热学教程绪论
合集下载
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。
第一节课 热学导论
17
卡诺明白指出热不是一种物质而是一种能量的形式， 虽然他是最早有热力学能量守恒概念的人，但由于 晚了近五十年，其间又有梅耶（Julius Robert Mayer, 1814-1878）和焦耳提出功能互换的原理， 故一般都不把卡诺视为能量守恒定律的创始人，况 且在一八七八年时，第一定律和第二定律皆已完成 了。
焦耳奠定热力学基础
英国物理学家焦耳奠定了「能量守恒定律」，
为热力学的发展确立基础，同时，其理论亦 造就了冷冻系统的发展，改善了普罗大众的 生活素质。
他是第一位研究热能、机械能与电能的相互
关系的科学家，也是第一位发现气体自由膨 胀时四周温度会随之下降的科学家。
20
焦耳James Prescott Joule (1818-1889)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 。 The
权威的皇家学会的新年致辞中，发表了题 为〈笼罩在热和光的动力理论上的十九世 纪之云〉的著名演讲，他认为物理世界晴 空万里，动力理论（dynamic）可以解释一 切物理问题；唯有两个小问题：即以太理 论和黑体辐射理论 ，尚待解决。
30
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
9
一七八九年出生于美国后到英国又到德国而受封的伦福伯 爵（Count Rumford）（原名Benjamin Thompson）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。
10
一七九九年英国化学家，即后来的首任皇家研究院 院长戴维（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。
卡诺明白指出热不是一种物质而是一种能量的形式， 虽然他是最早有热力学能量守恒概念的人，但由于 晚了近五十年，其间又有梅耶（Julius Robert Mayer, 1814-1878）和焦耳提出功能互换的原理， 故一般都不把卡诺视为能量守恒定律的创始人，况 且在一八七八年时，第一定律和第二定律皆已完成 了。
焦耳奠定热力学基础
英国物理学家焦耳奠定了「能量守恒定律」，
为热力学的发展确立基础，同时，其理论亦 造就了冷冻系统的发展，改善了普罗大众的 生活素质。
他是第一位研究热能、机械能与电能的相互
关系的科学家，也是第一位发现气体自由膨 胀时四周温度会随之下降的科学家。
20
焦耳James Prescott Joule (1818-1889)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 。 The
权威的皇家学会的新年致辞中，发表了题 为〈笼罩在热和光的动力理论上的十九世 纪之云〉的著名演讲，他认为物理世界晴 空万里，动力理论（dynamic）可以解释一 切物理问题；唯有两个小问题：即以太理 论和黑体辐射理论 ，尚待解决。
30
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
9
一七八九年出生于美国后到英国又到德国而受封的伦福伯 爵（Count Rumford）（原名Benjamin Thompson）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。
10
一七九九年英国化学家，即后来的首任皇家研究院 院长戴维（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。
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。
2012级热学第一章1
后续可以看到：
如果在系统内各部分之间都同时达到力学平衡、 热平衡、化 学平衡和相平衡，便不会出现能量流动和物质流动，宏观性 质也一定不随时间变化，系统才处于热动平衡态。 这四种平衡只要有一种未达到，系统则是在非平衡态。
3. 关于平衡态的几点说明
（1）实际系统都要或多或少地受到外界影响，不受外
界影响的孤立系统，是一个理想化的概念； （2）系统处于平衡态时宏观性质不随时间变化，但组成 系统的大量粒子还在不停地运动着，只是这些运动的平 均效果不变而已。因此热力学平衡态又称热动平衡； （3）处于平衡态的系统，其宏观性质会发生一些起伏变 化，叫涨落。一般宏观物质系统的涨落很小，在热力学 的范围内将其忽略不予考虑； （4）弛豫时间的概念。
二、状态参量 1、状态参量 力学中质点的运动状态用位移、速度来描述。 热学中的平衡态有确定的宏观性质，也必须用 确定的物理量来描述。 状态参量：用来描述平衡态的宏观变量。
那么如何用状态参量来描述平衡态呢？
举例：如果讨论的是混合气体，首先需要P,V两个 力学参量和几何参量，还需要一个描述系统化学成分 的参量，如不同成分的质量或者摩尔数等，称为化学
图示为液体温度计。
温度计
定容气体温度计 定压气体温度计 电阻温度计 热电偶温度计 液体温度计
测温属性
压强 体积 电阻 热电动势 液柱长度
§1-4 物态方程
一、物态方程
热力学系统的平衡态可以用几何参量、力学参量、
化学参量和电磁参量描述。并在一定的平衡态，这四类
参量都具有一定的数值。同时在一定的平衡态，热力学
下面先导出具有固定质量的理想气体，其任意两个平衡态
I( p1 ,V1 , T1 )
和
初始 中间 终了
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 .
