理论物理基础CHAPTER15

系统 物质交 换 能量交 换 孤立 封闭 开放
无
无
无
有
有
有
孤立系统：与环境不发生相互作用的系统。
此时既没有能量交换也物质交换，当然， 这种系统实际上并不存在，这是理论研究 中看做是孤立系。 系统称为封闭系。 系统称为封闭系。
一七五五年，兰勃特（Johann Heinrich Lambert） 院士才将热量与温度的概念加以区别和澄清。


一七八九年出生于美国后到德国而受封的伦福伯 爵（Count Rumford）在慕尼黑兵工厂监督大炮钻 孔，发现热是因摩擦而产生，因而断言，热不是 物质而是来自运动。

一七九九年英国化学家戴维（Sir Humphry Davy） 在维持冰点的真空容器中进行摩擦的实验，发现 即使是两块冰相互摩擦也有些冰熔化成水，所以 他认为摩擦引起物体微粒的振动，而这种振动就 是热。
爱因斯坦对热力学评价
热力学是一门最靠近真实的学科。是完全 建立在实验基础上的学科。 它们使用的是分析方法，而不是综合方法， 形成它们的基础和出发点的元素，不是用 假说构造出来的，而是在经验中发现得到 的。 热力学就是力图用分析方法，从永动机不 可能这一普遍经验得到的事实出发，推导 出一些为各个事件都必须满足的必要条件
宏观物理量
热力学基本定律归结为一条基本统计原 理，阐明其统计意义，可解释涨落； 借助微观模型，近似导出具体物性。 由上述可知，热力学与统计物理学的研究方法 虽然不同，但却起到了相辅相成的作用。
热力学的发展
热力学其主要基石如下：
热力学第零定律——如果两个热力学系统中的每一 个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)， 则它们彼此也必定处于热平衡。 热力学第一定律——能量守恒定律在热学形式的表 现。 热力学第二定律——力学能可全部转换成热能， 但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成 功 (热机不可得)。 热力学第三定律——绝对零度不可达到但可以无限 趋近。
李政道对统计物理学评价
统计力学是理论物理中最完美的科目之一，
因为它的假设是简单的，但它的应用却十 分广泛。 物理学的研究目的是探求自然界的基本原 理，这种基本原理是简单的，其数学表达 式也不一定复杂，但其应用的领域一定很 广泛，统计力学就具备这一特点。
热力学-统计物理的关联 热力学
以可测宏观物理量描述系统状态； 气体：压强、体积和温度
一七四○年左右，俄国圣彼得堡科学院院士克拉 夫特（Baron Richard von Krafft-Ebing）提出冷 水、热水混合的公式。


一七五○年由德国移民到圣彼得堡的理奇蒙 （Richmann）院士也做了一系列热量的研究，他将 不同温度的水混合，研究热量的损失，并改进克拉 夫特的公式。 此公式虽不正确，但他却指出混合 前后，热量要相等的概念。


1843年8月21日焦耳在英国科学协会数理组会议上宣 读了《论磁电的热效应及热的机械值》论文，强调 了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗 了机械能或电磁能，总在某些地方能得到相当的热。
焦耳花了将近四十年的时间来证明功转换成热时， 功和所产生热的比是一个恒定的值 ，即热功当量 。 他先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论： 热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。后来 公认值是427千克重· 米每千卡（可换算得每卡4.184 焦耳）。这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他 的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无 可置疑的证据。

统计物理学--从微观方面：考虑到热的本质 是大量微粒子的无规则运动，因而可以对微 粒子的运动及其相互作用进行研究，不过要 注意的是，微观量不是直接可测的，而且最 终也是要用宏观物理量来表示结果的，因此， 我们应设法建立起微观量与宏观物理量之间 的联系（即宏观物理量是相应的微观量的统 计平均值），这种从微观出发，通过统计方 法来研究热运动的理论，称为统计物理学。

热力学的发展
第一个阶段：十七世纪末到十九世纪中叶 实质上是热学的早期史，开始于十七世纪末到十 九世纪中叶，这个时期累积了大量的实验和观察， 并制造出蒸汽机，关于「热」的本质展开了研究 和争论，为热力学理论的建立做了准备。


