热力学与统计物理学导论 物质的热运动? 宏现物体是由大量的微观粒子(分子或其它粒子)构 成的,这些微观微子又不停地进行着无规划的运动 把大量徼观粒子的无规则运动称作物质的热运动,热 运动有其自身固有的规律性 热运动的存在又必然影响到物质的各种宏观性质 例如,物质的力学性质、热学性质、电磁性质、聚集 状态、化学反应进行的方向和限度等 热运动也必须影响到宏观物质系统的演化
1 一.物质的热运动? 宏现物体是由大量的微观粒子(分子或其它粒子) 构 成的,这些微观微子又不停地进行着无规划的运动. 把大量微观粒子的无规则运动称作物质的热运动,热 运动有其自身固有的规律性. 热运动的存在又必然影响到物质的各种宏观性质. 例如,物质的力学性质、热学性质、电磁性质、聚集 状态、化学反应进行的方向和限度等. 热运动也必须影响到宏观物质系统的演化. 热力学与统计物理学导论
二.热力学与统计物理学的研究任务(相同)? 研究热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响 三.热力学与统计物理学的研究方法(相异)? 热力学不考虑物质的微观结构,而是从实验总结出的 定律出发经过严密的逻辑推理得到,物体宏观热性质间 的联系,从而揭示热现象的有关规律 例如,热力学第一、第二、第三定律等 具有高度的可靠性和普遍性. 不可能导出具体物质的性质,不能解释涨落现象 认为,热现象是微观粒子热运动的宏观表 现,而实际观测到的宏观热力学量则是相应微观力学量 的统计平均值
2 二.热力学与统计物理学的研究任务(相同)? 研究热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响. 三.热力学与统计物理学的研究方法(相异)？ 热力学不考虑物质的微观结构,而是从实验总结出的 定律出发经过严密的逻辑推理得到,物体宏观热性质间 的联系,从而揭示热现象的有关规律. 例如,热力学第一、第二、第三定律等. 具有高度的可靠性和普遍性. 不可能导出具体物质的性质,不能解释涨落现象. 统计物理学认为,热现象是微观粒子热运动的宏观表 现,而实际观测到的宏观热力学量则是相应微观力学量 的统计平均值
统计物理学深入到热运动的本质,能够把热力学中 个相互独立的基本规律归结于一个基本的统计原理,阐 明这三个定律的统计意义,还可以解释涨落现象. 在对物质的微观结构作出某些假设之后,应用统计物 理学理论可以求得具体物质的特性,并阐明产生这些特 性的微观机理 统计物理学也有它的局限性,由于统计物理学对物质 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 两种研究方法存在着各自的优缺点,在实际研究中 需要互为补充,相辅相成
3 统计物理学深入到热运动的本质,能够把热力学中三 个相互独立的基本规律归结于一个基本的统计原理,阐 明这三个定律的统计意义,还可以解释涨落现象. 在对物质的微观结构作出某些假设之后,应用统计物 理学理论可以求得具体物质的特性,并阐明产生这些特 性的微观机理. 统计物理学也有它的局限性,由于统计物理学对物质 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. 两种研究方法 存在着各自的优缺点,在实际研究中, 需要互为补充,相辅相成
四.本课程的特点和要求 作为宏观理论与微观理论的结合,热力学与统计物 理学是一个比较好的例子.其中统计物理的部分与当 代物理学前沿的很多内容结合较紧 数学上不是太难,但是需要补充一些概率论方面的 知识.重要的是把握好物理模型的构建以及概念之间 的相互关系,学习中重点领会其中的物理思想和物理 方法
4 四.本课程的特点和要求 作为宏观理论与微观理论的结合,热力学与统计物 理学是一个比较好的例子.其中统计物理的部分与当 代物理学前沿的很多内容结合较紧. 数学上不是太难,但是需要补充一些概率论方面的 知识.重要的是把握好物理模型的构建以及概念之间 的相互关系,学习中重点领会其中的物理思想和物理 方法
热力学与统计物理学(一) 第一章热力学基本定律
5 第一章 热力学基本定律 热力学与统计物理学(一)
§1.1平衡态及其描述 成大一、系统的分类(孤立系、闭系、开系) 互外 的量 作界 宏的有无能量交换有无物质交换系统种类用与 观微 孤立系的系 物观 其统 质粒 闭系 它发 系子 无有有 无无有 开系|物生 统组 热力学平衡态 质相 在不受外界影响的条件下,系统的性质不随时间变 化的状态为热力学平衡态。 1.驰豫过程与驰豫时间;2.热动平衡; 3.不受外界影响的条件;4.非孤立系的平衡态