............ ........... ............ ........... ............ ........... ............
精品课件！
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》教学大纲
《热学》教学大纲一、课程基本信息课程名称：热学课程类别：专业基础课课程学分：＿____课程总学时：＿____授课对象：＿____二、课程教学目标通过本课程的学习，使学生系统地掌握热学的基本概念、基本规律和基本方法，了解热学在物理学中的地位和作用，培养学生的科学思维能力和创新能力，为后续课程的学习和从事相关领域的研究工作打下坚实的基础。
具体目标包括：1、使学生理解热学中的基本概念，如温度、热量、内能、熵等。
2、掌握热力学定律，包括热力学第一定律、热力学第二定律，并能够运用这些定律分析和解决实际问题。
3、了解气体动理论的基本内容，能够运用气体动理论解释气体的宏观性质。
4、培养学生的科学思维方法和创新能力，提高学生分析和解决问题的能力。
三、课程教学内容与要求（一）绪论1、热学的研究对象和研究方法介绍热学的研究对象，包括热现象的宏观规律和微观本质。
阐述热学的两种研究方法：热力学方法和统计物理学方法。
2、热学的发展简史简述热学发展的几个重要阶段，如热力学第一定律和第二定律的建立。
（二）温度1、平衡态与状态参量解释平衡态的概念和特点。
介绍描述系统状态的常用参量，如压强、体积、温度等。
2、温度的概念定义温度的概念，说明温度是表征物体冷热程度的物理量。
引入热力学温标和摄氏温标，并介绍它们之间的换算关系。
3、理想气体温标讲解理想气体温标的建立过程。
说明理想气体温标与热力学温标的一致性。
（三）热力学第一定律1、功、热量和内能介绍功的概念和计算方法。
解释热量的概念和热传递的方式。
定义内能的概念，说明内能是系统状态的函数。
2、热力学第一定律阐述热力学第一定律的内容和表达式。
举例说明热力学第一定律在实际问题中的应用。
3、热容定义热容的概念，介绍定容热容和定压热容。
推导理想气体的定容热容和定压热容的表达式。
（四）热力学第二定律1、热力学第二定律的两种表述介绍克劳修斯表述和开尔文表述。
说明两种表述的等价性。
2、卡诺定理讲解卡诺定理的内容和意义。
《热学教程》第2 章 热力学第一定律
内能是状态函数，与系统的始、末状态有关
11
系统的内能微观解释
分子热运动的动能 分子间势能 分子内部原子结合能，核能···
过程中保持不变的能量不必计入内能
核能 ～ 106 eV， 分子原子结合能 ～ 1eV 1eV 热能相当温度～ 104 K 温度不太高时，不考虑分子内部原子结合能，核能···。 理想气体内能只与温度有关
第2 章 热力学第一定律
§2.1 热力学系统的过程
热力学系统：大量分子组成的宏观物质系统。
当系统的状态随时间变化时，我们 就说系统在经历一个热力学过程， 简称过程。
例如，在推进活塞压缩汽缸内的气体时， 气体的体积，密度，温度或压强都将变化， 在过程中的任意时刻，气体各部分的密度， 压强，温度都不完全相同。此过程叫非静 态过程
气体 真空 水
实验结果： 水温不变
验证了理想气体的内能与体积无关,只与温度有关。
但水的热容比气体的大得多，焦耳实验中气体温度
变化不易测出。
二 理想气体的热容
1. 热容 摩尔热容
设系统温度升高 dT ，所吸收的热量为dQ
系统的热容：
C
dQ dT
单位：J/K
1)、定体热容
CV
dQ dT V
（体积不变）
当气体作准静态压缩或膨胀时，若活塞与汽缸无摩
擦，外界的压强Pe必等于此时气体的压强P，否则系统
在有限压差作用下，将失去平衡，变为非静态过程。
Pe
P
4
准静态过程可用状态曲线表示
P
等压过程 等 体 过 程
0
V
§2-2 功 气体无摩擦准静态膨胀的功:
dl
f =pS
P 1
pV S
2
11
系统的内能微观解释
分子热运动的动能 分子间势能 分子内部原子结合能，核能···
过程中保持不变的能量不必计入内能
