第一章 热学绪论.讲义
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热学 绪论
二、科学成就 阿伏伽德罗毕生致力于化学和物理学中关于 原子论的研究。当时由于道耳顿和盖-吕萨克的工 道耳顿和盖 原子论的研究。当时由于道耳顿和盖 吕萨克的工 作，近代原子论处于开创时期，阿伏伽德罗从盖近代原子论处于开创时期，阿伏伽德罗从盖 吕萨克定律得到启发， 吕萨克定律得到启发，于1811年提出了一个对近代 年提出了一个对近代 科学有深远影响的假说： 科学有深远影响的假说：在相同的温度和相同压 强条件下， 强条件下，相同体积中的任何气体总具有相同的 分子个数。但他这个假说却长期不为科学界所接 分子个数。 受，主要原因是当时科学界还不能区分分子和原 同时由于有些分子发生了离解， 子，同时由于有些分子发生了离解，出现了一些 阿伏伽德罗假说难以解释的情况。直到1860年， 阿伏伽德罗假说难以解释的情况。直到 年 阿伏伽德罗假说才被普遍接受， 称为阿伏伽德 阿伏伽德罗假说才被普遍接受，后称为阿伏伽德 罗定律。它对科学的发展， 罗定律。它对科学的发展，特别是原子量的测定 工作，起了重大的推动作用。 工作，起了重大的推动作用。
绪 论
一、热学
热学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种 规律的科学。 规律的科学。 热学与力学、电磁学及光学一起被称为经典物理四大柱石。 热学与力学、电磁学及光学一起被称为经典物理四大柱石。
二、热学研究对象的特征： 热学研究对象的特征：
宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（例如分 宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（ 原子等）都处于永不停息的无规则热运动中。 子、原子等）都处于永不停息的无规则热运动中。 正是大量微观粒子的无规热运动， 正是大量微观粒子的无规热运动，才决定了宏观物 质的热学性质。 质的热学性质。 热物理学研究的是由数量很大很大的大数 大数微观粒子 热物理学研究的是由数量很大很大的大数微观粒子 所组成的系统。 所组成的系统。 热学研究对象的这一特点决定了它有宏观与微观两 种不同的描述方法。 种不同的描述方法。
大学传热学第一章 绪论
传热过程中的温度分布
• 稳态传热过程——热量传递过程中温度不随时间变化的传 热过程。
• 非稳态传热过程——热量传递过程中温度随时间变化的传 热过程。
• 一维传热过程——传热过程中热量只在一个方向进行。 • 多维传热过程——热量在多个方向传递的过程。
第一节 热量传递的三种基本方式
• 导热 • 热对流（对流） • 热辐射（热辐射）
传热学
第一章 绪论
• 传热学是研究热量传递规律的科学。 • 有温差的地方就会有传热。 • 热量传递具有方向性——从高温到低温。 • 热量传递的基本方式有三种——导热、热对流和辐射。
传热学的应用的实例
• 食品加工 • 航天飞行器表面的冷却 • 稠油开采 • 电子器件的冷却 • 生物工程 • 能源动力 • 交通运输
• 实例：两个非接触物体之间的热量传递；火焰的 热量传递；太阳辐射等等。
• 计算：斯忒藩－玻耳兹曼定律。
斯忒藩－玻耳兹曼定律
AT 4
Ac 0
T 100
4
5.67108W /m2 K 4
第二节 传热过程和传热系数
• 定义：热量由壁面一侧的流体通过壁面传给另一侧流体的 过程称为传热过程。
• 模拟法：利用同类现象可比拟的特点，用已知现 象的规律模拟所要研究的现象。
• 实验法：通过试验的方法来获得所要研究问题解 的方法。
第三节 传热学发展简史
• 本节内容请同学自学。
• 实例：由墙壁隔开的室内外空气间的传热。 • 计算：传热方程
传热方程
kAt t
f1
1
At t
1/ h / 1/ h
f1
f2
1
2
传热学的研究方法
• 解析法：首先建立所研究问题的数学描写，然后 应用解析数学的方法，求解该问题。
传热学第一章 绪论
是无做功过程。 （4）热力学研究热量在一段时间内总的交换量（J），而传热
学着重于单位时间的换热量（W）。
二、传热学课的重要性
a 日常生活中：
冰箱和电视机放置 暖气片的设计 保温温度的选择
b 石油工业中: 输油管道（埋深、保温） 稠油开采（注蒸汽）
三、两种热传递过程
稳态过程：温度不随时间变化
Q1 A1 bT14 ,
Q2 A2 bT24
Q1,2 A1 bT14 A2 bT24 A b (T14 T24 )
