中国科学技术大学 University of Science and Technology of China 第1章热学基础知识和气体 Chapter 1 Foundation for Thermal Physics & Gas
§1.1热学基础知识 一、热现象与热运动 > “热学”是研究宏观物体的各种热现象及其相互 联系与规律的一门学科，自然科学一门基础学科。 1.热现象及其宏观理论 (1)热现象：与宏观物体冷热状态相关联的自然现象 ·研究对象： √宏观物体-大量粒子的集合体 ·冷热状态： √用“温度”表述： √与各种性质（几何性质、力学性质、电磁性质、 光学性质、化学性质、相态等)密切相关 2
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(2)热现象的宏观规律和理论 ·从大量热现象的实验事实归纳总结发现，通过数学 手段进行严密的演绎和推论。 。热力学定律： √热力学第零定律：“温度”；宏观物体热接触趋于 冷热相同的状态 √热力学第一定律：能量守恒；给定系统的相同始终 态变化，以功和热形式传递的能量之和总保持恒量。 √热力学第二定律：自发过程的进行方向；“熵”的 概念；熵增加原理 √热力学第三定律：低温极限；不可能完全达到绝对 零度；规定熵的零点 3
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2.热运动与热现象的微观理论 ·宏观理论具有高度可靠性和广泛适用性； ·宏观理论不反映物质特性，不涉及微观结构，不能揭 示热现象本质，不能给出宏观性质的深刻物理含义。 √例如：无法解释组成宏观物体内部物质运动的涨落现象。 (1)宏观物体是由大量分子（微观粒子）组成的 。 微观粒子质量~原子质量单位1u=1.6605655×1027kg ·相对分子质量（分子量）M,摩尔质量 · 摩尔(mol)表示物质的量Na=6.022045×1023mol ·分子数密度n,气体~1019cm-3,凝聚态~1022cm-3 ·分子间平均距离ro,气体~109m,凝聚态~10-10m
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(2)分子的热运动 ·分子之间有间隙 √任何物体都是可压缩的 √气体分子平均间距比凝聚态分子的大一个数量级 ·任何宏观物体内大量分子都在永不停息地运动 √扩散现象：气体扩散，液体扩散，固体扩散 √布朗运动：微小粒子(106m)受分子撞击，涨落，净动量 √分子运动与物体的温度直接相关，温度越高，运动越剧烈 ● 热运动：与物体冷热直接相关的大量分子无规则运动 √热运动是自然界物质运动的一种基本形式 √一切热现象都是大量分子热运动的宏观表现 5
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(3)分子间的相互作用 >分子间作用力f与分子间距离r ·r太大(C109m),f趋于零（短程力） ·r减小到引力作用半径，f表现为吸引力 ·r继续减小，引力增大较快；r再减小，斥力增大更快 ·r=(分子间平衡距离)，f=0(引力和斥力相互抵消) ·r<ro,f表现为排斥力，斥力随r减小迅速增大 6
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>分子间的作用力十分复杂，难以给出精确函数关系 >简化模型：f和的半经验公式： ·f为引力和斥力相互作用之和 斥力 ·引 7 (t=4~7) 一合力 ·斥力 (s=9~15) 0 10-9mr ·合力f= (s>t) 引力 ·分子间平衡距离6= ·分子的有效直径d:气体分子能够靠近的最近距离 7
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>分子间相互作用势能 ·6,与f:,=fdr ·G与r:6p= (s ，,s=8-1,t=t-1) t-1 ·Lennard-Jones势(t'=6,s'为 Ep 9~12之间整数) ·r=ro处，势能极小值-势阱 ·势阱深度为a-结合能 0 ·结合能a:将处于平衡距离的 两分子拆散所需最小能量 8
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>刚球分子模型： ·忽略引力，分子接近超过有效直径则斥力无穷大 ·分子碰撞的微观图像 oo,rd >苏则朗(Sutherland分子力模型 ·引力不能忽略，分子接近超过有效直径则斥力无穷大 oo,r<d 9
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>形成分子间作用力的主要因素 。 永久偶极作用 √极性分子间由于固有/永久偶极的取向而产生定向作用力 √Keesom(1912)力，取向力，与r7成正比 ·诱导偶极作用 √极性分子的极化产生诱导偶极而产生的静电作用力 √Debye(1920)力，诱导力，与r7成正比 。瞬间偶极作用 √电荷分布的瞬间取向不对称，引起的分子间相互作用力 √London(1930)力，弥散力，与r7成正比 ·以上三种力构成van der Waals力 10
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