物理学之热学基础.ppt

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1、第一章热学基础§1-1宏观与微观描述§1-2热力学系统的平衡态§1-3温度与温标§1-4物态方程§1-5物质的微观理论§1-6理想气体微观描述初级理论§1-7分子间作用力势能与真实气体物态方程戴维§1.1宏观与微观描述一、何谓热学？热学：研究有关物质的热运动及与热相联系各种规律科学，经典物理四大柱石之一。？热物理学的研究对象：由数量很大的微观粒子所组成的系统。？热运动的特点：①大量的粒子整体而言，有确定的规律性;②区别其它一切运动，一种独立运动形式。二、宏观与微观描述方法（A）热力学：热学的宏观理论。不涉及物质的

2、微观结构，以经验规律为基础，从观察和实验总结出的普适基本定律出发，通过严密逻辑推理方法研究宏观物体的热性质。宏观（macroscopic）现象:针对空间线度大于10–6—10–4cm，由大量微观粒子组成的系统整体以及场在大范围内所表现的现象。微观（microscopic）现象:针对空间线度小于10–7—10–6cm的粒子和场在极其微小的空间范围内所发生的现象。局限：（1）只适用于粒子数很多的宏观系统；（B）统计物理：热学的微观理论。从物质内部的微观结构出发，即从组成物质的分子、原子的运动及其间的相互作用出发，依据

3、每个粒子所遵循的力学规律，用统计的方法阐述宏观物体的热的性质。（3）把物质看作连续体，不考虑物质的微观结构。（2）主要研究物质在平衡态下性质；（1）最初认识：当作自然界的一个独立的要素，或是物质运动的表现形式。（2）十七世纪认为：热是一种特殊运动，实质是物体内部微粒的运动。热运动学说缺乏实验根据，未形成科学理论。（3）十八世纪系统计温学和量热学：建立使热现象的研究走上了实验科学的道路伦福德和戴维对热质说的反驳三、热学发展简史（6）能量子使经典统计物理推向量子统计物理热容量理论和黑体辐射能谱分布规律（7）非平衡态热

4、力学和统计物理的迅速发展普利高津创立的耗散结构理论（5）分子动理论和统计力学的飞跃发展（4）热力学第一、第二、第三定律的发现。焦耳的热功当量实验卡诺理想热机效率开尔文和克劳修斯表述能斯脱低温现象描述麦克斯韦速度分布玻尔兹曼重力场分布吉布斯《统计力学基本原理》§1.2热力学系统的平衡态一、热力学系统系统（system）：所研究对象的物体或物体系。外界（surroundings）：系统以外部分与系统状态及其变化直接有关一切。二、热力学与力学的区别①研究方法不同：热力学不仅考虑外部表现，还注重内部状态。②目的不同：经典

5、力学的目的：在于找出与牛顿定律相一致。存在于各力学坐标之间的关系热力学的目的：在于求出与热力学各个基本定律相一致的、存在于各热力学参量之间的关系。三、平衡态与非平衡态平衡态满足条件：①不受外界条件的影响，在外界条件一定情况下，系统与外界没有能量交换，不存在热流、粒子流;②系统内部各处均匀一致;③系统的宏观性质不随时间变化。?热流:由系统内部温度不均匀而产生。?粒子流,有两种：一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子流。如：自由膨胀一种不存在定向运动所导致粒子宏观迁移。如：扩散。平衡态与非平衡态的判别标准：是否存

6、在热流与粒子流。?定态（稳态）：在有热流或粒子流情况下，各处宏观状态不随时间变化的状态。平衡态总是近似、有条件的。.........................终了.........................扩散隔板.........................开始自由膨胀(Freeexpansion)四、热力学平衡微观运动平均效果的不变性，在宏观上表现为系统的平衡。因此，与热现象有关的一切平衡都是动态平衡。热力学平衡条件：(1)系统内部的温度处处相等（热学平衡）。(2)在无外场情况，系统各部分压强

7、处处相等(力学平衡)。(3)在无外场的情况下，系统各部分的化学组成处处相等(化学平衡)。只有在外界条件不变情况下，同时满足力学、热学、化学平衡条件的系统才不会存在热流与粒子流，才能处于平衡态。三个条件中有一个不满足，系统处于非平衡态。对于一定质量的气体，状态参量有：(1)几何参量：体积（V）;(2)力学参量：压强（P）;(3)热学参量：温度（T或t）;(4)化学参量：摩尔质量（Mmol）;(5)电磁参量：电场强度、磁感应强度、电极化强度、磁化强度。五、状态参量（Quantityofstate）处于平衡态的系统，可

8、用不含时间的热力学参量为坐标轴的状态图来描述。§1.3温度与温标一、温度（Temperature）：冷热程度；温度计读数在微观上，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的度量。在宏观上，温度是决定一系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。一切互为热平衡的系统都具有相同的温度值。二、热力学第零定律在不受外界影响的条件下，两个热力学系统分别与第三个热力学系统的同一热状态处