核能 ～ 106 eV， 分子原子结合能 ～ 1eV 1eV 热能相当温度～ 104 K 温度不太高时，不考虑分子内部原子结合能，核能···。 理想气体内能只与温度有关
第2 章 热力学第一定律
§2.1 热力学系统的过程
热力学系统：大量分子组成的宏观物质系统。
当系统的状态随时间变化时，我们 就说系统在经历一个热力学过程， 简称过程。
例如，在推进活塞压缩汽缸内的气体时， 气体的体积，密度，温度或压强都将变化， 在过程中的任意时刻，气体各部分的密度， 压强，温度都不完全相同。此过程叫非静 态过程
气体 真空 水
实验结果： 水温不变
验证了理想气体的内能与体积无关,只与温度有关。
但水的热容比气体的大得多，焦耳实验中气体温度
变化不易测出。
二 理想气体的热容
1. 热容 摩尔热容
设系统温度升高 dT ，所吸收的热量为dQ
系统的热容：
C
dQ dT
单位：J/K
1)、定体热容
CV
dQ dT V
（体积不变）
当气体作准静态压缩或膨胀时，若活塞与汽缸无摩
擦，外界的压强Pe必等于此时气体的压强P，否则系统
在有限压差作用下，将失去平衡，变为非静态过程。
Pe
P
4
准静态过程可用状态曲线表示
P
等压过程 等 体 过 程
0
V
§2-2 功 气体无摩擦准静态膨胀的功:
dl
f =pS
P 1
pV S
2
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
热学教案(第一章)
2010级物理学专业
热学学习内容 第1章 导论
第四章 热力学第一定律 §4.1 可逆与不可逆过程 §4.2 功和热量 §4.3 热力学第一定律 §4.4 热容与焓 §4.5 第一定律对气体的应用 §4.6 热机
2010级物理学专业
热学学习内容 第1章 导论
第五章 热力学第二定律与熵 §5.1第二定律的表述及其实质 §5.2 卡诺定理
2010级物理学专业
第1章
导论
1.1.2 宏观描述方法与微观描述方法 热力学：研究热现象宏观规律的科学。 1.热力学系统 (1)热力学系统:在热学中，被确定为研究对象 的物体或物体系（由大量微观粒子组成）
(2)外界：在系统边界外部与系统发生相互作 用，从而对系统的状态直接产生影响的物质。
2010级物理学专业
第1章
1.3.2 热力学第零定律 1.绝热壁和导热壁 例：A、B为热接触。 如 A、B各自独立变 化，此隔板为绝热壁；
导论
壁 A B
如 A、B相互影响，此板为透热壁。
2010级物理学专业
第1章
2.热力学第零定律 (1)实验：
导论
2010级物理学专业
第1章
导论
(2)热力学第零定律:在不受外界影响条件下， 只要A、B同时和C处于热平衡，即使A和B没 有热接触它们仍然处于热平衡状态。 3.热力学第零定律的物理意义 (1)热力学第零定律给出了互为热平衡状态的 系统的共同特征：温度相同。
第1章
导论
(3)孤立系统：与外界不发生物质或能量交换 的系统。 (4)封闭系统：不与外界发生物质交换的系统。 (5)开放系统：与外界既有物质交换，又有能 量交换的系统。 2.热力学系统的宏观描述与微观描述 (1)热现象的分类
第一章 绪论
19
1.2.2状态与状态函数 状态性质的分类： 几何性质：体积、面积 力学性质：压力、表面张力、密度 电磁性质：电流、磁场强度 化学性质：摩尔数、摩尔分数
热力学性质：温度、熵、内能、焓、亥姆霍兹自由 能、吉布斯自由能
对于组成不变的均相封闭系统（简单可压缩系） 来说，两个独立的变量就可以确定系统的状态。
3
1.1.2热力学的发展史
1.1.2 热力学的发展史
科学予以知识，而历史予以智慧！一门科学的历史，
是那门科学中最宝贵的部分。
热力学发展史，约可分成四个阶段：
第一个阶段： 17世纪末到19世纪中叶
此时期累积了大量的实验与观察的结果，并制造出 蒸气机，对于“热”的本质展开研究与争论。在19世纪 前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论（第二定律的 前身）和功热互换的原理（第一定律的基础）。
概括出的热力学第一、第二定律为基础，引出热力学能、
焓、熵、亥姆赫兹函数、吉布斯函数，加上P、V、T等可
