热学第一章 绪 论

热学理论的应用 （物性学）
1、实际气体、液体、 固体的基本性质； 2、一级相变特征及 基本规律。
三 教学要求
❖ 平时成绩+期中+期末考试
第一章：温度
§1 .平衡态 状态参量
一、热力学系统
热力学系统（简称系统）：被确定为研究对象的物体 或物体系，或热学所研究的对象。
外界：系统边界外部
孤立系统：与外界既不交换物质又不交换能量的系统
瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度 计的刻度，他把水的沸点定为0度，把水的冰点 定为100度。
后来他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又 倒过来，
就成了现在的百分温度，即摄氏温标，
用°C表示。
tF＝(9/5)tC+32， 或tC＝(5／9)(tF －32)。
英、美国家多用华氏温标， 世界科技界和工农业生产中，及中国、法国等 大多数国家则多用摄氏温标。
特点：热物理学研究的是由数量很大的微观粒子所 组成的系统。
研究方法：
1、宏观描述方法：热力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法
热力学：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。 宏观法的优点：
观察和实验总结出来的普适定律，加以数学和逻 辑推理，具有可靠性与普遍性。 热力学的局限性：
1）它只适用于粒子数很多的宏观系统； 2）它主要研究物质在平衡态下的性质，它不能解答系统如何从非平 衡态进入平衡态的过程； 3）它把物质看成为连续体，不考虑物质的微观结构
❖ 1860年，麦克斯韦发表了《气体动力论的说 明》，第一次用概率的思想，建立了麦克斯韦 分子速率分布律。
❖ 波尔兹曼在麦氏速率分布率的基础上，引入重力 场对分子运动的影响，建立了更全面的玻尔兹曼 分布律，并给于熵以统计意义。
❖ 在克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼研究的基础上， 吉布斯提出：“热力学的发现基础建立在力学的 一个分支上”，吉布斯由此建立了统计力学。 1902年发表了《统计力学的基本理论》，建立了 完整的“系综理论”。
热学
热（Heat）是人类最早发现 的一种自然力，是地球上一切 生命的源泉。
—恩格斯
绪论
一.热学发展简史 二.热学研究的对象和方法 三. 课程教学要求
一. 热学发展简史
火------热现象------利用
问题:如何测量物体的冷热程度？------温度 1.对温度的研究
1593年伽利略温度计
伽利略 （1564-1642）， 意大利天文学家，物理学 家， “近代科学之父”。
柏拉图：火是运动的一种表现形式。 中国古代五行说：
金、木、水、火、土 元气说：热（火）是物质元气聚散变化的 一种形式。
热质说：
德谟克里特、伊壁鸠鲁、卢克莱修： “热是一种物质” ；
法国 伽桑迪： 热现象是由“热原子”和“冷原 子”引起；
荷兰 波尔哈夫： 热是非常细小、没有质量、相互排 斥的微粒；
法国拉瓦锡: 火是物质氧化的一种表现，热 是自然界一种元素， 热素 热质守恒说
动摇了热质说。但争论仍然存在。。。。
英国物理学家伦福德(1753-1814)
英国化学家汉弗里·戴维(1778-1829)
❖ 3、热力学发展
• 热动力机械研制的艰难历程
❖ 约公元62年前后古希腊 希罗发明了一种汽转球。 ❖ 空心的球和装有水的密闭锅以两个 空心管子连接。在锅底加热 使水沸腾变成水蒸气后由管子进入 到球中，最后水蒸气会由球体的两 旁喷出并使得球体转动。
热力学温标:与测温物质无关的温标，(开氏温标 或绝对温标)。
由热力学温标定义的温度叫热力学温度。热力学 温度的单位是开尔文，简称开，符号是K。
热力学温度规定水的三相点的温度为273.16K。 摄氏温度以冰点为零度。
摄氏温度t与热力学温度T的换算关系是
T ＝ t + 273.15
气体温度计:多用氢气或氦气作测温物质，多用于 精密测量。 电阻温度计:测量范围为-260°C至600°C左右。
W = JQ
J = 4.1840焦耳/卡
❖ 1847年7月23日年轻的德国物理学者亥姆霍兹向 物理学协会作了题为《论力的守恒》的报告，将 能量守恒定律第一次以数学形式提出来。