第三节 热阻的概念
公式Q A tw1 tw2 A t 及
公式Q c A（tw t f）
可改写成公式Q t t 及 （A） R
（3）辐射力的计算公式（四次方定律）
Eb bT 4 b — 斯蒂芬 波尔兹曼常数，5.6710-8 W m2 K 4
T — 黑体的绝对温度, K
对于非黑体，E bT 4 — 黑度（发射率）
以上讲的是热辐射，而不是辐射换热。
（4）辐射换热
tw1
tf
tw2
透明气体
考虑两个无限大平板的 辐射换热（黑体）
微观粒子的热运动而产生的热量传递。
（2）特征：
a. 物体间无相对位移；
t1
b.物体间必须相互接触； b.没有能量形式的转化。
Q
t2
（3）导热量的计算
δ
x
如上图所示的大平壁，若其两侧壁面各点温度保持不变，
分别保持为tw1及tw2，且，则热量将从tw1一侧传向tw2一侧。此 时通过大平壁的热流量Q可表示为：W
（1）热对流：
流体的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传递。
学着重于单位时间的换热量（W）。
二、传热学课的重要性
a 日常生活中：
冰箱和电视机放置 暖气片的设计 保温温度的选择
b 石油工业中: 输油管道（埋深、保温） 稠油开采（注蒸汽）
三、两种热传递过程
稳态过程：温度不随时间变化
Q1 A1 bT14 ,
Q2 A2 bT24
Q1,2 A1 bT14 A2 bT24 A b (T14 T24 )
第三节 热阻的概念
公式Q A tw1 tw2 A t 及
公式Q c A（tw t f）
可改写成公式Q t t 及 （A） R
（3）辐射力的计算公式（四次方定律）
Eb bT 4 b — 斯蒂芬 波尔兹曼常数，5.6710-8 W m2 K 4
T — 黑体的绝对温度, K
对于非黑体，E bT 4 — 黑度（发射率）
以上讲的是热辐射，而不是辐射换热。
（4）辐射换热
tw1
tf
tw2
透明气体
考虑两个无限大平板的 辐射换热（黑体）
微观粒子的热运动而产生的热量传递。
（2）特征：
a. 物体间无相对位移；
t1
b.物体间必须相互接触； b.没有能量形式的转化。
Q
t2
（3）导热量的计算
δ
x
如上图所示的大平壁，若其两侧壁面各点温度保持不变，
分别保持为tw1及tw2，且，则热量将从tw1一侧传向tw2一侧。此 时通过大平壁的热流量Q可表示为：W
（1）热对流：
流体的各部分之间由于相对宏观位移而引起的热量传递。
热学讲义第一章
映为压强处处相等。
化学平衡：化学平衡条件，即在无外场下系统各部分的化 学组成应是处处相等。
可以用P、V、 T图来表示。只要上述三个条件一个得不 到满足，就是非平衡态，不能用P、V、T图来表示。
四、状态参量
宏观量：表征系统宏观性质的物理量.
如系统的体积V、压强P、温度T等。宏观量可直接 测量。 宏观量又可分为广延量和强度量.
m M
为气体物质的摩尔数，
阿伏伽德罗定律：在气体压强趋于零的极限情形下，相
同温度和压强的1摩尔任何气体所占的体积都相同。
R p tr V tr 273 . 16 K
R=8.31 J· -1· -1，称为普适气体常量 mol K
R 1 . 9872 cal mol
1
K
1
R 8 . 2 10
分子数密度 n = p/(kT) 25 =2.547010 -3 m
绝热指数
= cp /cV
= 1.400
声音传播速度
c=
1/2 (RT/)
= 340.29
-1 ms
大气标高
H = RT/(g)
=
3 8.434510
m
373.2 373.0
Ptr/(133.3224Pa)
T ( p ) 273 . 16 K lim
p p tr
p tr 0
（体积不变）
（定容理想气体温标测温公式）
T ( p ) 273 . 16 K lim
V V tr
p tr 0
（压强不变）
（定压理想气体温标测温公式）
理想气体温标的适用范围：极低温度（气体的液 化点以下）和高温（1000℃是上限）不适用。
热学绪论70102
M
摩尔气体常量 R 8.31J mol 1 K1
pV N RT NA
n N /V
玻尔兹曼常数
k R 1.381023J K1 NA
p nkT
7-2 物质的微观模型 统计规律性
一.分子动理论的基本观点——物质的微观模型
1.宏观物体是由大量分子组成的。
现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大 小以及它们在物体中的排列情况, 例如 X 光分析仪, 电子显微镜, 扫描隧道显微镜等.