直接测定的宏观量作为系统的宏观性质，经过归纳与演绎 推理，得到一系列热力学公式、结论，用来解决物质变化 过程的能量平衡、相平衡和反应平衡等问题。
8
1.1.3热力学的研究方法
宏观热力学的特点：不涉及物质内部粒子的微观结 构，只涉及物质系统前后状态的宏观性质。
33
1.2.4过程与途径 非静态过程不能用状态图上的一条实曲线来表示，为了
研究的方便，我们可以用一条虚线来表示它，但是该曲线没
有其他的任何意义。
P
A
非静态过程
B
o
V
准静态过程是一种理想的极限，但作为热力学的基础，我 们要着重研究它。
34
1.2.4过程与途径
典型的几种过程：
《工程热力学》教学课件绪论第1章
4 英国
9755 23770
5.7
21217.6 21900
0.2
5 加拿大 5680 12716
5.2
20908.9 24034
0.9
6 俄罗斯 6081
9906
3.1
87827
4487
-17
7 日本 29320 43684
2.5
44591.6 43460 -0.2
8 韩国
2536
8882
8.1
9265
《工程热力学》教学课件
授课60学时 实验4学时
工程热力学 Thermodynamics
能源概论（绪论） §0-1 自然界的能源及其利用
一、能源及其分类
定义:能源是指可向人类提供各种能量和动力的物质 资源。
能源可以根据来源、形态、使用程度和技术、 污染程度以及性质等进行分类:
工程热力学 Thermodynamics (一)按来源分:
第一节 热力系、状态与状态参数 一、热力系统与工质
1、定义 人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统， 简称热力系或系统。
11
固定边界
移动边界
系统
系统
边界
22
热力系统
2、分类
工程热力学 Thermodynamics
按物质 闭口系：与外界无物质交换的系统 CM
交换 开口系：与外界有物质交换的系统 CV
1850~1851年克劳修斯和开尔文先后独立提出了热力学第二定律； 1906~1912年能斯特提出了热力学第三定律。
工程热力学 Thermodynamics
§0-3 工程热力学的研究对象、内容和方法
一、研究对象
热力学是研究热能和机械能相互转换规律，以提高能量利 用经济性（节能）为主要目的的一门学科。
热学绪论
大学里的管理与中学不同， 大学里的管理与中学不同， 一切都需要自己安排。 一切都需要自己安排。要合理 妥善地处理好学习知识、 妥善地处理好学习知识、锻炼 身体、文娱活动、业余爱好、 身体、文娱活动、业余爱好、 人际交往、休息睡觉……等方 人际交往、休息睡觉……等方 方面面。 方面面。希望大家一定要管理 好自己。 好自己。
对于物理学这样的基础 知识， 知识，并不存在 “知识 爆炸，几年更新一次” 爆炸，几年更新一次” 的问题， 的问题，但也不会陈旧过 大学教学的信息量大， 时。大学教学的信息量大， 教学节奏快， 教学节奏快，又常常是大 班授课，应该尽快适应。 班授课，应该尽快适应。
大学与中学的物理学课 程在教学内容上有联系， 程在教学内容上有联系， 甚至还有某些重叠。 甚至还有某些重叠。但大 学的教学重点放在学习新 知识和新方法以及培养科 学研究能力与素质上， 学研究能力与素质上，需 全力以赴，才能不掉队。 全力以赴，才能不掉队。
6. 《伯克利物理学教程 第五卷 统计物理 伯克利物理学教程·第五卷 第五卷·统计物理 瑞夫. 科学出版社. 学》F. 瑞夫 科学出版社 1979年9月. 年 月 7. 《费曼物理学讲义 第一卷》. R. P. 费 费曼物理学讲义·第一卷 第一卷》 莱登, 桑兹. 曼, R. B. 莱登 M. 桑兹 上海科学技术出版 社. 1983年7月. 年 月 8 . 《普通物理学教程之二·热学》. 张玉 普通物理学教程之二·热学》 阮耀钟. 高等教育出版社. 1991年10月 民, 阮耀钟. 高等教育出版社. 1991年10月. 9. 《普通物理学（热学）》. 包科达. 北 普通物理学（热学） 包科达. 京大学出版社. 1989年 京大学出版社. 1989年9月.
