热学第一章 温度

第一章温度§1.1 平衡态状态参量

§1.2 温度

12

§1.3 理想气体的状态方程

§1.1 平衡态状态参量

11

z系统与外界

1.热力学系统（简称系统）：

不考虑物体内部的微观结构而把宏观物体看作有明确边界的连续介质系统，称为热力学系统。

在给定范围内，由大量微观粒子所组成的宏观客体。

2.系统的外界（简称外界）：

系统边界以外所有对所研究的热力学系统发生

相互作用的其它物体。

热力学系统：在研究物理现象时，人们通常

只注意某物体或物体系，并想像地把它同周只注意某一物体或物体系，并想像地把它同周

围的物体隔离开来。在热学中，把这一确定为

研究对象的物体或物体系叫做热力学系统。简研究对象的物体或物体系叫做热力学系统简称系统。

外界：在系统边界外部，与系统发生相互作用，从而对系统的状态直接产生影响的物质叫用从而对系统的状态直接产生影响的物质叫做系统的外界。

根据对系统与外界相互关系的不同，可对系统进行分类：

统进行分类

孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统。封闭系统：与外界不交换物质但可交换能量的系统。开放系统：与外界既交换物质又交换能量的系统。

开放系统封闭系统孤立系统

外界有能

和和外界有能和外界无

量物质交换:量交换,无能量物质

水壶加热物质交换：

交换

气缸加热

z热力学平衡态

系统状态：由物体的宏观性质所确定的系统宏观状态。热力学参量：和系统状态有关的宏观物理量，又称为热力学坐标，如P、V、T等。热力学参量之间

的相互依赖关系组成状态参量图。

系统的宏观状态决定于其状态参量。

一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变化且有确定值，就说这个系统处于热力学平衡态。

平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况。

热学研究一种特殊的宏观状态：平衡态

热学研究种特殊的宏观状态平衡态

平衡态：孤立系统最终达到的

所有宏观性质都不随

时间变化的状态。

平衡条件

（1）力学平衡（除为固定容器外，内外压强差为零）

（2）热平衡（除为绝热壁外，内外温差为零）

）热平衡（除为绝热壁外内外温差为零）（3）化学平衡（内部化学成分不变）

例一气体自由膨胀

平衡条件

（1）力学平衡

（2）热平衡

（3）化学平衡

非平衡态

(非力学平衡)

力学平衡条件

例二扩散现象

平衡条件

(1）力学平衡

氧气氮气(2）热平衡(3）化学平衡

氧气氮气非平衡态

化学平衡条件

在无外场作用下系统各部平衡态分的化学组成处处相同。

例三热传导

T 1

T 2

金属棒处于非平衡态: 有温度梯度平衡条件

热学平衡条件(1) 力学平衡

(2)系统内部的温度处处相等(2)

热平衡(3) 化学平衡我们把系统与外界存在能量与物质交换的情况下，物体各处宏观状态均不随时间变化的状态称为稳恒态，也称稳态或定（常）态。

平衡态与稳恒态的区别，稳恒态不随时

间变化，但由于有外界的影响，故在系统

注意内部存在能量流或粒子流。稳恒态是非平

衡态。对平衡态的理解应将“无外界影响”

与“不随时间变化”同时考虑，缺一不可。金属杆就是一个热力学系统。思考题1：金属杆是否根据平衡态的定义，虽然杆上各点的温度将不随时间而

杆

处于平衡态？改变，但是杆与外界（冰、沸水）仍有能量的交换。一

个与外界不断地有能量交换

的热力学系统所处的状态金属杆的热力学系统所处的状态，显然不是平衡态而是稳定态。100 o c

热力学平衡的条件

?热学平衡条件：系统内部温度处处相等?无热流

?力学平衡条件：系统内部压强处处相等?无宏观定向粒子流。（并非不受外力作用，而是系统内部、系统与外界之间处于平衡，也并非所有微观粒子固定不动)与外界之间处于平衡也并非所有微观粒子固定不动?化学平衡条件：系统内部的化学组成处处相同?无化

学扩散=宏观粒子流动。

?相平衡条件：系统内部各相物质达到稳定。

只有在外界条件不变的情况下，系统同时满足上述条件才能处于平衡态。也只有处于平衡态的系统，才可件才能处于平衡态也只有处于平衡态的系统才可以用不含时间的宏观物理量（热力学参量）来描述它。

平衡态是一种理想情况，或称为近似情况。因为实际上绝对的孤立系统并不存在，也无法做到宏观性质随时间绝对不变。

平衡态下，虽然宏观性质不随时间改变，但微观上组成系统的微观粒子仍处于不停的无规运动之中，只是它们的统计平均效果不随时间变化，因此热力学平衡态是一种动态平衡，称之为热动平衡。