6 §1.1 平衡态及其描述 一、系统的分类 （孤立系、闭系、开系） 有无能量交换 有无物质交换 系统种类 无 无 孤立系 有 无 闭 系 有 有 开 系 二、热力学平衡态 在不受外界影响的条件下，系统的性质不随时间变 化的状态为热力学平衡态。 1.驰豫过程与驰豫时间； 成大 的量 宏的 观微 物观 质粒 系子 统组 互外 作界 用与 的系 其统 它发 物生 质相 2.热动平衡； 3.不受外界影响的条件； 4.非孤立系的平衡态
状态函数 1.状态参量:足以确定系统平衡状态的宏观物理量 2.状态函数:用状态参量(自变量)示的宏观物理量 3.非热学特有参量:几何、力学、化学、电磁参量 4.热学特有参量:温度(热力学系统的状态函数) 5.简单系统:只需体积和压强参量便可确定的系统 四、相 个物理性质均匀的系统称为一个相根据相的数 量,可以分为单相系和复相系 五、非平衡态的描述 将系统划分为若干个小部分,使每个小部分仍然是含 有大量徼观粒子的宏观系统.由于各部分之间只通过界 面区域的分子发生相互作用;各小部分的弛豫时间比整 个系统的弛豫时间小,各个小部分能够分别近似地处在 局域的平衡状态
7 三、状态函数 四、相 五、非平衡态的描述 一个物理性质均匀的系统称为一个相.根据相的数 量,可以分为单相系和复相系. 1.状态参量：足以确定系统平衡状态的宏观物理量 2.状态函数：用状态参量(自变量)示的宏观物理量 3.非热学特有参量：几何、力学、化学、电磁参量 4.热学特有参量：温度(热力学系统的状态函数) 5.简单系统：只需体积和压强参量便可确定的系统 将系统划分为若干个小部分,使每个小部分仍然是含 有大量微观粒子的宏观系统.由于各部分之间只通过界 面区域的分子发生相互作用;各小部分的弛豫时间比整 个系统的弛豫时间小,各个小部分能够分别近似地处在 局域的平衡状态
§1.2热平衡定律及温度 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 彼此也处在热平衡. C C a b a b 二、态函数温度 温度概念的引入和定量的测量均以热平衡定律为 基础.处在热平衡状态下的热力学系统,存在一个状 态函数,对于互为热平衡的系统,该函数的数值相等
8 §1.2 热平衡定律及温度 一、热平衡定律(热力学第零定律） 二、态函数温度 如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡,它们 彼此也处在热平衡. c a b c a b c a b c a b 温度概念的引入和定量的测量均以热平衡定律为 基础.处在热平衡状态下的热力学系统,存在一个状 态函数,对于互为热平衡的系统,该函数的数值相等
为简单起见,在此仅仅考虑简单系统 若A与C平衡,则有 AC(PA,A2PC2C )=0 Pd Ac(pa,VA,Vc 若B与C平衡,则有: BC(PB2B2PC2C )=0 pc= FBc(pB,VB,vo Ac(pA,AVC BC(PB2B,C 由热平衡定律,A与B平衡, far(pa,va, pB,)=0 故: A(,A B(PB2 ) 存在着态函数g(PV)用来表征系统热平衡状态下的 特征,经验表明,这就是系统的温度
9 若A与C平衡,则有: ( , ; ) ( , ; , ) 0 C AC A A C AC A A C C p F p V V f p V p V = = 若B与C平衡,则有: ( , ; ) ( , ; , ) 0 C BC B B C BC B B C C p F p V V f p V p V = = ( , ; ) ( , ; ) FAC pA VA VC = FBC pB VB VC 由热平衡定律,A与B平衡, f AB(pA ,VA , pB ,VB ) = 0 故: ( , ) ( , ) gA pA VA = gB pB VB 为简单起见,在此仅仅考虑简单系统 存在着态函数g(P,V )用来表征系统热平衡状态下的 特征,经验表明,这就是系统的温度
温度计与温标 经验温标:凡是以某物质的某一属性随冷热程度的 变化为依据而确定的温标称为经验温标 2.理想气体温标: T=273.16Kx lim p 3.热力学温标:不依赖任何具体物质特性的温标.在 理想气体可以使用的范围内,理想气体温标与热力学温 标是一致的 4.摄氏温度t与热力学温度T之间的数值关系: t=T-273.15
10 三.温度计与温标 1.经验温标:凡是以某物质的某一属性随冷热程度的 变化为依据而确定的温标称为经验温标. 2.理想气体温标: = → t p p p T t 0 273.16 K lim 3.热力学温标: 不依赖任何具体物质特性的温标.在 理想气体可以使用的范围内,理想气体温标与热力学温 标是一致的. 4.摄氏温度t与热力学温度T之间的数值关系: t =T −273.15