1mol物质中就有 ×1023个分子 对于 这个数 物质中就有6× 个分子, 物质中就有 个分子 量的大小我们缺乏感性认识。宇宙的年龄为10 量的大小我们缺乏感性认识。宇宙的年龄为 10 年数量级， 确切些说是160亿年。 亿年。 年数量级， 确切些说是 亿年 1年 ∽ 107秒, 1010年 ∽ 1017秒 年 假如有一个“超人” 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，并与宇宙的年龄相同， 起与宇宙同时诞生，并与宇宙的年龄相同，若他 1秒数 个分子，则他从宇宙诞生时刻数到现今 秒数10个分子 秒数 个分子， 才数了10× 个分子, 才数了 ×1017 = 1018个分子 差不多相当于 10-5 摩尔分子。 摩尔分子。 显然，人类不可能造出一部能计算10 显然，人类不可能造出一部能计算 23个粒子 的运动方程的计算机。 的运动方程的计算机。
热学教学大纲
《热学》教学大纲课程类别：专业基础课程性质：必修英文名称：Thermal Physics总学时：48 讲授学时：48 实验（上机、设计、实训、见习等）学时：0 学分：3先修课程：力学、高等数学适用专业：物理学开课单位：物理科学与技术学院一、课程简介本课程为物理学专业一门专业基础课程，通过学习本课程，使学生掌握基本的与热相关的理论，主要包括宏观的热力学基础知识和微观的物质热运动的分子物理学。
内容包括热力学第一、第二定律，速度分布率，输运理论基础。
为进一步学习电磁学、原子物理学和热力学与统计物理学打下良好基础。
二、教学内容及基本要求第一章：绪论（1 学时）教学内容：1热学研究的对象和方法2热学发展简述教学要求：了解热学发展史。
授课方式：讲授+自学第二章：温度（4 学时）教学内容：1平衡态2温度3气体的物态方程教学要求：1了解热学的研究对象和研究方法；2掌握平衡态的概念，明确热力学平衡与机械平衡的区别与联系；3掌握温度的宏观含义、理想气体温标，理解经验温标对测温物质及其物理属性的依赖性；4掌握理想气体状态方程及其应用授课方式：讲授第三章：气体分子动理论的基本概念（7 学时）教学内容：1物质的微观模型2理想气体的压强3温度的微观解释4分子力5范德瓦耳斯气体的压强教学要求：1了解物质的分子结构模型2掌握理想气体及其压强的实质3掌握温度的微观实质及其对理想气体定律的推论4理解分子力的简化模型、分子力曲线及势能曲线5掌握范德瓦耳斯方程授课方式：讲授+演示第四章：气体分子热运动速率和能量的统计分布律（6 学时）教学内容：1气体分子的速率分布律2用分子射线实验验证麦克斯韦速度分布律3玻尔兹曼分布律重力场中微粒按高度的分布4能量按自由度均分定理教学要求：1掌握麦克斯韦速率分布律2了解气体分子速率分布律的实验验证3掌握波尔兹曼分布律4掌握能量按自由度均分定理5掌握气体内能的微观意义授课方式：讲授+演示第五章：气体内的输运过程（5 学时）教学内容：1气体分子的平均自由程2输运过程的宏观规律3输运过程的微观解释教学要求：1掌握气体分子的碰撞频率与平均自由程的概念2了解输运过程的宏观规律3掌握输运过程的微观规律授课方式：讲授+演示第六章：热力学第一定律（12 学时）教学内容：1热力学过程2功3热量4热力学第一定律5热容焓6气体的内能焦耳-汤姆逊实验7热力学第一定律对理想气体的应用8循环过程和卡诺循环教学要求：1掌握热力学过程特别是准静态过程的概念2掌握准静态过程功的表达式及功的图示3掌握功、热量和内能概念的含义及三者间的区别4掌握热力学第一定律的意义及其数学表达式5理解热容量的定义6掌握应用热力学第一定律分析热力学过程的基本方法7掌握循环过程、卡诺循环及其效率授课方式：讲授+演示第七章：热力学第二定律（7 学时）教学内容：1热力学第二定律2热力学过程的不可逆性3热力学第二定律的统计意义4卡诺定理5热力学温标6应用卡诺定理的例子教学要求：1掌握热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述，理解两种表述的一致性；2掌握可逆过程及不可逆过程的概念及热力学第二定律的实质；3了解热力学第二定律的统计意义；4掌握卡诺定理及其意义；5理解热力学温标的定义及其与理想气体温标的关系。
大学物理-热学绪论
热 学
Thermal Physics
一、研究对象
1.热现象与热运动( Heat phenomena or thermal effect)
与温度有关的物理性质的变化统称为热现象。
微观：热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。
大量分子的无规则运动称为热运动。
它是一种基本的运动形式。
热现象是组成物体的粒子热运动的结果。
热运动的特点：
个体： 无规律 总体： 存在确定的统计规律.
