复旦大学：《大学物理》课程教学资源（PPT课件）6.1 状态、过程与理想气体

热的动力字理论 古人曾以为存在一种特殊的“热质”,古希腊 的四元素和中国古代的五行学说中都有“火”元素 这后来发展为热质说。但是,摩擦生热,钻木取火 等现象又表明,热是由运动而生。这种思想与原子 论结合,把热现象归结为原子、分子的无规运动 温度是分子运动的剧烈程度:热量是分子无规运动 的能量:面与热有关的种种不可逆过程则由一个孤 立系统总是由小概率状态自动 过渡到大概率状态来解释。 迈耶,焦耳和亥姆霍兹利 用热能的概念,将力学中的机 械能守恒定律推广为普遍的能 亥姆霍兹 量守恒定律即热力学第一定律 5-k log w 想 开尔文 克劳修斯 热现象的一个特点是其方向性:热量可以自动从 高温物体流向低温物体,而不会反过来自动从低温物 LVDWIG 体流向高温物体;机械功可以全部转化为热,而热不 BOLTZMANN 能全部转化为机械功。英国物理学家开尔文和德国物 理学家克劳修斯在总结这些事实的基础上,各自独立 提出了热力学第二定律。克劳修斯进一步提出了嫡 的概念,热力学第二定律就是熵增加定律 奥地利物理学家玻尔兹曼把描述客观系统过程进 玻尔兹曼墓碑 行方向的热力学量熵与宏观态的几率联系起来,并推 出了公式S=kln。这个公式被刻在他的墓碑上

古人曾以为存在一种特殊的“热质”,古希腊 的四元素和中国古代的五行学说中都有“火”元素。 这后来发展为热质说。但是,摩擦生热,钻木取火 等现象又表明,热是由运动而生。这种思想与原子 论结合,把热现象归结为原子、分子的无规运动: 温度是分子运动的剧烈程度;热量是分子无规运动 的能量;而与热有关的种种不可逆过程则由一个孤 立系统总是由小概率状态自动 过渡到大概率状态来解释

热现象的一个特点是其方向性;热量可以自动从 高温物体流向低温物体,而不会反过来自动从低温物 体流向高温物体;机械功可以全部转化为热,而热不 能全部转化为机械功。英国物理学家开尔文和德国物 理学家克劳修斯在总结这些事实的基础上,各自独立 地提出了热力学第二定律。克劳修斯进一步提出了熵 的概念,热力学第二定律就是熵增加定律。 奥地利物理学家玻尔兹曼把描述客观系统过程进 行方向的热力学量熵与宏观态的几率联系起来,并推 出了公式S=klnW。这个公式被刻在他的墓碑上

第六章气体动理论 (Kinetic theory of gases 从分子热运动观点出发,依赖微观 粒子的力学规律,运用统计方法研究气 体分子热运动的宏观性质和变化规律。 寻求宏观量与微观量之间的关系,揭示 气体宏观热现象及其规律的微观本质

第六章 气体动理论 (Kinetic theory of gases) 从分子热运动观点出发，依赖微观 粒子的力学规律，运用统计方法研究气 体分子热运动的宏观性质和变化规律。 寻求宏观量与微观量之间的关系，揭示 气体宏观热现象及其规律的微观本质

§6.1状态、过程与理想气体 States, Process and Ideal gas 、热力学系统与外界 thermodynamics system and environment 在热力学中,把所研究的物体或物体组叫做热力 学系统,简称系统。 它包含极大量的分子、原子。 以阿佛加德罗常数NA=6×1023计。 热力学系统以外的物体称为外界 例:若汽缸内气体为系统,其它为外界

• 一、热力学系统与外界 thermodynamics system and environment • 在热力学中，把所研究的物体或物体组叫做热力 学系统，简称系统。 • 它包含极大量的分子、原子。 • 以阿佛加德罗常数 NA =6×1023计。 • 热力学系统以外的物体称为外界。 例：若汽缸内气体为系统，其它为外界 § 6 . 1 状态、过程与理想气体 States, Process and Ideal gas

