普通物理学：平衡态与热动平衡

3.2.1 结构图

由大量分子和原子组成的宏观物质称为热力学系统,简称系统。

如果系统与外界既没有物质交换,也没有能量交换,系统内部也不发生化学反应过程或核反应过程,经过足够长的时间以后,系统的各种宏观性质(如密度、温度、压强等)都达到稳定,而且不随时间改变,系统的这种状态称为平衡态。

我们主要研究的是系统的平衡态。实际上,即使系统处在平衡态,组成系统的分子却仍然在不停地运动着。因此,这种平衡态实际上是一种动态平衡,通常称为热动平衡。

3.2.2 平衡态的参量

1.状态参量

描述系统平衡态性质的物理量称为状态参量,包括:

(1)几何参量(体积);

(2)力学参量(压强);

(3)化学参量(质量或物质的量);

(4)电磁参量(电场强度和磁感应强度等)。

2.热学参量

(1)以上的四个状态参量都不是热学特有的,因此必须引入新的物理量——温度。所以,温度也称为热学参量。

(2)温度:在一般情况下,表示物体的冷热程度。

(3)如果有两个系统,它们之间发生传热,经过一段时间后,两者都达到平衡态,这种平衡称为热平衡。

(4)如果有两个系统A和B,它们分别与第三个系统C处于热平衡,那么A和B也必然处于热平衡。这个结论称为热力学第零定律。

(5)平衡态—热动平衡—热平衡—热力学第零定律。

(6)我们说,一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。或者说,温度是表示多个系统达到热平衡的物理量,这也是用温度计测量温度的依据。

(7)温度数值的表示法称为温标,主要包含以下4种。

①理想气体温标

标准温标:水的三相点,即纯冰、纯水和水蒸气平衡共存的状态,严格规定此时的温度为273.16K。

理想气体温标:能测量的最低温度是1K。

②热力学温标T

即:热力学温标与理想气体温标是完全一致的。

③摄氏温标t(www.xing528.com)

t=T-273.15

即:摄氏温标t的0.01℃等于热力学温标T的273.16K。

④华氏温标tF

(8)温度计:测量温度的仪器,包含:常用温度计和气体温度计。

(9)当温度发生变化时,物体的许多性质都将发生变化。

3.2.3 气体的状态方程

研究四个状态参量与热学参量(温度)之间的联系。

1.理想气体状态方程(单一气体)

(1)玻意耳定律:一定质量的气体在温度保持不变时,它的压强p和体积V的乘积是一个常量。

pV=常量

说明:p越低,上式越准确。

(2)阿伏伽德罗定律:当气体压强趋于零时,在相同的温度和压强下,1mol的任何气体所占的体积都相同。

(3)理想气体状态方程(单一气体)

式中,M为气体质量;μ为气体的摩尔质量;R为气体普适常数,R=kNA;k为玻尔兹曼常量;NA为阿伏伽德罗常量;p为气体压强;V为气体体积;T为气体温度。

遵从上述方程的气体称理想气体。

2.理想气体状态方程(混合气体)

(1)道尔顿分压定律(实验定律):混合气体的压强等于各组分的压强之和。

p=p1+p2+…pn

(2)理想气体状态方程(混合气体):与单一气体理想状态方程类似。

3.非理想气体状态方程(普遍性):范德瓦耳斯方程

(1)对1mol理想气体:

4.非理想气体状态方程(特定性):昂内斯方程式中,v=;A、B、C、D等是维里系数。

pv=A+Bp+C2p+D3p+…