2.热学的研究对象
热学是研究与热现象、热运动有关的规律的科学。
二、热学的研究方法：
宏观法
最基本的实验规律→逻辑推理(运用数学) ------称为热力学。 热现象的宏观理论。
可靠、普遍。
微观法
物质的微观结构 + 统计方法 ------ 称为 统计力学。 热现象的微观理论。 其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论)。
处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞， 每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间 改变。这称为动态平衡。
粒子数是宏观量
箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒 子可以穿越界线，但两侧粒子数相同。
涨落
处在平衡态的系统的宏观量，如压强 P，不随时间改变， 但不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样， 这称为涨落现象，分子数越多，涨落就越小。
上例中两侧粒子数不可能 严格相同，这里的偏差也 就是涨落。
2. 平衡态的状态参量
状态参量：描述系统状态的量。
气体状态参量
) 体积 V ) 压强 P
单位：帕斯卡（Pa）
1atm=1.01325×105 Pa = 76cmHg
) 温度 T
Thermal Physics
一、研究对象
1.热现象与热运动( Heat phenomena or thermal effect)
与温度有关的物理性质的变化统称为热现象。
微观：热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。
大量分子的无规则运动称为热运动。
它是一种基本的运动形式。
热现象是组成物体的粒子热运动的结果。
热运动的特点：
个体： 无规律 总体： 存在确定的统计规律.
2.热学的研究对象
热学是研究与热现象、热运动有关的规律的科学。
二、热学的研究方法：
宏观法
最基本的实验规律→逻辑推理(运用数学) ------称为热力学。 热现象的宏观理论。
可靠、普遍。
微观法
物质的微观结构 + 统计方法 ------ 称为 统计力学。 热现象的微观理论。 其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论)。
处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞， 每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间 改变。这称为动态平衡。
粒子数是宏观量
箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒 子可以穿越界线，但两侧粒子数相同。
涨落
处在平衡态的系统的宏观量，如压强 P，不随时间改变， 但不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样， 这称为涨落现象，分子数越多，涨落就越小。
上例中两侧粒子数不可能 严格相同，这里的偏差也 就是涨落。
2. 平衡态的状态参量
状态参量：描述系统状态的量。
气体状态参量
) 体积 V ) 压强 P
单位：帕斯卡（Pa）
1atm=1.01325×105 Pa = 76cmHg
) 温度 T
热学第一章
冷热程度一样的物体放到一起，它们不会 发生变化。
三、温度与温度计
（二）温度的测量 -----温标和温度计 1、温度计
温度计：选做标准的系统。
测量物体的温度：
使温度计与待测系统接触，经过一段时间它们达到 热平衡，它的读数正确地显示了该物体的温度。
?
思考1： 为什么将温度计分别放在两物体中测量，
读数相同，就可以说两物体温度相同？
实验表明：
在不受外界影响的情况下，如果系统A和系统 B分别与系统C的同一状态处于热平衡，那么当A 和B接触时，它们也必定处于热平衡。
名称由来：此定律是20世纪30年代由否勒（R.H.Fowler） 提出，远在热力学第一、第二定律提出80年之后，逻辑 上它应放在那两条定律前面。
三、温度与温度计
（一）温度的宏观定义 (P13) 2.热平衡定律(热力学第零定律)
一大气压下水的沸点：212 。F 分度：等分 应用范围：英美工程界和日常生活
华氏温标与摄氏温标换算关系：
tF
[9 • 5
t oC
32]o F
P17 表1.2
思考： 早期的温度计假设物质的热膨胀与
温度成正比，将刻度等分。这究竟对不对？
---实验发现：水银温度计和酒精温度计的刻度虽然相 同，但它们的示数却不完全一致。
u 描述系统平衡态的宏观参量，如：P、V、T、U、H、S
平衡态下状态参量不随时间变化
❖ 处于平衡态的物理上均匀的系统，能在状态图（如：
P---V图、P---T图、T---S图）
以一个点表示。
P
P.V .T
P.V .T
V
三、温度与温度计
（一）温度的宏观定义 (P12) ▲ 1、热平衡：
在与外界影响隔绝的条件下，两物体通过透热壁 相互接触后达到平衡态，就可称两物体已经建立 了热平衡。
三、温度与温度计
（二）温度的测量 -----温标和温度计 1、温度计
温度计：选做标准的系统。
测量物体的温度：
使温度计与待测系统接触，经过一段时间它们达到 热平衡，它的读数正确地显示了该物体的温度。
?