大自然是统一的，自 然力(即能量)是守恒的 。
德国物理学家，数学家 （1821-1894）
❖ 热力学第二定律的建立：在实际情况中，并不是所 有满足热力学第一定律的过程都能实现，比如热不 会自动地由低温传向高温，过程具有方向性。这就 导致了热力学第二定律的出台。克劳修斯、开尔文、 玻尔兹曼等科学家为此做了重要贡献。
❖ 他开创了热动力应用的先河。 蒸汽机的雏形
1689年托马斯·萨弗里造出了第一台实用蒸汽泵；
❖ 1712年，英国工程师托马斯·纽科门发明了大气 压活塞式蒸汽机。它热效率低，燃料消耗量大。
❖ 1763年，詹姆斯·瓦特分析了纽科门蒸汽机的缺陷， 决意制造一台更好的蒸汽机。在1769年制成了有分离 冷凝器的单动式蒸汽机。这种蒸汽机比纽科门的蒸汽 机可节省75％的燃料。
1、热力学第一定 律； 2、热力学第二定 律； 3、热机。
总论
量热与量温 热传递的一般规律 热力学平衡态的特征及充要条件 热力学第零定律、温度和温标 理想气体定律和状态方程
分子运动论 （微观理论）
1、分子运动论的实验 基础及基本论点；
2、理想气体分子运动 的规律（平衡态）；
3、理想气体内迁移规 律（非平衡态）。
热力学第零定律另一种描述：
处于热力学平衡状态的所有物质均具有某一共同的宏观物理性质。
——温度
温度是决定一系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质。一切 互为热平衡的系统都具有相同的温度。温度反映系统本身内部热 运动的特征。
2、物理意义
a.互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征，即它们的温 度是相同的。 b.第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否 相同的方法。
统与外界之间应达到力学平衡，通常情况下反 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。
§2 温度
一、热力学第零定律 （热平衡定律）Zeroth law of thermodynamics
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
热力学与力 学的区别
热力学参量：压强、体积、温度等 热力学基础：基于热力学的基本定律 力学基础：基于牛顿定律（力学参量）
二、平衡态和非平衡态
1、 平衡态的定义：在不受外界条件影响下，系 统宏观性质不随时间变化的状态，这种状态称为平 衡态（equilibrium state）.
热平衡： 两个热学系统，原来处在各自平衡态，经过热接
触后，两个系统状态都要发生变化。经历一段时间后，两个 系统最后会达到一个共同平衡态。两个系统在发生传热条件 下达到的平衡，称为热平衡。
1. 内容：
在不受外界影响的情况下，只要A和B，B与C分别处于热平衡 状态，则A和B一定处于热平衡状态，这种规律被称为热力学 第零定律。（by R.H.Fowler）
圣克多利斯(1611年)---空气温度计
荷兰人华伦海特: 1709年利用酒精，1714年又利用水
银作为测量物质，制造了更精确的温度计。
一定浓度的盐水凝固时的温度定为0°F， 纯水凝固时的温度定为32°F， 标准大气压下水沸腾的温度定为212°F， 用F代表华氏温度，这就是华氏温标。
华氏温度计制成后又经过30多年，
恩格斯在《自然辨证法》中这样写道： “蒸汽机是第一个真正国际性的发 明……瓦特给它加上了一个分离的冷 凝器，这就使蒸汽机在原则上达到了 现在的水平。”
功率单位:瓦特(W)
❖ 1807年，美国人富尔把瓦特的蒸汽机装在轮船上，从此， 航运中的帆船时代结束了。
❖ 1814年，英国人史蒂芬把瓦特的蒸汽机装在火车上，陆 路运输的新时代开始了。
热质说在18至19世纪初处于统治地位。
热动说：热是一种运动
法国笛卡尔、英国培根、胡克等 热是物质粒子的一种机械运动
俄国罗蒙诺索夫： 热是分子运动的表现。
美国伦德福 钻炮摩擦生热 1798年在《由摩擦产生热的来源探讨》指
出热是由剧烈摩擦运动产生。
1799年英国汉弗里·戴维 两块冰实验，机械运动可 以产生热量。
热现象是分子运动的宏观表现。