另一类的人如虎克，认为热是物质各部分激烈的运 动，牛顿也认为热是粒子的运动。

德国物理学家亥姆霍兹 （1821～1894） 1847年，亥姆霍兹发表《论力的 守恒》，第一次系统地阐述了能 量守恒原理，从理论上把力学中 的能量守恒原理推广到热、光、 电、磁、化学反应等过程，揭示 其运动形式之间的统一性，它们 不仅可以相互转化，而且在量上 还有一种确定的关系。能量守恒 与转化使物理学达到空前的综合 与统一。 将能量守恒定律应用到热力学上， 就是热力学第一定律。
§1.1 热力学基本概念
1. 系统与外界
系统：是作为具体、直接的研究对象，从与 其他物体的相互作用中，人为划分出来的客观 物体，是由大数微观粒子组成的宏观物质。
外界：也称环境，是与系统发生相互作用的 其他物质 系统和环境的划分是相对的，是根据考虑问题 的需要或者方便来划分的
由于系统与环境的相互作用，使系统和环境 可以发生能量交换，或既能发生能量交换又 发生物质交换，因此将系统划分为三类
热力学的应用
主要包括：
引擎、涡轮机、压缩机、发电机、推 进器、燃烧系统、冷冻空调系统、能 源替代系统、生命支援系统及人工器 官等
热力学的由来
1、热运动
热运动是与机械、电磁等运动不同的一种运动，
它是构成宏观物体的大量微粒子（分子、原子 与电子等）的一种永不停息的无规则运动。 普通物理学中的热学与理论物理学的热力学 都是以热运动作为研究对象的，二者的区别在 于：前者着眼于有关热现象本身的研究，而后 者则更多地探讨与热现象有关的普遍规律，并 上升为系统的理论。
第二个阶段：十九世纪中到十九 世纪七○年代末
卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太阳系和宇 宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。 卡诺（1796.6.1-1832.8.24）法 国物理学家 卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛 应用的时代，他看到从国外进 口的尤其是英国制造的蒸汽机， 性能远远超过自己国家生产的， 便决心从事热机效率问题的研 究。他独辟蹊径，从理论的高 度上对热机的工作原理进行研 究。
封闭系：有能量交换，但没有物质交换的
开放系：既有能量交换，又有物质交换的
德国物理学家普朗克 (1858～1947) 是量子物理 学的开创者和奠基人，他早 期的研究领域主要是热力学， 他在能斯特研究的基础上， 利用统计理论指出：各种物 质的完美晶体在绝对零度时 熵为零。1911年普朗克也提 出了对热力学第三定律的表 述，即“与任何等温可逆过 程相联系的熵变，随着温度 的趋近于零而趋近于零

德国物理学家克劳修斯 （1822-1888） 克劳修斯是第一位把热力学第 一定律用数学形式表达出来的 人，接着又提出热力学第二定 律，一八五四年首次引入「熵」 的概念，一八六五年发现「熵 增加原理」，一八五一年第一 次运用统计概念导出气体的压 力公式，一八五八年又引进自 由程概念，导出了平均自由程 公式，一八七九年获英国皇家 学会的科普利奖。

第三个阶段：十九世纪七○年末 到二十世纪初
英国物理学家开尔文（18241907） 1851年开尔文从热功转换的角 度提出了热力学第二定律的另 一种说法，不可能从单一热源 取热，使之完全变为有用功而 不产生其他影响；或不可能用 无生命的机器把物质的任何部 分冷至比周围最低温度还低， 从而获得机械功。

卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富 于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机— 卡诺热机，提出了作为热力学重要理论基础的卡 诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效 率的根本途径。 卡诺在1824年他发表的名著《谈谈火的动力和能 发动这种动力的机器》中指出了热机工作过程中 最本质的东西：热机必须工作于两个热源之间， 才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械 功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无 关，动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间 的温度来确定”，实际上卡诺的理论已经深含了 热力学第二定律的基本思想，但由于受到热质说 的束缚，使他当时未能完全探究到问题的底蕴。
第四个阶段：二十世纪三○年代至今
这个时期主要是由于量子力学的引进而建
立了量子统计力学，同时非平衡态理论也 有更进一步的发展，形成了近代理论与实 验物理学中最重要的一环。
第一章 热力学的基本规律
1. 热力学基本概念
2. 热力学第一定律
3. 热力学第二定律
4. 熵和熵增加原理 5. 热力学基本方程
1877 年 ， 奥 地 利 物 理 学 家 玻 尔 兹 曼 （1844～1906）发现了 宏观的熵与体系的热力 学几率的关系。他在使 科学界接受热力学理论、 尤其是热力学第二定律 方面立下了汗马功劳。
1906 年 ， 德 国 物 理 化学家能斯特（1864～ 1941）根据对低温现象 的研究，得出了热力学 第三定律，人们称之为 “能斯特热定理”，有 效地解决了计算平衡常 数问题和许多工业生产 难题，因此获得了1920 年诺贝尔化学奖。主要 著作有：《新热定律的 理论与实验基础》等。


开尔文又称为「热力学之父」，他十岁进大学， 二十二岁剑桥大学就想礼聘他去当物理系主任， 绝对温度K就来自于他姓氏的缩写，热力学第二定 律是他提出的，液态氮是他首先压缩制出的，环 球资讯的第一条电缆是他铺的，电子检流器是他 发明的，同位素放射理论是他先想出来的。
英国物理学家麦克斯韦 （1831～1879）是经典电磁 理论的奠基人。但他兴趣广 泛，才智过人，不但是建立 各种模型来类比不同物理现 象的能手，更是运用数学工 具来分析物理问题的大师。 他在热力学领域中也做出了 贡献。1859年他用统计方法 导出了处于热平衡态中的气 体分子的“麦克斯韦速率分 布律”。