对于由大 量分子组成的 热力学系统从 微观上加以研 究时，必须用 统计的方法 .
小球在伽 尔顿板中的分 布规律 .
............ ........... ............ ........... ............ ........... ............
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研究对象
热运动 : 构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无 规运动 .
研究对象特征
单个分子 — 无序、具有偶然性、遵循力学规律.
整体（大量分子）— 服从统计规律 .
量）微，观如量分：子描的述m个, v别等分.子运动状态的物理量（不可直接测
宏观量：表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）,
如 p,V ,T 等 .
Ni N
i 概率 粒子在第 格中
出现的可能性大小 .
归一化条件
i
i
Ni iN
1
利用扫描隧道显微 镜技术把一个个原子排 列成 IBM 字母的照片.
对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加 以研究时, 必须用统计的方法.
分子的数密度
阿伏伽德罗常数： NA 6.022 1023 mol1
热学教程第一章PPT课件
2009-至今 华中科技大学物理学院 副教授
研究方向 生物大精分选子课件相互作用
2
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3
为纯科学呼吁（1883年8月15日）
我时常被问及这样的问题：纯科学与应用科学 究竟哪个对世界更重要。为了应用科学，科学 本身必须存在。假如我们停止科学的进步而只 留意科学的应用，我们很快就会退化成中国人 那样，多少代人以来他们都没有什么进步，因 为他们只满足于科学的应用，却从来没有追问 过他们所做事情中的原理。这些原理就构成了 纯科学。中国人知道火药的应用已经若干世纪， 如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理， 他们就会在获得众多应用的同时发展出化学， 甚至物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实， 而没有寻根问底，中国人已经远远落后于世界 的进步。我们现在只是将这个所有民族中最古 老、人口最多的民族当成野蛮人。
对于定容温度计，同样可以得到
T(V )
100
0 1 0
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48
三. 几个与物态方程有关的名词
气体的体膨胀系数α
V
V0 T0
(t
273.15)
V0(1
t )
气体的压强系数β
2. 国际温标
1990年国际温标规定以热力学温标为基本 温标。热力学温度用T表示,单位K 摄氏温度 t=T-273.15
精选课件
39
1-4 理想气体状态方程 一、物态方程
把处于平衡态的某种物质的热力学参 量（如压强、体积、温度）之间所满足的函数 关系称为该物质的物态方程或称状态方程。
平衡态
T T( p, V) 或 f( p, V, T) 0
体是冷还是热，就看它
所含热质是多还是少精。选课件
13
引言 0—3 热学发展简史(二)
热学 第一章
热力学系统（简称系统）：确定为研究对象的物体或 物体系。
外 界 ：系统以外的物质世界称为“ 外界”.
界面分类：(1)绝热壁; (2)导热壁;
系统分类：(1).开放系统:与外界既交换物质,又交换能量.
(2).封闭系统:与外界不交换物质,但交换能量. (3).孤立系统:与外界既不交换物质,又不交换能量.
2.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,则这两个热力学系统彼此也 必定处于热平衡.（也称热平衡定律）
C
A
B
C
A
B
A、B分别与C达到热平衡
A、B也达到热平衡
二、温度的概念
处于同一热平衡态的所有热力学系统都具有 一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡宏 观性质的物理量就是-------温度。
宏观理
论部分
温
度
热力学第一定律
热力学第二定律
内 容
微观理
气体动理论 (平衡态)
体 论部分 气体内的输运
系
过程(近平衡态)
第一章 第二章 第三章
第四章
第五章
物性学
部分
非 理 想 气 体、 固 体 、液 体
第六章
相
变
第七章
§0-3.热学发展简史
热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的 发展史，可以划分为以下几个大的时期。 一.远古~17世纪末
[说明] : 如何理解热运动? 1. 宏观物体内部大量微观粒子的一种永不停息的 无规则运动; 2. 具有统计规律性; 3. 是物质运动的一种基本形式; 4. 与其它运动形式相互转化.