思考1： 为什么将温度计分别放在两物体中测量，
读数相同，就可以说两物体温度相同？
实验表明：
在不受外界影响的情况下，如果系统A和系统 B分别与系统C的同一状态处于热平衡，那么当A 和B接触时，它们也必定处于热平衡。
名称由来：此定律是20世纪30年代由否勒（R.H.Fowler） 提出，远在热力学第一、第二定律提出80年之后，逻辑 上它应放在那两条定律前面。
三、温度与温度计
（一）温度的宏观定义 (P13) 2.热平衡定律(热力学第零定律)
一大气压下水的沸点：212 。F 分度：等分 应用范围：英美工程界和日常生活
华氏温标与摄氏温标换算关系：
tF
[9 • 5
t oC
32]o F
P17 表1.2
思考： 早期的温度计假设物质的热膨胀与
温度成正比，将刻度等分。这究竟对不对？
---实验发现：水银温度计和酒精温度计的刻度虽然相 同，但它们的示数却不完全一致。
u 描述系统平衡态的宏观参量，如：P、V、T、U、H、S
平衡态下状态参量不随时间变化
❖ 处于平衡态的物理上均匀的系统，能在状态图（如：
P---V图、P---T图、T---S图）
以一个点表示。
P
P.V .T
P.V .T
V
三、温度与温度计
（一）温度的宏观定义 (P12) ▲ 1、热平衡：
在与外界影响隔绝的条件下，两物体通过透热壁 相互接触后达到平衡态，就可称两物体已经建立 了热平衡。
热学教程第一章
2021/5/18
30
2011年2月24日
2021/5/18
31
在固定点 t(X0)=t(Y0)=0℃ t(X100)=t(Y100)=100℃
2021/5/18
32
解： 测温参量X随温度t作线性变化 即 t = ax + b 于是：
aX0 + b = 0 … (1)
aX100 + b = 100 … (2)
并规定其数值
2021/5/18
如华氏温标 1724年，Fahrenheit 测温物质：水银 测温属性：水银柱长度X 定标点： 水的冰点：32°F 水的沸点：212°F
24
水银温度计
2021/5/18
25
工业常用的一种温度计
热电偶温度计
不同热电偶电动势
2021/5/18
26
SA和SB是金属A和B的 赛贝克系数B，T1和T2 是两块金属结合处的
二 温度的概念
两个（或多个）热力学系统处于 同一热平衡态时，它们必然具有某 种共同的宏观性质。这一共同的宏 观性质，称为系统的温度。
处于热平衡的多个系统有相同的温度。
2021/5/18
23
1-3 温标的建立
温度的数值表示法叫做温标
一、经验温标
三要素 1. 测温物质和
测温属性 2. 规定测温参量随
温度的变化关系 3. 选定标准温度点
PV F( )
2021/5/18
46
PV
理想气体状态方程的另一种写法
pVRT N A 6 . 0 2 3 1 0 2 3 / m o l
pVRTVNA NRAT p nkT
n
NA
V
—分子数密度
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
热学
（第二版）电子教案 杨体强 编
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版
1
绪论
2
一、热学的研究对象
热学是物理学的一个重要组成部分，是研究热现象的理论。
热学研究的对象是含有大量微观粒子、体积有限的宏观物体。
所谓微观粒子， 是指线度在10-9～10-10 m大小的客体，诸如 分子、原子等，在热学中一般统称为分子或微观粒子。
NA 6.021023个 / mol
阿伏伽德罗常量
标准状态下，单位体积内的分子数：
n0
6.02 1023 22.4 103
m-3 2.7 1025
m-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 =365×24×6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ×60秒≈3.1×107秒
宇宙年龄（秒）：
1.37×1010×3.1×107秒≈4.9×1017秒
计物理学。
8
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。
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。
所谓宏观物体，是指在尺度上远比分子大得多的物体。例如，一 定量的气体，一定体积的液体、固体以及一个生物体等都可视为热 力学系统。对于少量粒子组成的系统或像宇宙这样无限大的系统， 就不是热力学研究的对象。
热学研究的对象被称为热力学系统或热力学体系，简称系统或体 系。
系统以外的其它部分称为外界。
3
系统含有大量微观粒子是怎样的“大” 一摩尔物质含有的分子数：
系统
外界的物质、能量
6
2.热学的研究内容
热学研究有关物质的热运动以及热现象的规律。 什么是热运动
组成宏观物体的大量微观粒子(分子、原子等)不停地进行着 的无规则运动。
什么是热现象
与温度有关的物理性质的变化。 热现象：是热运动的宏观表现。
