青岛科技大学 大学物理讲义
青岛科技大学 大学物理讲义
从宏观上看,热学研究物体的 宏观热现象,与温度有
关的物态的物理性质的变化。由观察和实验来总结热
现象的规律，得出热现象的宏观理论，这部分称为热
力学。
一 热力学 (thermodynamics)的研究对象与研究方法
物态 (state of matter)：物质存在的物理状态
物质主要存在三种基本物理状态,固态、液态
和气态
热学是研究一切物态的热现象的学科，我们这里 主
要研究气态,但有时也会牵涉到固态和液态。
热力学利用宏观上可观测的物理量，如：
来研究热现象的规律。
TVp,,
青岛科技大学 大学物理讲义
单个分子 的运动是无序的，具有偶然性，遵循力学规
律。但 整体 （大量分子）服从统计规律 。
气体动理论利用不可直接测量的、描述个别分子运动
状态的微观量，如 等，来研究热现象的规律。vv
从微观上看,热学主要研究 宏观热现象的本质,即宏
观热现象的微观解释,构成宏观物体的大量微观粒子
的永不休止的无规运动的统计规律，这部分称为气体
动理论，也称为统计物理学。
宏 观量微 观量 统计平均
青岛科技大学 大学物理讲义
热力学 （宏观研究方法）与气体动理论（微观研究方
法）比较：
宏观研究方法
1） 具有可靠性； 2） 知其然而不知其所以然； 3）
应用宏观参量 。
微观研究方法
1） 揭示宏观现象的本质； 2） 有局限性，与实际
有偏差，不可任意推广,
两种方法的关系
气体动理论热力学 相辅相成
青岛科技大学 大学物理讲义
二 气体的宏观物态参量
用什么物理量来描述一个热力学系统？
一个热力学系统，如果没有外界因素的影响，
当这个系统经过足够长的时间以后，将会达到一个
稳定的、宏观性质不随时间变化的状态，这一状态
称为平衡态,（理想状态）
从微观上看，组成气体的分子的运动状态时刻
都在变化，所以，热力学系统的平衡态是一种动态
平衡。
一个热力学系统的平衡态一般需要几何参量、力
学参量、化学参量、电磁参量和热学参量来描述。对
理想气体，需要：
青岛科技大学 大学物理讲义
1 气体压强 (Pressure) p：作用于容器壁上单位面积
的正压力（ 力学描述 ）。
国际单位,2mN1Pa1 ???
2 体积 (Volume)V：气体所能达到的最大空间（ 几
何描述 ）。
3333 dm10L10m1 ??单位：
51 a t m 1, 0 1 3 1 0 P a??
标准大气压,纬度海平面处,时的大气压,?45 C0?
3 温度 (Temperature)T：气体冷热程度的量度（ 热
学描述 ）。
tT ?? 15.273
热力学温标 (temperature scale)
单位,开尔文 (Kelvin)K
青岛科技大学 大学物理讲义
三 理想气体 (ideal gas)物态方程 (equation of state)
理想气体宏观定义,遵守三个实验定律的气体,
玻意耳 (Boyle)定律
查理 (Charles)定律
盖 — 吕萨克 (Gay-Lussac)定律
pV c?T不变时
/p T c?V不变时
/V T c?p不变时
记忆方法
B C G??
T V p??
物态方程,描述 物质存在的物理状态所需的参量之间
的函数关系。如 理想气体平衡态宏观参量间的函数关
系 ? ?,T f p V?
青岛科技大学 大学物理讲义
11 Km o lJ31.8 ?? ???R摩尔 (mole)气体常量
一定质量的
同种气体
理想气体物
态方程
1 1 2 2
12
p V p V
TT
?
mp V R T R T
M
???
1 mol气体的分子数为 Avogadro 常数
236.0 22 10AN ??( 个分子 /mol )
对于理想气体
青岛科技大学 大学物理讲义
p V R T?? 如何计算？R
m olpVpV
TT
?? s s m ol
s
pV
T
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s s m o l
s
pVR
T
??
531, 0 1 3 1 0 2 2, 4 1 0
2 7 3, 1 5
?? ? ?
?
8,3 0 7? 11( J m o8,l K )31 ?????
标准状态,51 a t m 1, 0 1 3 1 0 P a?? 2 7 3, 1 5 KT ?
1 mol气体的体积
232 2, 4 L 2, 2 4 1 0 mV ?? ? ?
o( 0 )C
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五 准静态过程 (quasi-static process)（理想化的过程）
准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过
的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程,
气体
活塞
砂子 ),,( 111 TVp
),,( 222 TVp
1V 2V
1p
2p
p
Vo
1
2
青岛科技大学 大学物理讲义
六 功 (work)（过程量）
准静态过程功的计算
lpSlFW ddd ??