3.热学:
热学以物质的热运动以及热运动与其他运动形态 之间的转化规律为其研究对象的一门学科.
外 界 ：系统以外的物质世界称为“ 外界”.
界面分类：(1)绝热壁; (2)导热壁;
系统分类：(1).开放系统:与外界既交换物质,又交换能量.
(2).封闭系统:与外界不交换物质,但交换能量. (3).孤立系统:与外界既不交换物质,又不交换能量.
2.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,则这两个热力学系统彼此也 必定处于热平衡.（也称热平衡定律）
C
A
B
C
A
B
A、B分别与C达到热平衡
A、B也达到热平衡
二、温度的概念
处于同一热平衡态的所有热力学系统都具有 一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡宏 观性质的物理量就是-------温度。
宏观理
论部分
温
度
热力学第一定律
热力学第二定律
内 容
微观理
气体动理论 (平衡态)
体 论部分 气体内的输运
系
过程(近平衡态)
第一章 第二章 第三章
第四章
第五章
物性学
部分
非 理 想 气 体、 固 体 、液 体
第六章
相
变
第七章
§0-3.热学发展简史
热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的 发展史，可以划分为以下几个大的时期。 一.远古~17世纪末
[说明] : 如何理解热运动? 1. 宏观物体内部大量微观粒子的一种永不停息的 无规则运动; 2. 具有统计规律性; 3. 是物质运动的一种基本形式; 4. 与其它运动形式相互转化.
3.热学:
热学以物质的热运动以及热运动与其他运动形态 之间的转化规律为其研究对象的一门学科.
工程热力学绪论、第一章
热转换为机械功必须依靠工质的膨胀。 由于系统容积变化而通过截面向外界传递的
机械功称为膨胀功，也称容积功。 系统容积增大，则系统对外界做膨胀功，视
为正功；系统容积减小，则外界对系统做压 缩功，视为负功。
功=力×距离，若f是活塞的 截面积，则F=pf。于是单位 质量工质在微元热力过程中克 服外力所做的功为：
1、绝热系统：与外界无热量传递的系统 2、孤立系统：与外界既无能量又无物质交
换的系统
孤立系统表示图
在一个图中表示各系统
四、系统的内部状况
1、热源系统：提供热能的物质或能量 2、功源系统：提供机械功的物质或能量 3、质源系统：提供质量的物质或能量 4、单相系：物质、化学性质都均匀一致（固、液、
气） 5、单元或多元系统
单元：一种化学成分组成的系统 多元：两种以上的不同化学成分组成 6、均匀或非均匀系统 系统中化学、物理性质处处均匀一致的系统
第二节 工质的热力状态及其基本状态参 数
一、状态与状态参数 描述工质状态特征的各种物理量称为工质的状态 参数。 常见状态参数：温度（T）、压力（p）、比容
一、平衡状态 如果不受外界影响的条件下，系统的状态能 够始终保持不变，则系统的这种状态称为平 衡状态。
二、状态公理 确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1 其中n表示传递可逆功的形式，加1表示能 量传递中的热量传递
三、状态方程 建立 温度、压力、比容这三个基本状态参 数之间的函数关系。而用p-v图来确定工质 状态。
（v ）、密度（ ）、内能（u）、焓（h）、熵
（s）、火用（ex）、自由能（f）、自由焓（g） 等
二、基本参数
1、温度 物体冷热程度的标志 理想气体热力学温度与分子平移动能的关系式：
机械功称为膨胀功，也称容积功。 系统容积增大，则系统对外界做膨胀功，视
为正功；系统容积减小，则外界对系统做压 缩功，视为负功。
功=力×距离，若f是活塞的 截面积，则F=pf。于是单位 质量工质在微元热力过程中克 服外力所做的功为：
1、绝热系统：与外界无热量传递的系统 2、孤立系统：与外界既无能量又无物质交
换的系统
孤立系统表示图
在一个图中表示各系统
四、系统的内部状况
1、热源系统：提供热能的物质或能量 2、功源系统：提供机械功的物质或能量 3、质源系统：提供质量的物质或能量 4、单相系：物质、化学性质都均匀一致（固、液、
气） 5、单元或多元系统
单元：一种化学成分组成的系统 多元：两种以上的不同化学成分组成 6、均匀或非均匀系统 系统中化学、物理性质处处均匀一致的系统
第二节 工质的热力状态及其基本状态参 数
