高中物理竞赛辅导讲义：温度和气体分子运动论.doc

用心爱心专心温度和气体分子运动论§1。1温度1．1．1、平衡态、状态参量温度是表示物体冷热程度的物理量。凡是跟温度有关的现象均称为热现象。热现象是自然界中的一种普遍现象。热学是研究热现象规律的科学。热学研究的对象都是由大量分子组成的宏观物体称为热力学系统或简称系统。在不受外界影响的条件下系统的宏观性质不再随时间变化的状态称为平衡态否则就称为非平衡态。可见系统平衡态的改变依赖于外界影响(作功、传热)。系统处于平衡态所有宏观物理都具有确定的值我们就可以选择其中几个物理量来描述平衡态这几个量称为状态参量。P、V、T就是气体的状态参量。气体的体积V是指盛放气体的容器的容积国际单位制中体积的单位是m。1m=103L=10cm气体的压强P是气体作用在容器的单位面积器壁上的平均压力单位是p。1atm=76cmHg=1.01310p1mmHg=133.3p1．1．2、温标温度的数值表示法称为温标。建立温标的三要素是：1、选择某种物质的一个随温度改变发生单调显著变化的属性来标志温度制作温度计。例如液体温度计T(V)、电阻温度计T(R)、气体温度计T(P)、T(V)等等。这种选用某种测温物质的某一测温属性建立的温标称为经验温标。2、规定固定点即选定某一易于复现的特定平衡态指定其温度值。1954年以前规定冰点为0℃汽点为100℃其间等分100份从而构成旧摄氏温标。1954年以后国际上选定水的三相点为基本固定点温度值规定为273.16K。这样0℃与冰点100℃与汽点不再严格相等百分温标的概念已被废弃。3、规定测温属性随温度变化的函数关系。如果某种温标(例如气体温度计)选定为线性关系由于不同物质的同一属性或者同一物质的不同属性随温度变化的函数关系不会相同因而其它的温标就会出现非线性的函数关系。1．1．3、理想气体温标定容气体温度计是利用其测温泡内气体压强的大小来标志温度的高低的。T(P)=P是比例系数对水的三相点有T=P=273.16KP是273.16K时定容测温泡内气体的压强。于是T(P)=273.16K(1)同样对于定压气体温度计有T(V)=273.16K(2)是273.16K时定压测温泡内气体的体积。用不同温度计测量同一物体的温度除固定点外其值并不相等。对于气体温度计也有。但是当测温泡内气体的压强趋于零时所有气体温度计无论用什么气体无论是定容式的还是定压式的所测温度值的差别消失而趋于一个共同的极限值这个极限值就是理想气体温标的值单位为K定义式为T=T(V)=T(P)=273.16K=273.16K(3)1．1．4、热力学温标理想气体温标虽与气体个性无关但它依赖于气体共性即理想气体的性质。利用气体温度计通过实验与外推相结合的方法可以实现理想气体温标。但其测温范围有限(1K～1000℃)T＜1K气体早都已液化理想气体温标也就失去意义。国际上规定热力学温标为基本温标它完全不依赖于任何测温物质的性质能在整个测温范围内采用具有“绝对”的意义有时称它为绝对温度。在理想气体温标适用的范围内热力学温标与理想气体温标是一致的因而可以不去区分它们统一用T(K)表示。国际上还规定摄氏温标由热力学温标导出。其关系式是：t=T-273.15(4)这样新摄氏温标也与测温物质性质无关能在整个测温范围内使用。目前已达到的最低温度为510K但是绝对零度是不可能达到的。例1、定义温标t与测温参量X之间的关系式为t=ln(kX)k为常数试求：(1)设X为定容稀薄气体的压强并假定水的三相点试确定t与热力学温标之间的关系。(2)在温标t中冰点和汽点各为多少度；(3)在温标t中是否存在零度？解：(1)设在水三相点时X之值是则有273．16=In(kX)将K值代入温标t定义式有(2)热力学温标可采用理想气体温标定义式X是定容气体温度计测温泡中稀薄气体压强。故有(3)因测温物质是定容稀薄气体故满足X→0的要求因而(2)式可写成(4)这是温标与温标T之间关系式。(2)在热力学温标中冰点汽点。在温标中其值分别为(3)在温标中是否存在零度？令=0有低于1K任何气体都早已液化了这种温标中=0的温度是没有物理意义的。§1-2气体实验定律1．2．1、玻意耳定律一定质量的气体当温度保持不变时它的压强和体积的乘积是一个常数式中常数C由气体的种类、质量和温度决定。PV贮气筒b图1-2-1抽气与打气问题的讨论。简单抽气机的构造由图1-2-1示意它由一个活塞和两个阀门组成。当活塞向上提升时a阀门打开贮气筒与抽气机相通气体膨胀减压此时b阀