VpW dd ?
?? 21 dVV VpW
注意,作功与过程有关,
宏观运动能量 热运动能量
功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状
态的变化,
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21VV?
21VV?
21VV?
?? 21 dVV VpW
0W ? 气体对外界作功
0W ? 气体对外界不作功
0W ? 外界对气体作正功，气体对外界作负功
注意
气体对外界作功 0W ?
外界对气体作功 0W ?
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1T
2T
21 TT ?
七 热量 (heat)（过程量）
通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间
存在温差而发生的能量传递,
1）过程量：与过程有关；
2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；
宏观运动 分子热运动功
分子热运动分子热运动 热量
Q
3）功与热量的物理本质不同,
1卡 (calorie) = 4.18 J, 1 J = 0.24 卡
功与热量的异同
吸热 0Q ?
放热 0Q ?
规定
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作机械功改变系统
状态的焦耳实验
A
V
作电功改变系统
状态的实验
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八 热力学第一定律
我们可以通过作功、传热等方式，把外界的能
量传给气体。如果外界对气体作正功，同时气体又
吸收热量，根据能量守恒定律，气体的能量必然增
加。
从宏观上看，气体增加的能量表现在哪里呢？
气体变热了，温度升高了！
从微观上看，气体增加的能量又表现在哪里呢？
气体分子运动的机械能！
气体分子运动的动能与分子之间的势能、分子内
部原子振动的动能与原子间的势能，总称为气体的 内
能 (internal energy) 。
青岛科技大学 大学物理讲义
以后我们可以证明：
理想气体的内能 仅是温度的函数。
系统内能为表征系统状态的单值函数，它的增
量只与系统起始和终了状态有关，与系统所经历的
过程无关。
()E E T?
由能量守恒定律：系统吸收的热量 Q
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实验证明系统从 A 状态变化到 B 状态，可以采用
做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态
确定，外界做功和传给系统的热量之和保持不变,
2
A
B
1*
*
p
Vo
2
A
B
1*
*
p
Vo
1 1 2 2''A B A B A B A BW Q W Q? ? ?
1 2 1 2'0A B A A B AWQ ??d ( ) 0WQ? ? ???
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系统内能的增量只与系统起始和终了状态有
关，与系统所经历的过程无关,
理想气体内能, 表征系统状态的单值函数,
理想气体的内能仅是温度的函数,
2
A
B
1*
*
p
Vo
2
A
B
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*
p
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ABEC?? 12 0A B AE??
()E E T?
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九 热力学第一定律
WEEQ ??? 12
系统 从外界吸收的热量,
一部分使系统的内能增加,另
一部分使系统 对外界 做功,
???? 21 dVV VpEQ准静态过程
VpEWEQ ddddd ????微小过程
1
2
*
*
p
Vo 1V 2V
WEWEEQ ?????? 12
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1） 能量转换和守恒定律。第一类永动机 (perpetual
motion machine)－－不消耗内能，不需外界传递热量
而对外作功－－是不可能制成的。
2） 实验经验总结，自然界的普遍规律。
WEWEEQ ?????? 12
+
12 EE ?
系统吸热
系统放热
内能增加
内能减少
系统对外界做功
外界对系统做功
第一定律的符号规定
Q W
物理意义
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从宏观上看,热学研究物体的 宏观热现象,与温度有
关的物态的物理性质的变化。由观察和实验来总结热
现象的规律，得出热现象的宏观理论，这部分称为热
力学。
一 热力学 (thermodynamics)的研究对象与研究方法
物态 (state of matter)：物质存在的物理状态
物质主要存在三种基本物理状态,固态、液态
和气态
热学是研究一切物态的热现象的学科，我们这里 主
要研究气态,但有时也会牵涉到固态和液态。
热力学利用宏观上可观测的物理量，如：
来研究热现象的规律。
TVp,,
青岛科技大学 大学物理讲义
单个分子 的运动是无序的，具有偶然性，遵循力学规
律。但 整体 （大量分子）服从统计规律 。
气体动理论利用不可直接测量的、描述个别分子运动
状态的微观量，如 等，来研究热现象的规律。vv
从微观上看,热学主要研究 宏观热现象的本质,即宏
观热现象的微观解释,构成宏观物体的大量微观粒子
的永不休止的无规运动的统计规律，这部分称为气体
动理论，也称为统计物理学。
宏 观量微 观量 统计平均
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热力学 （宏观研究方法）与气体动理论（微观研究方
法）比较：
宏观研究方法
1） 具有可靠性； 2） 知其然而不知其所以然； 3）
应用宏观参量 。
微观研究方法
1） 揭示宏观现象的本质； 2） 有局限性，与实际
有偏差，不可任意推广,
两种方法的关系
气体动理论热力学 相辅相成
青岛科技大学 大学物理讲义
二 气体的宏观物态参量
用什么物理量来描述一个热力学系统？
一个热力学系统，如果没有外界因素的影响，
当这个系统经过足够长的时间以后，将会达到一个
稳定的、宏观性质不随时间变化的状态，这一状态
称为平衡态,（理想状态）
从微观上看，组成气体的分子的运动状态时刻
都在变化，所以，热力学系统的平衡态是一种动态
平衡。
一个热力学系统的平衡态一般需要几何参量、力
学参量、化学参量、电磁参量和热学参量来描述。对
理想气体，需要：
青岛科技大学 大学物理讲义
1 气体压强 (Pressure) p：作用于容器壁上单位面积
的正压力（ 力学描述 ）。
国际单位,2mN1Pa1 ???