一、状态与状态参数 描述工质状态特征的各种物理量称为工质的状态 参数。 常见状态参数：温度（T）、压力（p）、比容
一、平衡状态 如果不受外界影响的条件下，系统的状态能 够始终保持不变，则系统的这种状态称为平 衡状态。
二、状态公理 确定纯物质系统平衡状态的独立参数=n+1 其中n表示传递可逆功的形式，加1表示能 量传递中的热量传递
三、状态方程 建立 温度、压力、比容这三个基本状态参 数之间的函数关系。而用p-v图来确定工质 状态。
（v ）、密度（ ）、内能（u）、焓（h）、熵
（s）、火用（ex）、自由能（f）、自由焓（g） 等
二、基本参数
1、温度 物体冷热程度的标志 理想气体热力学温度与分子平移动能的关系式：
热学-绪论
10×4.9×1017 = 4.9×1018个分子
分子的物质的量
4.9 1018 6.02 1023
8.1104
mol
即在137亿年中,分秒不间断地数,到目前数出万分之八点一摩尔。
4
1.热力学系统的分类
通常情况下，系统和外界之间总存在着某种形式的相互作用，包括 物质和能量的交换。根据相互作用形式，可将系统进行分类。
热力学方法的局限性
不能给出决定宏观热现象的微观实质。只能说明描述宏观热现 象物理量之间是怎样的关系，而不能说明为什么有这样的关系。
统计物理学能够深入热现象的本质，使热力学理论获得更深刻 的意义，给出宏观观测量的微观决定因素。
微观描述方法的局限性
它在数学计算遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型） 后所得的理论结果常与实验不能完全符合。
宏观描述——热力学方法
由观察和实验总结出来的热现象规律，构成热现象的宏观理论， 叫做热力学。
微观描述——统计物理学方法
从物质的微观结构出发，即从分子、原子的运动及它们之间的
相互作用出发，用统计的方法研究热现象的规律。这个理论叫做统
计物理学。
7
热力学对热现象给出普遍和可靠的结果，并可用以验证微观理论 的正确性。
mHale Waihona Puke 3洛施密特常量宇宙现今的年龄约为137亿年（1.6×1010年）
1年 =365×24×60×60秒≈3.1×107秒
宇宙年龄（秒）：
1.37×1010×3.1×107秒≈4.9×1017秒
3
假如有一个“超人”，他从宇宙大爆炸那一刻起与宇宙同时诞生， 直到今天仍然健在，若他能够每秒钟数10个分子，则从他诞生时刻 数到现今，共数的分子数是
第1章-绪论__传热学(第四版)
流体被加热时：
q h(t w t f )
流体被冷却时：
（1-3）
q h(t f t w )
（1-4）
tf 式中， t及 分别为壁面温度和流体温度， w ℃。
• 如果把温差（亦称温压）记为 t，并约定永 远取正值，则牛顿冷却公式可表示为
q ht
Aht
单位
2 W/ 。 m K
一般地，就介质而言：水的对流换热比空气 强烈； 就换热方式而言：有相变的强于无相变的；
强制对流强于自然对流。
对流换热研究的基本任务： 用理论分析或
实验的方法推出各种场合下表面换热导数的
关系式。
表面传热系数的数值范围
课前回顾：
传热学 热量传递的速率方程 热量传递的三种基本方式 热传导：定义、特点、傅里叶定律 热对流：定义、对流换热、特点、 牛顿冷却定律
铜：
q q
tw1 tw2
300 100 375 1.5 106 W m2 0.05 36.4 300 100 1.46 105 W m2 0.05 300 100 2.32 9.28 103 W m2 0.05 300 100 9.68 102 W m2 0.05
热量传递中的三类问题
强化传热 削弱传热
温度控制
日常生活中的例子
a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和冬 天都保持22度，那么在冬天与夏天、人在房间里所 穿的衣服能否一样？为什么？ b 夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的 感觉不一样。为什么？ c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于 保温。如何解释其道理？越厚越好？
第1章 绪论
1.1 传热学的研究内容及其在科学技术和工程 中的应用 1.4 传热学的发展史和研究方法
热学讲义
