热学讲义提纲精品文稿.ppt
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1、热学讲义提纲1第1页,本讲稿共60页热力学热物理的宏观理论。从对热现象的大量观察和实验测量中总结出规律性的性质。统计物理从微观出发,运用统计方法,认为宏观性质是大量微观粒子热运动的统计平均值决定的。热力学和统计物理学,在对热现象的研究中,相辅相成。前者对热现象给出普遍而可靠的结果,可以用来验证后者的正确性,后者则可深入研究热现象的本质,使得热力学的理论具有更深刻的意义。什么是热学什么是热学?2第2页,本讲稿共60页去粗取精,去伪存真抓住主要矛盾模型锁定目标,抓住重点内容3第3页,本讲稿共60页高中物理竞赛内容1、分子动理论原子和分子的数量级分子的热运动 布朗运动 气体分子速率分布律气体分子速率
2、分布律(定性)温度的微观意义分子力分子的动能和分子间的势能 物体的内能4第4页,本讲稿共60页2、气体的性质热力学温标 气体实验定律理想气体状态方程 普适气体恒量理想气体状态方程的微观解释(定性)3、热力学第一定律理想气体的内能热力学第一定律在理想气体等容、等压、等温过程中的应用 定容热容量和定压热容量 等温过程中的功(不推导)绝热方程(不推导)热机及效率热机及效率 制冷机和制冷系数制冷机和制冷系数5第5页,本讲稿共60页4、热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律的定性表述热力学第二定律的定性表述 可逆过程与不可逆可逆过程与不可逆过程过程 宏观过程的不可逆性宏观过程的不可逆性 理想气体的自
3、由膨理想气体的自由膨胀胀 热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义5、液体的性质液体分子运动的特点表面张力系数 球形液面下的附加压强球形液面下的附加压强浸润现象和毛细现象(定性)6第6页,本讲稿共60页6、固体的性质晶体和非晶体 空间点阵固体分子运动的特点7、物态变化熔化和凝固 熔点 熔化热蒸发和凝结 饱和气压 沸腾和沸点 汽化热 临界温度固体的升华空气的湿度和湿度计 露点7第7页,本讲稿共60页8、热传递的方式传导 导热系数导热系数 对流 辐射黑体辐射黑体辐射 斯特潘定律斯特潘定律9、热膨胀热膨胀和膨胀系数8第8页,本讲稿共60页常见热学物理量及单位温度T,单位K压强p,Pa或N/m
4、2,其它atm,mmHg体积V,m3质量m,kg摩尔质量M,状态量、过程量9第9页,本讲稿共60页热学中常用的常量普适气体常量:玻尔兹曼常数:阿佛加得罗常数:满足:R=NAk10第10页,本讲稿共60页 11第11页,本讲稿共60页状态方程 重点四个定律第O定律温度 第一定律能量守恒与转化,重点第二定律热学过程的方向第三定律内能分子动理论小知识点:相变、附加压强,等等12第12页,本讲稿共60页132022/10/23热力学系统热力学系统或热力学体系热力学体系.热力学系统的分类热力学系统的分类状态参量特点:有边界(可以是实的,也可以是虚的);大量微观粒子;环境;系统和环境间有作用能量传递(传热
5、,作功)物质交换物质交换能量传递系统一、分子动理论1 热力学系统及分类热力学系统及分类13第13页,本讲稿共60页142022/10/232.1 2.1 热力学第零定律(热力学第零定律(热平衡定律热平衡定律)2.2 温度温度2.3 温标温标2.3.1 经验温标经验温标2.3.2 热力学温标热力学温标2.3.3 国际实用温标国际实用温标2 热力学第零定律与温度,热力学第零定律与温度,温标温标14第14页,本讲稿共60页3 3 气体平衡态的分子动理论气体平衡态的分子动理论基本概念基本概念 3.1 3.1 布朗运动布朗运动布朗运动布朗运动3.2 3.2 分子间的碰撞分子间的碰撞 平均自由程和碰撞频率
6、平均自由程和碰撞频率平均自由程和碰撞频率平均自由程和碰撞频率 分子碰撞分子碰撞分子碰撞分子碰撞(散射散射散射散射)截面截面截面截面 气体分子按自由程的分布气体分子按自由程的分布气体分子按自由程的分布气体分子按自由程的分布 3.3 3.3 3.3 3.3 分子按速度分布及按速率分布的统计描述分子按速度分布及按速率分布的统计描述分子按速度分布及按速率分布的统计描述分子按速度分布及按速率分布的统计描述速度空间速度空间速度分布函数速度分布函数速率分布函数速率分布函数3.43.4分子间的相互作用力分子间的相互作用力15第15页,本讲稿共60页气体的分子参数气体的分子参数(标况下)标况下)1、分子密度(、