相对是绝对的，而绝对是相对的

z状态参量——平衡态的描述

z状态参量:用来完全确定地描述系统平衡态的

相互独立的宏观物理量。

常用的状态参量有四类：

几何参量-几何性质（如：气体体积）

力学参量-力学性质（如：气体压强）

化学参量-化学成分（如：混合气体各化学组分的质量和摩尔数等）

电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁

化强度等）

注意：如果在所研究的问题中既不涉及电磁性质又无须考虑与化学成分有关的性质，系统中又不发生化学反应，则不必引入电磁参量和化学参量。此时只需体积和压强就可确定系统的平衡态，我们称这种系统为简单系统（或PV 系统）。

→状态参量确定系统状态确定宏观性质确定→态函数：系统状态参量的函数，只对应系统的状态，与变化的过程无关

§1.2 温度12

温度：

冷热的程度

A

热平衡

将两个分别处于平衡态的系绝热板

统A 和B 用一刚性隔板分隔开。若隔板为“绝热板”（如图(a)

），(a)

B

则A ，B 两系统的状态可独立地变化而互不影响。厚木板，石棉板等都可视为绝热板。导热板(b)

?若隔板为“导热板”（如图(b)），则A,B两系统状态不能独立地改变, 一个系统状态的变化会引起另一系统状态的变化,金属板即为导热板。?两个系统通过导热板的相互作用叫热接触。

?

通过导热板进行热接触的两个系统组成一复合

系统，当复合系统达到平衡态时，我们就说两

个系统处于热平衡。

热力学第零定律：

与第三个系统处

于热平衡的两个系统一定处于热系统定处于热

平衡

温度相等是两个系统

处于热平衡的充分必

要条件

z 如果两个系统分别与处于确定状态的第热力学第零定律

z 三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。

z 温度

有某种共同的宏观性质，我们将这种决定 互为热平衡的几个热力学系统，必然具

系统热平衡的宏观性质定义为温度。

温度是状态的函数，在实质上反映了组成系统大量微观粒子无规则运动的激烈程度。实验表明，将几个达到热平衡状态的系统分开之后，并不会改变每个系统的热平衡状态。这说明，热接触只是为热平衡的建立创造条件，每个系统热平衡时的温度仅决定于系统内部大量微观粒子无规运动的状态。

温度是热学中特有的物理量，它决定系统 温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与其他系统处于热平衡。温度相同是系统处于热平衡的充分必要条件。

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水热法合成二氧化钛及研究进展 摘要：水热法合成了不同晶型、形貌、大小和研定形貌的二氧化钛。究了pH值、水热反应温度和水热反应时间对纳米二氧化钛晶型、形貌和晶粒尺寸的影响，对TiO2晶形影响光催化活性的原因进行了探讨。同时从二氧化钛水解制氢、废水处理、空气净化、抗菌、除臭方面介绍了纳米二氧化钛在环境治理方面的应用和发展趋势，并对纳米二氧化钛的制备方法与应用作出展望。 关键词：二氧化钛；晶型；水热法；光催化；制备；应用 纳米二氧化钛(TiO2)具有比表面积大、磁性强、光吸收性好、表面活性大、热导性好、分散性好等性能。纳米TiO2是一种重要的无机功能材料, 可应用于随角异色涂料、屏蔽紫外线、光电转换、光催化等领域，在光催化领域环境治理方面具有举足轻重的地位，可应用在环保中的各个领域，它在环境污染治理中将日益受到人们的重视，具有广阔的应用前景，因此制备高光催化性能的纳米TiO2，拓展纳米二氧化钛的应用也是学者研究的重点。水热法合成纳米TiO2粉体具有晶粒发育完整、粒径分布均匀、不需作高温煅烧处理、颗粒团聚程度较轻的特点。 1.TiO2的制备方法、材料的性能 1.1不同晶型纳米二氧化钛的水热合成 1.1.1实验方法 边搅拌边将2mol·L- 1的四氯化钛水溶液缓慢滴加到115mol·L- 1的氢氧化钠水溶液中，保持30℃反应，生成纳米TiO2前驱体，反应终点的pH值分别控制为110、310、510、810、1110、1210。把纳米TiO2前驱体装入内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中进行水热反应，120℃～200℃反应1h～48h，反应结束后，冷却至室温，产物经过滤和蒸馏水洗至滤液中无Cl-，在100℃下鼓风干燥10h，粉碎后得到不同结构的纳米TiO2 粉体。选择不同的特征峰(金红石型选110面、锐钛矿型选101面，板钛矿型选121面)，根据特征衍射峰的半高宽，利用Scherrer 公式展宽法估算出其晶粒尺寸。 1.1.2研究与开发 1.1. 2.1pH值对纳米TiO2晶型和形貌的影响 在水热反应温度为200 ℃和水热反应时间24 h的条件下。当pH = 1.0时，产