2 体积 (Volume)V：气体所能达到的最大空间（ 几
何描述 ）。
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3 温度 (Temperature)T：气体冷热程度的量度（ 热
学描述 ）。
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热力学温标 (temperature scale)
单位,开尔文 (Kelvin)K
青岛科技大学 大学物理讲义
三 理想气体 (ideal gas)物态方程 (equation of state)
理想气体宏观定义,遵守三个实验定律的气体,
玻意耳 (Boyle)定律
查理 (Charles)定律
盖 — 吕萨克 (Gay-Lussac)定律
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记忆方法
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物态方程,描述 物质存在的物理状态所需的参量之间
的函数关系。如 理想气体平衡态宏观参量间的函数关
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青岛科技大学 大学物理讲义
11 Km o lJ31.8 ?? ???R摩尔 (mole)气体常量
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理想气体物
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1 mol气体的分子数为 Avogadro 常数
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青岛科技大学 大学物理讲义
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1 mol气体的体积
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青岛科技大学 大学物理讲义
五 准静态过程 (quasi-static process)（理想化的过程）
准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经过
的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程,
气体
活塞
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),,( 222 TVp
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六 功 (work)（过程量）
准静态过程功的计算
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注意,作功与过程有关,
宏观运动能量 热运动能量
功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动状
态的变化,
青岛科技大学 大学物理讲义
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0W ? 气体对外界作功
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注意
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外界对气体作功 0W ?
青岛科技大学 大学物理讲义
1T
2T
21 TT ?
七 热量 (heat)（过程量）
通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间
存在温差而发生的能量传递,
1）过程量：与过程有关；
2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；
宏观运动 分子热运动功
分子热运动分子热运动 热量
Q
3）功与热量的物理本质不同,
1卡 (calorie) = 4.18 J, 1 J = 0.24 卡
功与热量的异同
吸热 0Q ?
放热 0Q ?
规定
青岛科技大学 大学物理讲义
作机械功改变系统
状态的焦耳实验
A
V
作电功改变系统
状态的实验
青岛科技大学 大学物理讲义
八 热力学第一定律
我们可以通过作功、传热等方式，把外界的能
量传给气体。如果外界对气体作正功，同时气体又
吸收热量，根据能量守恒定律，气体的能量必然增
加。
从宏观上看，气体增加的能量表现在哪里呢？
气体变热了，温度升高了！
从微观上看，气体增加的能量又表现在哪里呢？
气体分子运动的机械能！
气体分子运动的动能与分子之间的势能、分子内
部原子振动的动能与原子间的势能，总称为气体的 内
能 (internal energy) 。
青岛科技大学 大学物理讲义
以后我们可以证明：
理想气体的内能 仅是温度的函数。
系统内能为表征系统状态的单值函数，它的增
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过程无关。
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由能量守恒定律：系统吸收的热量 Q
青岛科技大学 大学物理讲义
实验证明系统从 A 状态变化到 B 状态，可以采用
做功和传热的方法，不管经过什么过程，只要始末状态
确定，外界做功和传给系统的热量之和保持不变,
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A
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青岛科技大学 大学物理讲义
系统内能的增量只与系统起始和终了状态有
关，与系统所经历的过程无关,
理想气体内能, 表征系统状态的单值函数,
理想气体的内能仅是温度的函数,
2
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青岛科技大学 大学物理讲义
九 热力学第一定律
WEEQ ??? 12
系统 从外界吸收的热量,
一部分使系统的内能增加,另
一部分使系统 对外界 做功,
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1
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青岛科技大学 大学物理讲义
1） 能量转换和守恒定律。第一类永动机 (perpetual
motion machine)－－不消耗内能，不需外界传递热量
而对外作功－－是不可能制成的。
2） 实验经验总结，自然界的普遍规律。
WEWEEQ ?????? 12
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系统吸热
系统放热
内能增加
内能减少
系统对外界做功
外界对系统做功
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物理意义
