热力学和统计物理的课件

热力学和统计物理的研究对象和任务
宏观物质系统：由大量微观粒子组成的气、液、固体。

存在无规则运动——热运动。

运动：机械运动，如：质点的运动，刚体的平动和转动。

热运动：大量微观粒子的无规则运动（例如花粉的运动），有规律性，自身固有的。

为什么研究热运动？它决定了热现象（物性和物态），影响物质的各种宏观性质，如：力、热、电磁、凝聚态（固、液、气）、化学反应进行的方向和限度。

热力学和统计物理学的任务？研究热运动规律及其对宏观性质的影响。

热力学与统计物理的研究方法
热力学和统计物理学的任务相同，但研究方法不同。

1.宏观唯象理论——热力学
2.微观本质理论——统计物理
宏观的观点 即观察一个固体，液体，气体的特性。

如：密度、温度、压力、弹性、传热等，不涉及物质的原子结构。

微观的观点 由物质的原子性质着手，来研究物质的宏观性质。

热力学的基本逻辑体系
以可测宏观物理量描述系统状态；例如气体：压强p 、体积V 和温度T
实验现象 热力学基本定律 宏观物性 其结论可靠且具有普适性；结合实验才能得到具体物性；
物质看成连续体系，不能解释宏观物理量涨落。

例如：焦耳定律、玻意耳定律、阿伏伽德罗定律， 推理演绎为
热力学基本定律：第一、第二、第三定律及推论。

再推理演绎为
卡诺热机性质，热辐射理论，相变理论，化学反应理论亥姆霍兹方程，能态方程，焓态方程等。

统计物理基本逻辑体系
从微观结构出发，深入热运动本质，认为宏观物性是大量微观粒子运动性质的集体表现； 微观粒子力学量 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，可解释涨落现象； 借助微观模型，可近似导出具体物性。

例如：
认为微观粒子遵从力学定律：牛顿定律或量子力学。

经典的 量子的
应用统计原理：最概然统计法 或 系综统计法 微观运动 通过假设 宏观性质 如：分子与壁碰撞时动量的变化→气体压力概念。

分子运动动能→气体温度 典型应用实例：导出理想气体的物态方程PV=RT 理想气体分子速度分布律 普朗克热辐射定律 大气压随高度的变化关系等
@@@第一章 热力学的基本规律
热力学 thermodynamics 平衡态热力学equilibrium thermodynamics 经典热力学classical thermodynamics §1.1 平衡态及其描述 重点掌握几个新概念 一 系统、外界和子系统
热力学系统 由大量微观粒子组成的宏观物质系统 外界 与系统发生相互作用的其它物质 二 系统分类
系统与环境关系一般很复杂，多种多样。

