热学第一章课件

热学平衡态 系统内部的温度处处相等
我们把在有热流或粒子流情况下，各处宏观状态均不随时间变化的状态称为 稳恒态（steady state），也称稳态或定（常）态（stationaly state）
例三 扩散现象
平衡条件
(1）力学平衡 (2）热平衡 (3）化学平衡
氧气
氮气
非平衡态
化学平衡条件
氧气 氮气
现代物理中的热学（20世纪）
量子统计物理的建立
在1900年欧洲物理年会上，英国物理学家开尔文发表过一段非常著名的讲话， 其中他不仅说“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修 饰完善这座大厦”，而且说“在物理学的天空中几乎一片晴朗，只存在两朵乌 云”。他指的两朵乌云其实就是迈克尔逊 — 莫雷测量“以太风”实验和测量黑 体辐射实验中用现有的经典物理无法解释
19 世纪的热学
能量转化和守恒定律的发现
1. 哲学准备阶段 A) 1644 年笛卡儿在《哲学原理》中就提出了运动不变的思想，但没有 给出具体反映这种不变性本质的物理概念 B) 德国科学家迈耶从哲学角度首先确定了这种永恒性，他坚信“无不生 有，有不变无”。通过对马拉车运动过程进行了细致的分析，指出轮子摩 擦散热和马做功一定有确定的比例 2. 实验准备阶段
热现象规律
特点：普遍性、可靠性
二、统计物理学方法 对微观结构提出 模型、进行假设
统计方法
热现象规律
特点：可揭示本质，但受模型局限
热学的重要性：
它是物理理论的一个重要组成部分
普通物理学（经典物理四大支柱）
力学，热学，电磁学，光学
理论物理学（四大力学）
经典力学，热力学和经典统计力学， 电动力学，量子力学
(2) 平衡是热动平衡 (3) 平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值 (p,V,T)表示 (4) 平衡态是一种理想状态
例一 气体自由膨胀 平衡条件
(1）力学平衡 (2）热平衡 (3）化学平衡
非平衡态 (非力学平衡)
平衡态
例二 热传导
T1
金属棒处于非平衡态: 非孤立系统
T2
平衡条件
(1）力学平衡 (2）热平衡 (3）化学平衡
英国科学家焦耳通过大量精确和严格的实验，测量出热功当量，确立了 建立能量转化与守恒定律的实验基础
3. 理论总结阶段 德国科学家亥姆霍兹最终建立了能量守恒定律的数学表达
19 世纪的热学
热力学第二定律的确定
德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文分别对法国工程师卡诺关于理想热 机效率问题研究成果进行细致的分析，各自独立地发现了热力学第二定律，并找 到了反映物质各种性质的热力学函数
热学研究简史
人类对热现象的认识首先源于对火的认识
古代物理学中的热学：
古代西方：火、土、水、气是构成万物的四个主要元素 中国古代：金、木、水、火、土五行学说
17、18 世纪对热的认识
热是物质内部分子运动的表现这一基本思想逐步确立， 但由于缺乏精确实验根据，尚未形成科学理论 18 世纪中叶以后，系统的计温学和量热学的建立，使 热现象的研究走上实验科学的道路，由于各种物理现象 的相互联系尚未被揭示出来，“热质”这一特殊的“物 质 ” 被臆想出来，在以“将错就错”的形式发挥一定 作用后最终退出历史舞台
物质的热状态能定量描述吗？有什么规律吗？ 热力学系统处于某一确定的平衡 态时，系统的热力学参量也将同 时确定 一个确定的平衡态对应于一组唯 一的热力学参量
系统
物态方程
处于平衡态的某种物质的热力学参量（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
f (T , p, V ) 0
等温压缩系数：温度保持不变时单位压强变化所引起 的系统体积的相对变化（即变化率）
p 3
热膨胀现象：铁轨，水泥路，岩石风化现象
气体状态三定律
玻意尔定律 (Boyle 1662）： T不变 盖吕萨克定律 (Gay-Lussac 1802）：p 不变 查理定律 (Charles 1787）： V 不变
pV C
V V0 (1 pt )
p p0 (1 V t )
爱因斯坦晚年（1949年）说过：