热运动：是热现象的微观实质。
7
二、热学的研究方法
热力学系统不同于其他系统的一个特点是，它必须是由大量微观 粒子组成的一个整体。
5
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。
孤立系统： 与外界既不交换物质又不交换能量的系统。
系统
外界的物质、能量
封闭系统： 与外界不交换物质但可交换能量的系统。
系统
外界的能量
开放系统： 与外界既交换物质又交换能量的系统。
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。
热力学和统计物理学，在对热现象的研究上，起到了相辅相成
的作用。
9
第一章 温度 第二章 气体分子动理论的基本概念 第三章 气体分子热运动速率和能量的统计分布律 第四章 气体内的输运过程 第五章 热力学第一定律 第六章 热力学第二定律 第七章 固体 第八章 液体 第九章 相变
针对热力学系统是由大量微观粒子组成这一个特点，热学研究在 方法上也有鲜明的特点，即有宏观描述和微观描述两种方法。
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
4
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
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。
10
（第二版）电子教案 杨体强 编
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版
1
绪论
2
一、热学的研究对象
热学是物理学的一个重要组成部分，是研究热现象的理论。
热学研究的对象是含有大量微观粒子、体积有限的宏观物体。
所谓微观粒子， 是指线度在10-9～10-10 m大小的客体，诸如 分子、原子等，在热学中一般统称为分子或微观粒子。
NA 6.021023个 / mol
阿伏伽德罗常量
标准状态下，单位体积内的分子数：
n0
6.02 1023 22.4 103
m-3 2.7 1025
m-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 =365×24×6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ×60秒≈3.1×107秒
宇宙年龄（秒）：
1.37×1010×3.1×107秒≈4.9×1017秒
计物理学。
8
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。
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。
所谓宏观物体，是指在尺度上远比分子大得多的物体。例如，一 定量的气体，一定体积的液体、固体以及一个生物体等都可视为热 力学系统。对于少量粒子组成的系统或像宇宙这样无限大的系统， 就不是热力学研究的对象。
热学研究的对象被称为热力学系统或热力学体系，简称系统或体 系。
系统以外的其它部分称为外界。
3
系统含有大量微观粒子是怎样的“大” 一摩尔物质含有的分子数：
系统
外界的物质、能量
6
2.热学的研究内容
热学研究有关物质的热运动以及热现象的规律。 什么是热运动
组成宏观物体的大量微观粒子(分子、原子等)不停地进行着 的无规则运动。
什么是热现象
与温度有关的物理性质的变化。 热现象：是热运动的宏观表现。
热运动：是热现象的微观实质。
7
二、热学的研究方法
热力学系统不同于其他系统的一个特点是，它必须是由大量微观 粒子组成的一个整体。
5
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。
孤立系统： 与外界既不交换物质又不交换能量的系统。
系统
外界的物质、能量
封闭系统： 与外界不交换物质但可交换能量的系统。
系统
外界的能量
开放系统： 与外界既交换物质又交换能量的系统。
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。
热力学和统计物理学，在对热现象的研究上，起到了相辅相成
的作用。
9
第一章 温度 第二章 气体分子动理论的基本概念 第三章 气体分子热运动速率和能量的统计分布律 第四章 气体内的输运过程 第五章 热力学第一定律 第六章 热力学第二定律 第七章 固体 第八章 液体 第九章 相变
针对热力学系统是由大量微观粒子组成这一个特点，热学研究在 方法上也有鲜明的特点，即有宏观描述和微观描述两种方法。
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
4
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
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。
10