❖ 1900年，普朗克从热辐射的规律中提出“能 量量子化”。能量是不连续的
量子性是微观世界的普遍规律，1926年发展 为《量子力学》。统计物理发展为《量子统 计物理学》。
二. 热学的研究对象和方法
热物理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。
热现象：这些与温度有关的物理性质的变化。 热学研究对象：所有与热相联系的现象。
2、微观描述过程：统计物理学
统计物理学 物质的微观结构 + 统计方法 其初级理论称为气体分子运动论 (气体动理论) 局限性：
模型简化（微观模型），可靠性、普遍性差。
3、热物理学
• 热力学基础 • 统计物理学的初步知识 • 液体、固体、相变等物性学
热学发展规律简史 研究对象及方法
热力学基础 （宏观理论）
平衡态的特点: (1)单一性 ( p ， T 处处相等)； (2)物态的稳定性—— 与时间无关； (3)自发过程的终点； (4)热动平衡
2、非平衡态
在自然界中，平衡态是相对的、特殊的、局部 的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的 和经常的。
三、热力学平衡
热力学呈 现平衡态 的条件
无热流：热学平衡条件，系统内部温度处处相等。 无粒子流：力学平衡条件，系统内部各部分之间、系
能量转化和守恒定律的建立
迈尔、焦耳、亥姆霍兹
❖ 1840年迈尔发现身处热带的人比
身处温带的人静脉的血更鲜亮。
促使他思考身体内食物转化为热量
以及身体能够做功这个事实。 热和功是能够相互转化的。
迈尔，德国医生、物理学 家，1814-1878
❖ 1842年，迈尔用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆，
比较了马所做的功与纸浆的升温，给出热功当量的数值。
❖ 19世纪三、四十年代，蒸汽机在欧洲和北美被广泛采用， 开启了“蒸汽机时代”。
❖ 蒸汽机的研制推动热力学理论和热工程技术的不断发展。
• 热力学定律的建立
❖热力学第一定律诞生背景
1）为蒸汽机的进一步发展， 迫切需要研究热和功的关系， 以提高热机效率，适应生产力发展的需要。 第一类永动机 2）能量转化与守恒思想的萌发 俄国的赫斯，1836年：“不论用什么方式完成化合， 由此发出的热总是恒定的。” 1830年，法国萨迪·卡诺：“准确地说，它既不会 创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形式。”
❖ 1842年3月，迈尔发表《关于无机界的力的看法》
第一次提出热功当量的概念。
❖ 为了弄清热与功的关系，焦耳从 1840 年起做了近40 年的实验。 用绝热性能良好的材料将容器包好， 重物下落带动叶片搅拌容器里的水， 引起水温升高。 实验表明热和功是能量传递与转换 的两种不同形式，并可以一定的当 量关系相互转换。
温差电偶温度计:利用温差电现象制成, 多用于高 温和低温测量。
高温温度计:有光测温度计、比色温度计和辐射 温度计。其测量范围为500°C至3000°C以上。
温度计的发明促进了量热技术的发展
热的本质是 什么？
物质？
or
运动？
2. 关于热的本质
早期对热的认知：
毕达哥拉斯四素说：~公元前500年 土、水、火、气
在判别两物体温度是否相同时，不一定要两物体直接接触， 而可借助一‘标准’物体分别与这两物体热接触就行了。这 个‘标准’物体就是温度计。
二、温标 1、温标的建立
温度的数值表示法叫做温标
经验温标的三要素
❖ 1917年，能斯特进一步提出“绝对零度是不可能达 到的”热力学第三定律。第三定律的建立从实验事 实作出的经验总结。这些实验事实跟低温的获得有 密切的关系。
四、分子动理论的发展：
❖ 克劳修斯1857年发表《论热运动的类型》的文 章，以十分明晰和信服的推理，建立了理想气 体分子模型和压强公式，引入了平均自由程的 概念。
法国化学家拉瓦锡 （1743-1794）
近代化学之父
布莱克（J.Black）于1755年发现了冰量热器， 首次澄清了热和温度 两个概念； 傅里叶1822年利用热质说建立了傅里叶热传导定 律； 瓦特改良了蒸汽机；
卡诺在1824年从热质说出发得到了卡诺定理。
热质说可以解释热传导、扩散、热辐射、热胀冷缩等大部分热现象