rx-01简谐振动

null第 二 部 分 热 学第 二 部 分 热 学第一章 热学基本概念 热力学第0定律 温度第一章 热学基本概念 热力学第0定律 温度null§1 热学的一些基本概念§2 热力学第0定律 温度的概念1.1 系统与外界1.2 热力学平衡态1.3 状态参量——平衡态的描述和态#数#1.4 摩尔、摩尔质量2.1 热平衡2.2 热力学第0定律经验温标 理论温标 国际温标2.3 温度和温标作业：1-2，1-3，1-4§3 理想气体状态方程null前 言3. 研究热运动的方法：有固、液、气体，等离子体，辐射场，生命体等。1. 宏观物体：由大量微观粒子组成。2. 热运动：指宏观物体内大量微观粒子无规则的运动。在大学物理《热学》部分将介绍作为热力学物理基础的几个基本定律，统计物理学的基本概念以及气体分子运动论的基本内容。第一章 热学基本概念 热力学第0定律 温度第一章 热学基本概念 热力学第0定律 温度null1.1 系统与外界2. 系统的外界（简称外界） 能够与所研究的热力学系统发 生相互作用的其它物体。热接 触、作功、质量交换。1. 热力学系统（简称系统） 在给定范围内，由大量微观粒 子所组成的宏观客体。§1 热学的一些基本概念null孤立系统—它与外界无任何相互作用， 既无能量，又无物质的交换封闭系统—它与外界仅有热接触和机械“接触”， 闭 系 即有能量交换，而没有物质交换开放系统—它与外界有热接触、机械“接触” 开 系 和质量交换 即有能量交换，也有物质交换绝热系统是闭系的一个特例— 它与外界无热接触，只有机械“接触”null1.2 热力学平衡态一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的 宏观性质（如温度、压力、体积、摩尔、密度、 热容等）不再随时间变化，我们就说这个系统 处于热力学平衡态。 平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况。 实例：理想气体绝热自由膨胀。 与稳恒态的区别，稳恒态不随时间变化，但 由于有外界的影响，故在系统内部存在能量 流或粒子流。稳恒态是非平衡态。对平衡态 的理解应将“无外界影响”与“不随时间变化” 同时考虑，缺一不可。 注意null稳恒态实例： 热动平衡: 平衡态下，组成系统的微观粒子仍处于不停的无规运动之中，只是它们的统计平均效果不随时间变化，因此热力学平衡态是一种动态平衡，称之为热动平衡。null1.3 状态参量——平衡态的描述确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量。 常用的状态参量有四类： 几何参量（如：气体体积） 力学参量（如：气体压力或称压强） 化学参量（如：混合气体各化学组 分的质量和摩尔数等） 电磁参量（如：电场和磁场强度， 电极化和磁化强度等）态函数宏观物理量示成状态参量的函数， 简称为态函数nullm 是一个分子的质量。 一摩尔是一个系统所含物质的量，即该系统所包含的基本单元数等于0.012 千克碳-12 的原子数 NA - 阿伏伽德罗数。基本单元可以是原子、分子、离子、电子或其它粒子。因此要指明是何种基本单元。 1.4 摩尔、摩尔质量null原子质量单位：一个碳12原子质量的12分之一分子量或原子量的定义：所以摩尔（分子或原子）质量：null 注意： 如果在所研究的问中既不涉及电磁性质 又无须考虑与化学成分有关的性质，系统 中又不发生化学反应，则不必引入电磁参 量和化学参量。此时只需体积和压强就可 以确定系统的平衡态，我们称这种系统为 简单系统（或PV系统）。null§2 热力学第0定律 温度的概念2.1 热平衡 将两个分别处于平衡态的系统A 和B用一刚性隔板分隔开。 若隔板为“绝热板”如图(a)，则 A，B两系统的状态可独立地变 化而互不影响。厚木板，石 棉板等都可视为绝热板。若隔板为“导热板” 如图(b)，则A , B两系统状态不能独立地改变, 一个系统状态的变 化会引起另一系统状态的变化, 金属板即为导热板。 通过导热板两个系统的相互作用叫热接触。null2.2 热力学第0定律2.3 温度和温标通过导热板进行热接触的两个系统组成一复合系统。当复合系统达到平衡态时，我们就说两个系统处于热平衡。如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。 温度—互为热平衡的几个热力学系统，必 然具 有某种共同的宏观性质，我们将这种决 定系统热平衡宏观性质的物理量定义为温度。null实验表明，将几个达到热平衡状态的系统分开之后，并不会改变每个系统的热平衡状态。 这说明，热接触只是为热平衡的建立创造条件，每个系统热平衡时的温度仅决定于系统内部大量微观粒子无规运动的状态。温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与其他系统处于热平衡。处于热平衡的各系统温度相同。温度是状态的函数，在实质上反映了组成系统大量微观粒子无规则运动的激烈程度。 null 以第0 定律为实验基础定义的温度是一个宏观概念，量化之后就成为一个可测量的宏观量。对温度进行量化，首先必须确定温标。 