第1章热力学的基本规律教案

热力学与统计物理课程教案

导言

一、热力学与统计物理的研究任务、方法与特点

1、研究任务：研究热运动的规律，研究与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化。

2、研究方法：（1）、热力学方法（2）、统计物理学方法

3、特点：

（1）热力学是热运动的宏观理论，它以几个基本规律为基础，应用数学方法，通过逻辑演绎可以得出物质各种宏观性质之间的关系、宏观过程进行的方向和限度等结论。

优点：具有高度的可靠性和普遍性。

局限性：根据热力学理论不可能导出具体物质的特性。此外，热力学理论不考虑物质的微观结构，把物质看成连续体，用连续函数表达物质的性质，因此不能解释涨落现象。

（2）统计物理是热运动的微观理论，从宏观物质系统是由大量微观粒子所构成这一事实出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子性质的集体表现，宏观物理量是微观物理量的统计平均值。

优点：能深入到热运动的本质，可以解释涨落现象。在对物质的微观结构作出假设之后，应用统计物理学理论还可以求得具体物质的特性。

局限性：由于对物质的微观结构所作的往往只是简化的模型假设，所得的理论结果也就往往是近似的。

二、热力学与统计物理学的演变

（1）热力学

1824年，卡诺：卡诺定理

19世纪40年代，迈耶、焦耳、亥母赫兹：热力学第一定律，即能量转换与守恒定律

19世纪50年代，开尔文、克劳修斯：热力学第二定律，即熵增加原理

20世纪初，能斯特：热力学第三定律，即绝对零度不能达到原理

（2）吉布斯：系综理论

（3）非平衡态热力学

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

一、热力学系统及其分类

1、热力学系统：由大量微观粒子组成的宏观物质系统。

2、系统分类

(1) 根据系统与外界相互作用的情况，可作以下区分：

孤立系：与其它物体没有任何相互作用的系统。

闭系：与外界有能量交换，但没有物质交换的系统。

开系：与外界既有能量交换，又有物质交换的系统。

(2) 单相系与复相系

单相系：系统中各部分的性质完全一样。

复相系：系统可分成若干均匀的部分。

例如：水和水蒸气构成—个两相系，水为一个相，水蒸气为另一个相。

(3) 单元系与多元系（根据组元的多少）

二、平衡态

1、平衡态：

一个孤立系统，不论其初态如何复杂，经过足够长的时间后，将会到达这样的状态，系统的各种宏观性质在长时间内不发生任何变化，这样的状态称为热力学平衡态。

2、特点：

（1）、弛豫时间；（2）是一种热动平衡；（3）、存在涨落，但小到可以忽略。

三、状态参量

1、描述系统平衡状态的宏观物理量称为状态参量。

（1）、几何参量（如体积、长度）；（2）、力学参量（如压强）；（3）、电磁参量（如电场强度、电极化强度）；（4）、化学参量（如质量、摩尔数、化学势）

1.2 热平衡定律和温度

一、热平衡定律

1、绝热壁和透热壁

将两个物体用一个固定的器壁隔开，使两物体之间不发生物质的交换和力的相互作用。如果器壁具有这样的性质，当两个物体通过器壁相互接触时，两物体的状态可以完全独立地改变，彼此互不影响，这器壁就称为绝热的。非绝热的器壁称为透热壁。

2、热平衡定律

热平衡定律（热力学第零定律）：如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们彼此也必处在热平衡。它指出：互为热平衡的物体必有一个共同的物理性质，这个性质论证它们在进行热接触时达到热平衡，这个共同的性质就是温度。温度是一个态函数，与过程无关。

3、温度

（1）、热力学第零定律不仅给出了温度的概念，而且指明了比较温度的方法，即可用一个标准的物体来测量其他物体的温度，这个标准的物体就是温度计。

（2）、温标：温度的数值表示法

经验温标的三要素（1）选择测温物质；（2）选定固定点；（3）测温物质随温度的变化作出规定。

（3）、理想气体温标：⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⨯=→t p p p K T t 0lim 16.273 （4）、热力学温标：不依赖于任何具体物质特性的温标，与摄氏温标的关系为15.23-=T t 。

1.3 物态方程

一、 物态方程

1、 物态方程：就是给出温度和状态参量之间的函数关系的方程。

对气体、液体和各项同性的固体等简单系统，可以用体积V 和压强P 来描述它们的平衡状态。一般形式为：()0,,=T V P f

二、 与物态方程有关的物理量

1、 体胀系数α：P

T V V α⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=

1 压强保持不变时，温度升高1K 所引起的物体体积的相对变化。

2、 压强系数β： V

T P P β⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=

1 体积保持不变时，温度升高1K 所引起的物体压强的相对变化。 3、等温压缩系数T k ：T

T P V V k ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-

=1 温度保持不变时，增加单位压强所引起物体体积的相对变化。 三个变量的偏导数之间的关系：1-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂P

V T V T T P P V ，因此α、β、T k 满足：P k βαT =

三、 几种物质的物态方程

1、理想气体的状态方程：nRT PV = 11..31.8--=K mol J R

2、范德瓦耳斯气体的状态方程：()nRT nb V V

an P =-+)(22

3、昂尼斯将物态方程展开为级数：()()⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛=...12T C V n T B V n V nRT P 4、简单液体和固体：()()()[]P k T T αT V P T V T --+=00010,,

5、顺磁性物体的物态方程为：()0,,=T H M f

四、强度量与广延量

1、广延量：与系统的质量或物质的量成正比（如体积V ，总磁矩m 等）

2、强度量：与质量或物质的量无关（如压强P 、温度T 等）

1.4 功

一、准静态过程

1、过程: 指热力学系统由一个状态转变到另一个状态。

系统不处于平衡态时过程一定发生。系统处于平衡态时，改变外界条件过程才会发生。

系统与外界进行能量交换的途径有两种：（1）作功；（2）热传递

2、准静态过程：