二、气体的状态参量 State parameter of gas 把描述系统状态的变量称为状态参量。 状态参量分为宏观量与微观量 1.宏观量 macro variable 从整体上描述系统的状态量,一般可以直接测量。 如M、VE等--可以累加,称为广延量 extensive variable P、T等-不可累加,称为强度量 intensity variable 2.微观量 microcosmic variable 描述系统内微观粒子的物理量。如分子的质量m、 直径d、速度ν、动量p、能量e等。 微观量与宏观量有一定的内在联系。 例如,气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果, 它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关

•二、气体的状态参量State parameter of gas • 把描述系统状态的变量称为状态参量。 状态参量分为宏观量与微观量 1. 宏观量 macro variable 从整体上描述系统的状态量，一般可以直接测量。 如 M、V、E 等----可以累加，称为广延量 extensive variable P、T 等----不可累加，称为强度量 intensity variable 2. 微观量 microcosmic variable 描述系统内微观粒子的物理量。 如分子的质量m、 直径 d 、速度 v、动量 p、能量  等。 微观量与宏观量有一定的内在联系。 例如，气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果， 它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关

平衡态与平衡过程 Equilibrium state and equilibrium process 1、平衡态:在没有外界影响的条件下,系统各个 部分的宏观性质长时间内不发生变化的状态。 (系统与外界没有作功或传热等方式的能量交换) 2、热动平衡:热力学中的平衡是一种热动平衡, 系统的分子作永不停息的热运动,而且因为碰撞, 每个分子的速度经常在变,但是系统的宏观量不 随时间改变。宏观上表现为平衡态。 3、平衡态是一个理想化的概念,实际上不存在完 全不受外界影响的系统,也就不存在宏观性质绝 对不变化的系统

• 三、平衡态与平衡过程 • Equilibrium state and equilibrium process • 1、平衡态：在没有外界影响的条件下，系统各个 部分的宏观性质长时间内不发生变化的状态。 （系统与外界没有作功或传热等方式的能量交换） • 2、热动平衡：热力学中的平衡是一种热动平衡， 系统的分子作永不停息的热运动，而且因为碰撞， 每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不 随时间改变。宏观上表现为平衡态。 • 3、平衡态是一个理想化的概念，实际上不存在完 全不受外界影响的系统，也就不存在宏观性质绝 对不变化的系统

4、只有平衡态才可用状态参量来描述,否则,非平 衡态中的各个状态参量都在不断变化,无法用统 的参量来描述系统的状态。我们主要研究平衡态的 热学规律。 5、准静态过程:从一个状态到另一个状态的变化过 程如果进展的十分缓慢,所经历的一系列中间状态 都无限接近平衡态,这个过程就称为平衡过程,又 称过程。准静态过程是无限缓慢的状态变化过程, 是一种理想的物理模型。 6、实际过程:在实际问题中,除了一些进行极快的 过程(如爆炸过程)外,大多数情况下都可把实际 过程近视看成是准静态过程

4、只有平衡态才可用状态参量来描述，否则，非平 衡态中的各个状态参量都在不断变化，无法用统一 的参量来描述系统的状态。我们主要研究平衡态的 热学规律。 5、准静态过程：从一个状态到另一个状态的变化过 程如果进展的十分缓慢，所经历的一系列中间状态 都无限接近平衡态，这个过程就称为平衡过程，又 称过程。准静态过程是无限缓慢的状态变化过程， 是一种理想的物理模型。 6、实际过程：在实际问题中，除了一些进行极快的 过程（如爆炸过程）外，大多数情况下都可把实际 过程近视看成是准静态过程

四、理想气体状态方程 State equation of ideal gas 1、理想气体:是一种理想化的物理模型 2、理想气体的状态方程:(克拉珀龙方程) PV=巩M(v=M/Mn:摩尔数) mol 3、实际气体:压强不太大(与大气压相比),温 度不太低(与室温相比)的条件下,可近似地看成 理想气体

• 四、理想气体状态方程 State equation of ideal gas • 1、理想气体：是一种理想化的物理模型。 • 2、理想气体的状态方程：（克拉珀龙方程） RT M M pV vRT mol = = 3、实际气体：压强不太大（与大气压相比），温 度不太低（与室温相比）的条件下，可近似地看成 理想气体。 （ =M / Mmol ： 摩尔数）

n为分子数密度 R=NAh 混合气体 n=11+n2+13+ p=p1+p2+P3+

p = nkT R = NAk n = n1+ n2 + n3+... p = p1+ p2+ p3+... n为分子数密度 混合气体