热学讲义2007年目录第1章热学导论 (1)§1.1 热学 (1)§1.2 热学的研究方法 (2)第2章平衡态和状态方程 (4)§2.1 平衡态状态参量 (4)§2.2 温度和温标热力学第零定律 (8)§2.3 状态方程 (11)§2.3.1 理想气体 (12)§2.3.2 实际气体---范德瓦耳斯气体 (14)§2.3.3 纯物质 (15)第3章气体分子动理论 (16)§3.1 物质的微观理论 (16)§3.2 理想气体的初步微观理论 (17)§3.2.1 微观模型 (17)§3.2.2 压强的统计解释 (17)§3.2.3 温度的统计解释 (19)§3.2.4 道尔顿分压定律 (20)§3.3 近独立子系的麦克斯韦—玻尔兹曼分布 (20)§3.3.1 微观模型与微观描述 (20)§3.3.2 最概然分布 (23)§3.3.3 平衡态的微观理解 (25)§3.3.4 玻尔兹曼熵 (26)§3.4 麦克斯韦速度分布律和速率分布律 (26)§3.4.1 速度分布律与速率分布律 (26)§3.4.2 速率分布律的实验验证 (28)§3.5 玻尔兹曼分布律 (29)§3.5.1 玻尔兹曼分布律 (29)§3.5.2 重力场中微粒按高度的分布 (30)§3.6 能均分定理 (31)§3.6.1 能量按自由度均分定理 (31)§3.6.2 理想气体的内能和定容热容量 (32)§3.6.3 经典理论的缺陷 (33)§3.7 气体分子碰撞和平均自由程 (34)§3.7.1 碰撞及其描述 (34)§3.7.2 分子随自由程的概率分布 (36)§3.8 气体中的输运过程 (36)§3.8.1 宏观规律 (36)§3.8.2 微观规律 (38)第4章热力学第一定律 (41)§4.1 热力学过程 (41)§4.2 热量功内能 (42)§4.2.1 热量 (42)§4.2.2 功 (42)§4.2.3 内能 (43)§4.3 热力学第一定律 (44)§4.4 热力学第一定律对理想气体的应用 (45)§4.4.1 理想气体做功 (45)§4.4.2 理想气体的内能和焓 (45)§4.4.3 理想气体的热容 (46)§4.4.4 热力学过程 (46)第5章热力学第二定律 (47)§5.1 卡诺循环及其效率 (47)§5.2 第二定律的两种表述及其等价性 (49)§5.3 卡诺定理 (50)§5.4 克劳修斯不等式和熵 (50)§5.5 热力学微分方程 (53)§5.5.1 热力学基本微分方程 (53)§5.5.2 热力学势与Maxwell关系 (54)§5.5.3 特性函数 (56)§5.6 热力学第二定律的再讨论 (57)§5.6.1 热力学第二定律的各种表述 (57)§5.6.2 平衡判据、平衡条件和稳定性条件 (58)第6章相变热力学 (62)§6.1 相图 (62)§6.2 克拉珀龙方程相变理论 (64)§6.3 范德瓦耳斯气体 (66)索引 (69)参考文献 (74)第1章热学导论物理研究的基本框架是在一定的背景知识下提出问题，分析问题，解决问题，解决问题之后得到的知识又成为新的背景知识。
绪论及热力学第一定律(课件)
热力学系统的分类
封闭系统、开放系统和孤 立系统。
简单系统能量平衡原理
1
系统能量变化
系统能量变化包括内能变化、焓的变化等。
2
热传递和功交换
热传递是指由温度差引起的能量传递，功交换是指外界对系统或系统对外界的能 量转化。
3
热力学第一定律
能量守恒原理，系统能量的变化等于热传递和功交换的代数和。
热力学第一定律的表达方式
热力学与可持续发展、能源转化等领域的深入研究。
绪论及热力学第一定律
热力学是研究能量转化和系统性质变化的科学。本课件介绍了热力学基础概 念、简单系统能量平衡原理、热力学第一定律的表达方式和应用，以及热力 学的意义和未来研究方向。
热力学基础概念
热力学的定义
研究能量转化和系统性质 变化的科学。
系统和环境
分别指要研究的物体或空 间，以及与之相互作用的 周围环境。
内能和焓
内能是系统分子之间相互作 用引起的能量，焓是等压过 程中的内能与体积乘积。
热力学第一定律的 数学表达式
内能与焓的变化等于热传递 和功交换的代数和。
控制体和控制面
控制体是用于分析能量流动 的空间，控制面是控制体的 边界。
热力学第一定律的应用
物质的状态方程
通过研究压强、体积和温度之 间的关系，得出物质的状态方 程。
定容过程和定压过程
压力恒定的过程为定容过程， 体积恒定的过程为定的过程为等温过程， 无热量交换的过程为绝热过程。
总结
热力学第一定律的意义
