热力学

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热力学的基础是分子运动理论。它认为:(1)物质是由大量的、微小的分子组成,一般分子质量的数量级为10^(-26) kg;2)分子的直径是10^-10m; 分子间有间隙,(3)分子总是永不停息地做无规则的运动,(4)分子间同时存在相互作用的引力和斥力。

分子间的引力与斥力的总和,称为分子力。它是由组成分子的带电粒子(质子和电子)的相互作用和运动引起的,因此,分子力实际上是电磁力。

由于分子间的间隙大小不同,分子力的大小各异,物质就有了气态、液态、固态三种形式。

由于分子在运动,它自然就有动能。大量分子的平均动能反映了分子运动的激烈程度,体现为温度。温度越高,分子运动越激烈,平均动能越大。衡量温度有三种温标:摄氏度(百分度)、华氏度、开氏温度(绝对温度)。

由于分子间的引力和斥力,它们也具有由相对位置决定的势能;分子的势能跟物质的体积和形态有关。物体内部所有分子的动能和势能的总和,叫做物体的内能(热能);它由温度、体积、摩尔数决定。

改变物体的内能有两种方式。一是作功;物体对外作功时,内能转化为其它形式的能;外界对物体作功时,其他形式的能将转化为内能。二是热传递;内能由温度高的物体转移到另一个温度低的物体或者由物体温度高的一部分转移到温度低的另一部分。

热传递又分三种方式。一是热传导;热能沿着物体传递,而物体本身不移动。二是对流;靠液体或气体的流动来传热。三是辐射;由物体沿直线向外射出热。

在热传递过程中,所传递能量的多少称为热量;它是物体内能的改变量,只有在热传递时才有意义。热量的单位,与功或能的单位相同,都是焦耳。

衡量物体的热量有以下概念:

1)相当于单位热量的功的数值,叫做热功当量。1卡热量等于4.2焦耳的功。

2 燃料燃烧时,其化学能转变为内能。1千克燃料完全燃烧所放出的热量,叫做这种燃料的燃烧值。

3)比热:单位质量的物质温度升高(或降低)1度所吸收(或放出)的热量,叫做这种物质的比热。它由物体本身的性质决定;每种物质都有自己的比热,而物态不同,比热也不同。

 

描述热传递有热平衡方程:如果与外界没有热传递,那么在参与变化的物体中,温度高的物体所放出的热量,一定等于温度低的物体所吸收的热量。这正是能量守恒定律的体现。有外界参与时,我们有热力学第一定律:如果外界既向物体传热,又向物体做功,则物体内能的增加量就等于物体吸收的热量与外界对物体所作的功之和。

牛顿冷却定律描述了物体温度变化的规律:物体温度的改变量与物体温度同环境温度的差值成正比。

热的度量表现是温度,其形态表现即是气,所谓“热气冲天”是也。热力学也研究气体的温度、体积、压强之间的关系。气体的压强是容器壁上单位面积所受到的压力,单位是N/m^2,即Pascal。对于一定质量的气体,如果这三个量都不变,就说气体处于一定的状态;如果有一个量发生改变,其它两个之一必定要变。

当温度不变时,压强与体积成反比;当体积不变时,压强与温度成正比;当压强不变时,温度与体积成正比。遵守这三个定律的气体叫做理想气体(实际上并不存在,只是一个近似模型)。理想气体的状态方程可以表示为:Vp/T = 常量,其中,V,p,T分别是体积、压强、温度。

有了热力学的理论,我们才能更好地利用热能,为改进设计有一个量的依据,也能明白永动机的不可能。

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