“一个理论，如果它的前提越简单，而且能 说明各种类型的问题越多，适用的范围越广， 那么它给人的印象就越深刻。因此，经典热 力学给我留下了深刻的印象。经典热力学是 具有普遍内容的唯一的物理理论，我深信， 在其基本概念适用的范围内是绝对不会被推 翻的。”
热力学是具有最大普遍性的一门科学， 它不同于 力学、电磁学， 因为它不提出任何一个特殊模型， 但它又可应用于任何宏观的物质系统
可推出：
p ( p1 p2 ... pn )
混合理想气体分压定律：混合理想气体压强等于 各成分气体单独存在时 的压强之和
-3 3 例 一柴油的汽缸容积为 0.827×10 m 。压缩前汽缸的空气温 度为320 K， 压强为8.4×104 Pa ，当活塞急速推进时可将空 气压缩到原体积的 1/17 ， 使压强增大到 4.2×106 Pa 。
作业
P48-49: 1.3.1; 1.3.9
课外练习
（1）推导
p 3
（2）列举自然界中和生活中看到的热膨胀现象 （3）推导
p ( p1 p2 ... pn )
（4）求理想气体的等温压缩系数，体膨胀系数 和压强系数
复习§1.1-1.3（1）
•热物理学研究对象（宏观物体或热力学系统），内 容（与热现象有关的性质和规律），特点（包含大 量的微观粒子，这些粒子始终处于无规的热运动中） •研究热物理学的两个方法：热力学方法（宏观实 验），统计物理学方法（微观模型） •热力学系统平衡态（在没有外界影响的情况下，系 统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状 态），系统达到热力学平衡的三个条件（力学平衡 条件，热学平衡条件，化学平衡条件）
B
A、B 两体系的平衡态有联 系，达到共同的热平衡状态 （热平衡）。A、B 两体系 有共同的宏观性质，称为系 统的温度 处于热平衡的多个系统具有 相同的温度
A B
C
若 A 和 C、B 和 C 分别热平衡， 则 A 和 B 一定热平衡
热力学第零定律 在不受外界影响时，任两个物体若同时与 第三个物体处于热平衡，则此二物体必处于 热平衡状态，与它们是否有热接触无关 热力学第零定律的物理意义： 存在一个物理量，它是处于热平衡的物体共 同拥有的，这就是温度。即，处于热平衡的 物体温度相同。这就是温度计使用的物理依 据
5. 肖国平，《热学》，高等教育出版社 6. 吴瑞贤等，《热学教程》，四川大学出版社
7. 徐行，《热学》，高等教育出版社
8. 张玉民等，《热学》，高等教育出版社 9. 李洪芳，《热学》，复旦大学出版社
10.D.哈理德等，《物理学》（第二册），科学出版社
§1.2 热力学系统的平衡态
热力学关注什么？ 热力学研究的内容与力学不同，它们分别关 注物质的不同属性。力学关注的是与物质机 械运动状态有关的属性，而热学关注的是与 物质热状态有关的属性
普通物理学教程
热学
热学第一章 导论
•热物理学基本概念：平衡态，物态方程，温 度与温度计 •系统热性质的微观机制：模型，基本假定， 基本方法和结果，分子力与分子力势能
§1.1 宏观描述方法与微观描述方法
热：hot 什么叫热：温度高叫热？多高才叫热？ 热是一种状态，是宏观物质的一种属性。本 质上，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。它的度量叫温度
统计物理学的建立
1850 年前后，物理学界普遍认识到了热现象和分子运动的联系，但微观结构和 分子运动的物理图像仍是模糊或未知的 A)凭借着对分子运动的假设和运用统计方法，克劳修斯导出了气体实验公式 B)麦克斯韦和玻尔兹曼在研究分子分布规律和平衡态上做出了卓有成效的工作
C)吉布斯把玻耳兹曼和麦克斯韦所创立的统计方法推广而发展成为系统的理论， 将平衡态和涨落现象统一起来并结合分子动理论一起构成统计物理学
热力学系统：热力学所研究的具体对象，简称系统
系统是由大量分子组成， 如气缸中的气体
外界：系统以外的物体
系统与外界可以有相互作用 例如：热传递、质量交换等
系统
系统的分类 封闭系统：系统与外界之间，没有物质交换，
只有能量交换
孤立系统：系统与外界之间，既无物质交换， 又无能量交换 开放系统：系统与外界之间，既有物质交换， 又有能量交换
在无外场作用下系统各部分 的化学组成处处相同
平衡态
热力学平衡
热力学平衡系统：同时满足力学平衡条件，热 学平衡条件，化学平衡条件 的系统