揭示了能量转化的基本规律，为研究能源利用和系统优化提供基础。
热力学的应用导向
为工程设计和科学研究提供理论支持和实用方法。
未来研究方向
第一章 热学
3、如果引入ZrO2这种网络外氧化物，但Zr4＋网络积聚作用强，叫高积聚 作用氧化物，也使 减小。
4、若加入具有高键力的Zn2+,Zr4+,Th4+等，它们处于网络间空隙，对周围 硅氧四面体起积聚作用，增加结构的紧密性，也促使膨胀系数下降。
3、热历史对膨胀系数 的影响
制造玻璃时曾经受到的热处理过程－热历史 退火：消除热应力 淬火：高温冷却（保持了高温结构，密度小，质点间距大， 键力小， 大）
n : 量子数（ ，2，......) 0 1 3， ，
晶格振动的能量是量子化的，以hv为单元来增加能量。 在微观世界中，波粒二象性具有普遍意义，声频支格波可以看做波的
形式，也可以看做粒子的形式，这个粒子就是声子，声子的能量就是
hv.
使用声子的概念不仅生动地反映了晶格振动能量的量子化，而且在分
第一章 材料的热学性能
第一节 热容 第二节 热膨胀
第三节 热传导
第四节 热稳定性
第一节 热容
一、晶格振动与格波
1.晶格振动----晶体点阵中的质点（原子、离子）总
是围绕着平衡位置作微小振动 介质温度的高低也就反映了这种振动的强烈程度， 所以也称为热振动。以一维晶格为例
斥 力
1 2
3 4
r0 r
引力
（2）化合物的热容定律－柯普(Kepp)定律
“化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和”。 即：Cv=niCi
2.量子理论
在晶体中，各质点都是以各自固有的频率在振动，每个
质点的振动都是以前进波的形式在晶体中传播，这种波是
格波，格波中对热容作贡献的是声频支格波（长波），声 频支格波的能量是量子化的，即它的能量具有不连续的能 级，谐振子的振动能量可以表示为： 1 E h ( n ) 2 式中：h : 普朗克常数，62 1034 J / s 6. : 频率
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::: : : ::: ------------------纯水 … … = ::: = … : ::: 纯 冰 :… -------------------… ------------------温度计 = = ::: … : : … … = ::: ------冰水混合物 = … :… : :::: ------保温瓶
[说明]:
1、一切互为热平衡的物体都具有相同的温度； 2、热接触只为热平衡的建立创造了条件； 3、宏观上，温度是物体冷热程度的量度； 4、从微观角度，温度是组成系统的大量微观粒子无规则 运动剧烈程度的反映。
• 二、温标 温度的数值表示法叫做 温标 1、 经验温标 建立经验温标的三要素:
1.) 选择物质的某一随温度变化的属性来标志温度. 测温物质 测温参量 测 温 质：用来确立温标的一种特定物质
测温属性：测温质的某一随温度变化的属性
测温参量：表示测温属性的物理量
规定测温参量随温度的变化关系:
X:
表示测温参量
T ( X ) : 温度计与被测系统达到热平衡时的温度值
如果规定 T ( X ) 与
X 成正比，令： T ( X ) aX
T ( X1) X1 T(X2) X2
测温参量为X的同一温度计所测定的两个物体的 温度之比跟这两个温度所对应的X值之比相等。
2. 理想气体温标
三.19世纪~20世纪初
热力学和统计物理学都获得了长足的发展，由 彼此的相互隔绝到后来的互相结合，最终导致了 统计热力学的产生。 四.20世纪初以后
这个时期出现了大量统计物理学和非平衡态理论。 形成了现代理论物理学最重要的一部分。 非平衡态理论还很不完善，有待继续研究和 发展。希望大家学好本专业理论，打下扎实的基 础，为热学的进一步发展作出贡献！
2.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,则这两个热力学系统彼此 也必定处于热平衡.（也称热平衡定律） C A B A
C
B
A、B分别与C达到热平衡
A、B也达到热平衡
3. 温度的概念
处于同一热平衡态的所有热力学系统都具 有一个共同的宏观性质，这个决定系统热平衡 宏观性质的物理量就是-------温度。
微观量
宏观量
热学研究方法
1. 气体动理论 —— 微观描述
研究大量数目的热运动的粒子系统，应用模型假设和统计 方法 .
