的中间状态都有确定的状态参量值,过程可以描述。 准静态过程是一个理想化的过程,是实际过程 的近似 只有过程进行得无限缓慢,每个中间态才可看作是平衡态。 3过程曲线 P 准静态过程可用过程曲线表示。 --1(月 状态图(P一V图、P-T图、-T图)上 (P2,F2,2) ·一个点代表一个平衡态 条曲线代表一个准静态过程。 P1.V1) 过程曲线(只对准 静态过程才能画出) (P (P2,V2) 过程曲线 在pV图中,气体系统的准静态过程可表示为一条曲线。 平衡过程不能在pV图中表示 快 缓慢 6 非平衡态 接近平衡态
6 2 准静态过程：若过程进行得相当缓慢，每一次从非平衡态过渡到平衡态所用的 时间非常短，可以认为过程的每一步都会达到平衡态，这种一系列中间状态都无 限接近平衡态的过程称为平衡过程和准静态过程。 例： 气体经历一个平衡过程，过程的中间状态都有确定的状态参量值，过程可以描述。 准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程 的近似。 只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。 3 过程曲线 准静态过程可用过程曲线表示。 状态图(P－V 图、P－T 图、V－T 图)上 ·一个点代表一个平衡态； ·一条曲线代表一个准静态过程。 在 p-V 图中，气体系统的准静态过程可表示为一条曲线。 非平衡过程不能在 p-V 图中表示。 气体 活塞 砂子 ←快 ←缓慢 非平衡态 接近平衡态 准静态过程 过程曲线 (P2,V2) o V P 过程曲线（只对准 静态过程才能画出） (P,V) • • • (P１,V１) 1 1 1 ( , , ) pVT 2 2 2 ( , , ) pVT V1 V2 p1 p p V o 1 2