平衡条件
（1）力学平衡（通常压强处处相等） （2）热平衡（温度处处相等） （3）化学平衡（化学组成处处相等）
热力学平衡系统的特征：系统中不存在热流与粒子流
§1.3 物态方程
理想气体物态方程
pV R T
R 为普适气体常量，也叫摩尔（mol）气体常量 ν 为摩尔数，1摩尔含6×1023个分子 理论上：严格满足理想气体物态方程的气体称为 理想气体 实践中：压强接近零的气体视为理想气体
混合理想气体物态方程
pV ( 1 2 ... n ) R T
热物理学（Thermal Physics ）
热物理学是研究有关物质的热运动以及与热运 动相联系的各种规律的科学
研究对象：宏观物体或热力学系统 研究内容：与热现象有关的性质和规律 研究对象的特点：包含大量的微观粒子，这 些粒子始终处于无规的热运动中
研究方法：
一、热力学方法 宏观基本实验规律
逻辑推理
T
1 dV ( )T V dp
体膨胀系数：压强保持不变时单位温度变化所引起 的系统体积的相对变化
p
1 dV ( )p V dT
压强系数：体积保持不变时单位温度变化所引起的系 统压强的相对变化
V
1 dp ( )V p dT
线膨胀系数：
1 dl ( )p l dT
线膨胀系数与体膨胀系数的关系：
1593年：伽利略发明温度计
1632年：法国物理学家雷伊
1641年：意大利托斯卡纳大公爵费迪 南二世，酒精温度计，有刻度 17世纪：佛罗伦萨温度计： 冰冻的水 或雪 1665年：惠更斯提出冰和沸水作为固 定点 1702年：阿蒙顿温度计，水沸点作为 唯一固定点
A
绝热板
A
导热板
B
A、B 两体系互不 影响各自达到平 衡态
温度要点
温度是一个宏观量
温度是一个态函数 温度相等是衡量两系统是否达到热平衡 的充分必要条件
温度测量：
酒精或水银 A B
A 和 B 热平衡， TA=TB ；
B << A， A 改变很 小，TA 基本是原来 体系 A 的温度
温标：温度的数值表示
建立温标的三要素： （1）选择测温物质 确定它的测温属性 （2）定义固定标准点的温度 （3）利用测温属性分度
复习§1.1-1.3（2）
•物态方程
f (T , p,V ) 0
pV R T
• 理想气体物态方程
•理想气体的定义（严格满足理想气体物态方程的气体）
§1.4 温度与温度计
温度高热量就一定多吗？ 温度是什么？ 温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动平 均动能强弱程度的量度
早期的温度计
空气
水
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平衡态 在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观 性质在长时间内不发生变化的状态
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，这 就是平衡态
说明
(1) 不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传 热的方式交换能量，如：
两头处于冰水、沸水中的金属棒
是一种稳定态，而不是平衡态
高温T1
低温T2
求 这时空气的温度 解
p1V1 p2V2 T1 T2
p2V2 T2 T1 p1V1
pV R T
4.2 106 1 T2 320 941K 4 8.4 10 17
T2 > 柴油的燃点（柴油的燃点220℃） 若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推 动活塞作功，这就是柴油机点火的原理
非平衡态统计物理学的建立
20世纪50年代以后，非平衡态热力学和统计物理学得到迅速发展，其代表人 物是比利时物理学家普里高津
主要参考书目：
1. 秦允豪，《热学》，高等教育出版社
2. 赵凯华等，《热学》，高等教育出版社 3. 黄淑清等， 《热学教程》，高等教育出版社
4. 李椿等，《热学》，高等教育出版社
水
1632年：法国物理学家雷伊
摄氏温标：由摄尔修斯（1742年）建立的水银 温度计温标
测温物质： 水银 测温属性： 热膨胀 固定标准点：水的冰点0度， 沸点100度 分度： 0到100度间等 分为100小格