2. 热力学 —— 宏观描述 实验经验总结， 给出宏观物体热现象的规律，从能量观 点出发，分析研究物态变化过程中热功转换的关系和条件 . 两种方法的关系 热力学 相辅相成 气体动理论
二、热学发展简史
热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的发 展史，可以划分为以下几个大的时期。
一.远古~17世纪末 主要是关于对“热本质”的定性猜想。 二.17世纪末~19世纪初
积累了大量的实验和观察事实，为热力学理பைடு நூலகம்的 建立作了准备。特别是十九世纪初出现的热机理论 和热功当量原理已经包含了热力学的基本思想。
热学
绪论
一、什么是热学？
热学是研究有关物质的热运动（热现 象）以及与热相联系的各种规律的科学。 是经典物理学的四大柱石之一。
热物理学的研究对象 是由数量很大的微观粒子所组成的系统。
研究对象的特征
单个分子 — 无序、具有偶然性、遵循力学规律. 整体（大量分子）— 服从统计规律 . 微观量：描述个别分子运动状态的物理量（不可直接测 量），如分子的 m , v 等 . 宏观量：表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）, 如 p,V , T 等 . 统计平均
§2 温度
一、热力学第零定律 1.热平衡
A (p1,v1) B (p2,v2) A (p1,v1) B (p2,v2)
绝热壁
导热壁
两个系统用刚性壁隔开
[热接触]
通过导热壁相互接触的两个系统， 它们之间会发生热传递，这种接触称为热接触。
[热平衡]
两个系统在热接触时,通过热交换 实现新的平衡,这种平衡称为热平衡. 有时，两个系统接触后，它们的状态都不发生 变化，说明它们在接触前就已达到了热平衡。即： 热平衡的概念还可用于两个不发生热接触的系统。
‘
------------------水蒸汽
= =
水的三相点裝置
273.16 a X tr
[经验温标:] 利用特定测温物质的特定测
温属性建立的温标统称为经验温标。
[温 度 计 :] 按照经验温标测量温度的仪器.
[ 讨 论：]
测温属性必须随温度的改变发生 单调的、显著的变化;
不同的温度计测量同一对象时结 果不同,是由于不同物质的不同（或同一） 测温属性随温度的变化关系不同.
选定固定点:
1954年以后，国际上规 定水的三相点为固定点---标准温度点
.
T ( X tr ) 273.16K
对于任何温度计都有：
T ( X1) X1 T ( X tr ) X tr
X T ( X ) 273.16K X tr
:::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: ::::
二、状态参量 1. 定义: 描述系统宏观性质或状态的(可由实验
测定的)量.是描述平衡态性质的物理量。
2. 常见的状态参量:
力学参量： P 化学参量： m,
几何参量：V 电磁参量：E,
B
3 . 说明: •状态参量的选择由系统本身的性质决定.
•完整描述热力学系统的平衡态，须引入 一 个热学参量---温度 •一定体积内单一成分的气体，在平衡态下， 忽略重力，用温度，体积，压强来描述。
§1 平衡态
一、平衡态：
状态参量
在不受外界影响的条件下，宏观性质 不随时间变化的状态。
1、热力学系统的平衡态：
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
孤立系统
真空
p
( p ,V , T )
*( p,V , T )
V
o
2、说明：
(1)“孤立系统”---统与外界无物质、能量交换; (2) 是一种理想状态; (3) 动态平衡(热动平衡)； (4)处于平衡态的系统须同时满足三种平衡条件： 力学平衡、热平衡、化学平衡。 (5)平衡态不同于稳恒态；