7、分子密度(1mol)2、分子平均距离、分子平均距离L3、估计水分子的大小、估计水分子的大小气体分子模型气体分子模型16第16页,本讲稿共60页温度的微温度的微观观解解释释理想气体状态方程:理想气体压强公式:分子热运动的平均平动能:上式表明,温度高低是物体内部大量分子无规则热运动剧烈程度的标志。17第17页,本讲稿共60页18 内能内能=分子动能分子动能+相互作用势能相互作用势能+电子能电子能+核能核能+对气体对气体:理想气体的内能理想气体的内能18第18页,本讲稿共60页192022/10/23玻意耳玻意耳马略特定律马略特定律 盖盖吕萨克定律吕萨克定律查理定律查理定律阿伏伽德罗定律1 理想气体
8、状态方程理想气体状态方程二、气体的性质19第19页,本讲稿共60页202022/10/2320第20页,本讲稿共60页例1一容器储有氧气,压强为p=1.0atm,温度为27摄氏度,求1)单位体积的分子数2)氧气密度3)氧分子质量4)分子间平均距离5)分子平均平动能21第21页,本讲稿共60页例2质量为50.0g、温度为18.00C的氦气装在容积为10.0L的封闭容器内,容器以v=200m/s的速率做匀速直线运动。若容器突然停止,定向运动的动能全部转化为分子的热运动的动能,则平衡后氦气的温度和压强各增大到多少?22第22页,本讲稿共60页232022/10/23例例3 3 一球形热气球,总质量一
9、球形热气球,总质量(包括隔热很包括隔热很好的球皮以及吊篮等装置)为好的球皮以及吊篮等装置)为kgkg经加热后,气球膨胀到最大体积,其直径经加热后,气球膨胀到最大体积,其直径为为m m设球内外气体成分相同,球内气设球内外气体成分相同,球内气体压强稍高于大气压,已知大气温度为体压强稍高于大气压,已知大气温度为摄氏度,压强为摄氏度,压强为atmatm,标准状态下空气,标准状态下空气的密度为的密度为.kg/mkg/m3 3试问热气球刚能上升试问热气球刚能上升时,球内空气的温度应为多少?时,球内空气的温度应为多少?23第23页,本讲稿共60页242022/10/23道尔顿分压定律道尔顿分压定律 Dalt
10、on Law(J.Dalton,1801):):“混合气体的总压强等于各组分气体的分压强之和”。定义各组分的体积百分比体积百分比:设想混合气体中所含的某种组分单独处在与混合气体相同的压强及温相同的压强及温度度的状态下,其体积占混合气体体积的百分比。2 混合理想气体状态方程混合理想气体状态方程 Equation of state for mixed ideal gases24第24页,本讲稿共60页例4:空气是由76%的氮气、23%的氧气、1%的氩气组成(其余气体很少,忽略不计),求空气的平均相对分子质量及在标况下的密度微观配容与宏观分布微观配容与宏观分布25第25页,本讲稿共60页例5,由摩尔
11、质量为m的气体组成密度均匀大气层包围半径为r,质量为M的行星。求行星表面上大气温度。大气层厚度为h r 例6,在圆筒活塞下盛有20g氦气,将它从状态1()缓慢地过渡到状态2()。如果压强与体积关系图像是一条直线,求在这个过程中达到的最高温度。26第26页,本讲稿共60页例7,用不导热材料制成圆筒容器,不导热隔板将容器分为两部分,其体积为V1和V2。第1部分内有温度T1和压强p1的气体,第2部分内有同种气体,但温度T2和压强p2。如果拿走隔板,则在容器内气体达到恒定时的温度为多少?例8,在圆筒容器内的活塞下有温度t=20C的饱和水蒸气。当保持恒温缓慢推进活塞时,容器里释放热量Q=84KJ。求这时
12、作用在活塞上的外力做多少功。27第27页,本讲稿共60页例9 绝热圆筒容器立在桌上,借助导热的轻活塞A和不导热的重活塞B将容器分成长均为L=0.4的两室,每室内有1mol理想的单原子气体。开始系统处于热平衡,缓慢加热气体,使它吸收热量Q=200J。当活塞A和容器壁之间的摩擦力为多大时,该活塞将保持不动?活塞B可以无摩擦地运动。28第28页,本讲稿共60页例10,据说在克尼菲勋爵档案馆里发现一张有关理想气体循环过程图,由于年代久远,画已褪色且p(压强)和V(体积)坐标轴消失,仅保留两轴交点O。从对画的说明中可知,在A点气体温度最高,从V轴正方向看去沿逆时针向p轴正方向转角最小。试作图重建p和V轴
13、的位置。29第29页,本讲稿共60页例11,在轻活塞下的容器内充氦气,活塞距容器底的高度为H,容器和活塞绝热,活塞能无摩擦地移动。从活塞上方某一高度无初速度地释放弹性小球,为了在系统稳定平衡(球落在活塞上)时活塞位置不变,这个高度h是多少?30第30页,本讲稿共60页例12,面包圈形的容器里放置两个面积为S的薄活塞,用劲度系数为k的轻弹簧连接如图所示.最初容器内封闭了压强为p0,温度为T的气体,弹簧不伸长,弹簧部分封闭的体积占全部容器体积V0的a=1/10。为了使它的体积扩大为两倍,应该对有弹簧部分间隔加热到温度为多少?容器其余部分温度不变,摩擦不计。31第31页,本讲稿共60页例13,容器内
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