根据我们的研究目的，可用壁来限制系统和环境的关系。

壁：具有特定性质的界面
−−→−归纳−−→−演绎−−−→
−统计平均
常见的理想化界面：
刚性壁：维持体积不变。

绝热壁：不传导热量。

可透膜：允许粒子穿过。

半透膜：允许某种粒子穿过。

不透膜：不允许粒子穿过。

孤立系：与外界不交换能量，不交换粒子。

系统与环境无关。

闭系：与外界交换能量，不交换粒子。

系统可作为热源。

开系：与外界交换能量，交换粒子。

系统可作为热源、粒子库。

系统孤立封闭开放
物质交换无无有
能量交换无有有
平衡态孤立系经过足够长时间（弛豫时间）后必定自发到达的状态，宏观性质不随时间改变。

驰豫时间：由开始的非平衡态经 t 时间后达平衡，则t 为驰豫时间。

平衡态的两个特征：
1.不受外界影响，其内部总需发生从非平衡态向平衡态过渡，直到达到平衡态。

2.已达到平衡态的系统，将长期保持平衡态不变，直到外界影响破坏平衡。

平衡态的判据：
1、系统的外界条件不变。

2、系统的宏观性质保持不变。

3、系统内不出现某些流(热流，电流，物质流，动量流）。

热力学平衡是动态平衡
热动平衡——一切宏观流动停止，热运动未停止，只是平均效果不变。

涨落——宏观物理量围绕平均值的微小起伏，在热力学中忽略不计。

系统的稳恒态（非平衡定态)不一定是平衡态。

非孤立系平衡态：系统+外界=孤立系统。

孤立系平衡后，它的任意子系统也是平衡的。

四平衡态的描述
状态参量平衡态系统具有确定的宏观物理量，这些量不全部独立。

可任意选取一组独立宏观量确定平衡态。

态函数表示为状态参量函数的其它宏观量。

例如：单相系统（P-V系），系统自由度为2，有二个独立参量，如：U= U(P,V） S=S(P,V)
单相系平衡态的描述：
单相系：物理性质均匀的系统。

如：空气（多元，各组元质量固定）
独立变量又称状态参量态函数
状态参量分类几何参量力学参量化学参量电磁参量
思考题：
1定义“物体各部分的性质长时间内不发生任何变化的状态为平衡态”可否？你怎样理解热力学平衡态？2试判断：设有一杆两端温度分别维持在T1和T2。

当杆的状态不再变化后，这个杆是否处于平衡态？
3你所知道的热力学系统状态参量有哪些？
4要研究处于电磁场中的磁介质，哪一个是系统？哪一个是外界？
预习题：
(1)建立温标的理论依据是什么？
(2)建立温标的三个要素是什么？
(3)什么是物态方程？写出几个实例。

(4)由实验系数求物态方程的步骤？
§1.2 热平衡定律和温度
一热接触与热平衡
二 热平衡定律与温度
热平衡定律（热力学第零定律）：和某一系统同时处于热平衡的其它系统,它们之间也必然是热平衡的。

与系统的大小、形状、材料等无关。

如右图：A,B 处于热平衡
A,C 处于热平衡
B,C 处于热平衡？
温度：由热平衡定律可知，必有一个共同的物理性质，可用一个物理量来描述，它在系统之间达到热平衡时，取同一值→即温度。

温度表示物体的冷热程度，微观上反映热运动的剧烈程度。

T 即温度
四 温度的测量
温标：温度的数值表示法。

由热平衡定律：存在 建立温标的三个要素为：（1）温度是状态参数P,V 的 函数，现固定一个参量P （或 V ），使另一独立参量V （或P ）变化，则温度T 与V （或P ）一 一对应，V （或P)称为测温特性。

（2）确定温度T 与测温特性的函数关系，通常取线性关系。

（3）选定两个固定点（可精确重复的平
衡态） ，确定a, b 的值。

例：理想气体温标（满足线性法则）
A
B C B C 21322E mv kT ==T=g(P,V)
T a bV =+
§1.3 物态方程 一 物态方程（态式）：
物态方程 给出一组状态参量与温度 之间的函数关系。

均匀系统
一般系统：
独立参量与 态函数的相对性：例如均匀系中可任选其中两个为状态参量，第三个作为态函数。

T=T(P,V) P,V 为独立参量 P=P(T,V) T,V 为独立参量 V=V(T,P) T,P 为独立参量 二 求物态方程的方法
物态方程代表物质系统的具体性质，地位十分重要，可由实验寻找状态参量的变化关系 而得出。

三 几个重要实验系数
四 广延量与强度量
与总质量成正比的为广延量，有可加性。

如：V,M,N ；与总质量无关的为强度量，如：P,T,H
(,,)0f P V T =(,)
T T P V =(,,,)0f P V r T =…(,,)
T T P V r =…
六物态方程实例
2 简单固体和液体
在P=0，T= T0 时，α、κ都近似为常数.
习题课
思考题：
(1)建立温标的理论依据是什么？
(2)建立温标的三个要素是什么？
(3)什么是物态方程？写出几个实例。

(4)由实验系数求物态方程的步骤？
作业：1.1 1.2 1.3 1.4
§1.4 功
一 过程与准静态过程
过程 热力学状态变化的经历。

准静态过程 无限缓慢进行的理想过程，经历的每个状态可视为平衡态。

实际过程必定经历非平衡态。

中间态 非平衡态 (非静态过程）
平衡态 （准静态过程） 准静态过程是理想的极限概念，可由P-V 图上的 一条曲线代表。

二 无摩擦准静态过程的功(P-V 系)
功 系统与外界交换能量的宏观方式，通过机械作用或电磁作用实现 准静态过程的体胀功：
外界对系统做功：
功是过程量，不是态函数增量。

〈
dW PdV
=-f
i V V W PdV
=-⎰
P V
1
2
2
V O。