温标* 温标定义：温度的数值表示法。 * 温标分类：经验温标 理论温标 国际温标  经验温标 建立经验温标的三要素：1. 选择物质测温属性X，如保持等容的气体的压强P； 保持定压的气体的体积V；电阻R等。null3. 规定一个标准点：1954年起，水的三相点 温度（273.16k) 被取为标准点。三相点指 冰、水、汽共存的状态，这点的温度可由 三相点瓶胆取得。2. 规定温度T 与测温属性X 之间的函数关系 通常假定为线性关系，如：T(x)=a.X 思考： 各种物质的各种测温属性随温度的变化不可能都是一致的，如果我们规定某物质的某种测温属性与温度成线性关系，则其他测温属性与温度的关系就不可能是线性的。因此，用不同的测温物质或同一物质的不同性质建立温标往往不一致。null需要一个作为统 一标准的温标理想气体温标理想气体温标测温物质：某种气体（如氦气）。 测温属性：气体体积不变时气体的压强P 线性关系：Tv(P)=a . P ...…（1） （a可根据纯水的三相点的温度来确定） 将测温泡置于纯水三相点瓶胆中，平衡 后测得泡内气体压强为Ptr 此时泡内气体 的温度定义为273.16k由（1）式 得： a=273.16k/Ptr ...… （2）以气体为测温物质可制成 定容（或定压）气体温度计null（2）代入（1）得： Tv(P)=273.16k . P/Ptr 利用此式，根据温度计中 气体压强P，可确定待测 系统的温度Tv(P)。实验表明 ： 以不同气体为测温物质，Tv(P)存在差异。 但在Ptr降低时，差异逐渐消失，在Ptr0的 极限下，亦即测温泡内的气体密度趋于零的 极限下，它们趋于一个共同的极限温标，称 为理想气体温标。 null理想气体温标利用了气体的性质，因此在温度低于液化温度时，此温标便失去意义。能测量的最低温度为0.5 K ( 低压3He气体）。   理论温标—热力学温标热力学温标是建立在第二定律基础上， 不 依赖于任何物质的特性的温标。热力学温度国际单位为“开尔文”，简称开 记为K，是基本的物理量。可证明在理想气体温标有效范围内，热力学温标 与理想气体温标完全一致。 常用的摄氏温标 t（ C)定义：t = T273.15null各种实用温度计都可按照ITS-90进行标定。ITS-90给出不同温度计的实用范围和温度 固定点的定义。参见（陆果）书p818  国际温标 为克服气体温度计使用的繁复及统一各国 温标自1927年起，经多次修改，国际上规定 的一种实用温标，现为1990国际温标 ITS (International Temperature Scale) null 一个热力学系统的平衡态可由四种状态参量确定。 第0 定律表明，平衡态下的热力学系统存在一个状态 函数：温度。温度与四种状态参量必然存在一定的关 系。所谓状态方程就是温度与状态参量之间的函数关 系式，此定义适合于任何热力学系统.§3 理想气体状态方程 一定质量的理想气体，当不必考虑电磁性质 和化学性质时，可看作简单系统。 T、 V、 和P的函数关系即其状态方程.状态方程在热力学中是通过大量实践来的。然而应用统计物理学， 原则上可根据物质的微观结构推导出来。null 基本假设： 分子本身的线度，比起分子之间的距离来说可以忽略不计。可看作无体积大小的质点。 除碰撞外，分子之间以及分子与器壁之间无相互作用。 分子之间以及分子与器壁之间的碰撞是完全弹性的，即碰撞前后气体分子动能守恒。理想气体的微观模型null 使理想气体由初态 ( P1 , V1 , T1 ) 经中间态 ( P’2, V1 , T2 )变化到末态 ( P2 , V2 , T2 )。 Tf Pf —— =—— Ti Pi( P1 ,V1 ,T1 )( P’2, V1, T2 )PV=常数理想气体温标：根据：玻意耳定律：热力学中理想气体状态方程的建立 第一步：保持 V1一定，根据理想气体温标定 义得：null将(1)代入(2)得： 一定质量的同种理想气体，任一状态下的 PV/T 的值都相等。...... (3) 用V0，P0，T0 表示该气体在标准状态 下的相应的状态参量值, 根据(3)则有:...…(4)P2´V1 = P2V2 …... (2) 保持T2不变，根据玻意耳定律得：第二步:null 其中 V0= .v0 ( 为气体摩尔数，v0为标准状态下气体的摩尔体积 v0=22.4升)由(4)可得: P0 v0 P V =  ——— T (5) T0 根据阿佛加德罗定律：在相同的温度和压 强下1mol任何理想气体的体积都相同。 所以(5)中： P0v0 ———— = R（普适气体常数） T0标准状态:P0=1.013105帕=1大气压=760mmHg； T0=273.15开=0oC；null ( M气体质量 ， 气体摩尔质量） 则由(5)式可知理想气体状态方程：或 令：null科学家介绍-8 开尔文 （W. Thomson ) ( 1824 — 1907年 ) 开尔文,英国物理学家，热力学的奠基人之一。1851年表述了热力学第二定律，1892年被授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854年修正的温标称为开尔文温标。为纪念他，国际单位之中温度的单位用“开尔文”命名。