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水热法制备纳米氧化锌及其光催化性质的研究 纳米氧化锌因其很小的微粒尺寸，其比表面积较一般氧化锌粒子要大很多，具有其块状物料没有的表面与界面效应，小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应等。使其在很多领域都有非常重要的应用价值。本文通过水热法加入不同配比和不同类别的表面活性剂和掺杂钠钾离子，和对反应体系的某些条件来控制合成纳米氧化锌的微观形貌，并且对改变条件和表面活性剂的不同的纳米氧化锌对次甲基蓝的水溶液的光催化活性进行了初步的研究和探讨。在实验中我们发现，添加不同表面活性剂、掺杂有不同金属离子的纳米氧化锌的光催化的活性不同。 本文主要内容如下：首先简单介绍了纳米材料及纳米氧化锌的性能，制备，应用和表征的手段，并且对表面活性剂的类别和应用做了概述。 二、以尿素、乙酸锌、草酸钠和草酸钾为原料，用水热法通过改变不同的焙烧温度制备纳米氧化锌。所得的样品使用X射线粉末衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电镜（HRTEM）、透射电子显微镜（TEM）对其进行了表征，得出结果，掺杂不同主族金属钠、钾离子的纳米氧化锌其形貌和粒径分布大不相同。其中，焙烧温度为600℃制备的掺杂有金属钠、钾离子的纳米氧化锌具有较小的粒径和分散性。 三、以尿素和乙酸锌为原料，通过水热法成功制备了只添加单一表面活性剂SDS(十二烷基硫酸钠)，非离子表面活性剂：PEG6000（聚乙二醇6000）表面改性的纳米氧化锌和通过添加比例不同的两种表面活性剂表面改性的纳米氧化锌。发现使用不同比例以及不同种类的表面活性剂合成的纳米氧化锌具有不同的形貌和粒径，并用XRD、FT-IR、SEM、TEM、HRTEM对产品进行了表征。根据其表征结果发现，应用不同种类和不同配比的表面活性剂合成的纳米氧化锌对产品的尺寸和形貌有较大的影响。 四、自制的上述纳米氧化锌对水溶性有机染料次甲基蓝作为模拟污染物的水溶液进行了光的催化降解实验，并根据实验结果探讨了制备的纳米氧化锌的结构和形貌对其光催化活性的影响。其中，掺杂有钠或钾金属离子的纳米氧化锌600℃焙烧的样品比在400℃和800℃焙烧的样品的光催化活性更好。通过加入不同种类和配比的表面活性剂制备的纳米氧化锌的所有产品中，加入PEG6000和SDS(十二烷基硫酸钠)比例为1:3的光催化性能最好。通过实验数据发现光催化活性是与产品的形貌，粒子的尺寸大小等多种因素有关。

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水热法制备纳米氧化铈粉体 摘要：CeO2是一种价廉且用途极广的工业材料，具有广阔的市场应用前景。近年来，氧化铈纳米材料的形貌、尺寸控制以及性能应用方面已成为研究的热点之一。本论文对氧化铈进行结构、形貌以及光学性能的表征，分析了固相法，液相法，气象法制备纳米材料的优缺点并采用水热法制备出氧化铈纳米材料。 关键词：纳米CeO2；水热法；制备方法 Hydrothermal synthesis ，Preparation of nano-sized CeO2 particles Abstract：Ceria is a cheap and widely used industry material, which has a broad market applied prospect. In this paper, the preparation, characterization and optical properties of as ceria nanomaterials have been studied，the advantage and disadvantage of solid method ，liquid method and gas method have been contrasted and ceria nanomaterials were prepared by hydrothermal method. Keyword：nanometer CeO2；Hydrothermal synthesis；preparation method 随着纳米技术的不断进步，纳米CeO2由于粒径比较小，具有高的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等特性，因此产生了与传统材料不同的许多特殊性质，成为近年来材料科学中研究的热点。CeO2作为稀土家族中一种重要的化合物,可用于汽车尾气净化催化材料[1]、高温氧敏材料[2]、固体氧化物燃料电池(SOFC)电极材料[3][4]、化学机械抛光(CMP)研磨材料[5]等行业，对人类改善工作条件、提高生活质量、保障身体健康,节约能源、加强环境保护具有重要的现实意义,并具有显著的经济效益和社会效益。 1 氧化铈纳米材料概述 1.1 氧化铈的结构和性质 由于Ce具有独特的4f 层电子结构，氧化铈属于立方晶系，是面心立方结构，具有萤石结构。所属点群为Fm3m点群。从热动力学方面讲，其（111）面是最稳定的。CeO2晶胞中的Ce4+ 按面心立方阵排列，O2-占据所有的四面体位置，每个Ce4+被8个O2-包围，而每个O2-则与4个Ce4+配位，如下图所示。氧化铈经高温(T>950°C)还原后，CeO2转化为具有氧空位、非化学计量比的CeO2-x 氧化物(0