热力学教案

热力学讲稿（云南师范大学物理与电子信息学院）

伍林李明

导言

1、热运动：人们把组成宏观物质的大量微观粒子的无规则运动称为热运动。

热力学和统计物理的任务：研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化。

热力学方法的特点：

热力学是热运动的宏观理论。通过对热现象的观测、实验和分析，总结出热现象的基本规律。这些实验规律是无数经验的总结，适用于一切宏观系统。热力学的结论和所依据的定律一样，具有普遍性和可靠性。然而热力学也有明确的局限性，主要表现在，它不能揭示热力学基本规律及其结论的微观本质和不能解释涨落现象。

统计物理方法的特点：

统计物理学是热运动的微观理论。统计物理从物质的微观结构和粒子所遵从的力学规律出发，运用概率统计的方法来研究宏观系统的性质和规律，包括涨落现象。统计物理的优点是它可以深入问题的本质，使我们对于热力学定律及其结论获得更深刻的认识。但统计物理中对物质微观结构所提出的模型只是实际情况的近似，因而理论预言和试验观测不可能完全一致，必须不断修正。

热力学统计物理的应用

温度在宇宙演化中的作用：

简介大爆炸宇宙模型；3k宇宙微波背景辐射。

温度在生物演化中的作用：恐龙灭绝新说

2、参考书

（1）汪志诚，《热力学·统计物理》（第三版），高等教育出版社，2003

（2）龚昌德，《热力学与统计物理学》，高等教育出版社，1982

（3）朗道，栗弗席兹，《统计物理学》，人民教育出版社1979

（4）王竹溪，《热力学教程》，《统计物理学导论》，人民教育出版社，1979

（5）熊吟涛，《热力学》，《统计物理学》，人民教育出版社，1979

（6）马本昆，《热力学与统计物理学》，高等教育出版社，1995

（7）自编讲义

作者介绍：汪志诚、钱伯初、郭敦仁为王竹溪的研究生（1956）；

西南联大才子：杨振宁、李政道、邓稼先、黄昆、朱光亚；

中国近代物理奠基人：饶毓泰、叶企孙、周培源、王竹溪、吴大猷：

中国物理学会五项物理奖：胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、王淦昌。

3、成绩评定

期末总评成绩=作业与考勤成绩（10%）+期中考成绩（20%）+期末考成绩（70%）

期中考内容为热力学部分，期末考内容包括整本书的内容，即热力学和统计物理部分。

第一章 热力学的基本规律

1.1热力学系统的平衡状态及其描述

热力学系统、外界、孤立系统、封闭系统和开放系统；热力学平衡态及其四个特点，状态函数和状态参量，四类状态参量；简单系统，均匀系、相、单相系和复相系；系统的非平衡状态描述；热力学量的单位；

1.2热平衡定律和温度

绝热壁和透热壁、热接触、热平衡、热平衡定律（热力学第零定律）；

处于热平衡的两个热力学系统分别存在一个状态函数，而且这两个状态函数的数值相等，这个态函数就是温度； 考虑三个简单系统A,B,C

当A 和C 处于热平衡时，有0),;,(=C C A A AC V p V p f ⇒);,(C A A AC C V V p F p = 当B 和C 处于热平衡时，有0),;,(=C C B B BC V p V p f ⇒);,(C B B BC C V V p F p =

由于C C p p =，即);,(C A A AC V V p F );,(C B B BC V V p F = （1.1） 又由热平衡定律有，0),;,(=B B A A AB V p V p f （1.2） (1.1)与（1.2）为同一结果，说明（1.1）中两边的C V 可以消去，即可以简化为

),(A A A V p g ),(B B B V p g = （1.3

）

1p 1V 2p 2

V )

(

b 1p 1

V 2p 2

V )(a A B

C

A B

C

)

(a )

(b

（1.3）说明互为热平衡的两个热力学系统A 和B 分别存在一个状态函数A g 和B g ，而且这两个状态函数的数值相等，这个态函数就是温度),(V p g 。 温度计、温标

经验温标：定容气体温度计（温标）16.273⨯=

t

V p p

T 理想气体温度计（温标）t

p p p K T t 0

lim

16.273→⨯=； 摄氏温度

热力学温标

摄氏温度与热力学温度之间的关系：15.273-=T t 。 1.3物态方程

温度和状态参量之间的函数关系方程0),,(=T V p f 称为物态方程。 体胀系数p T

V

V )(1∂∂=

α、压强系数V T p p )(1∂∂=β和等温压缩系数T T p V V )(1∂∂-=κ及其关

系p T βκα=，其中利用了1)()()(

-=∂∂∂∂∂∂p V T V

T

T p p V 。 气体物态方程

在热力学中由实验得到的波意耳定律、阿伏伽德罗定律和理想气体温标定义，可以推出理想气体状态方程。推导过程如下：

选择具有固定质量的理想气体经过一个等容过程和一个等温过程，由A 变到B ，其中

A ⇒),,(111T V p ⇒''),,(212

T V p B B ),,(222T V p 等容过程，A ⇒),,(111T V p ),,(212

T V p B ''，由理想气体温标有，21

12

1212T T p

p T T p p ⨯='⇒=' 等温过程，⇒''),,(212

T V p B B ),,(222T V p 由波意耳定律有，21

2

22212V V p p V p V p ⨯='⇒=' p

V

),,(212

T V p B '')

,,(222T V p B )

,,(111T V p A