第一章引言、热力学第一定律 1.1 Introduction 1.2温度：热力学第零定律 1.3过程 1.4热力学第一定律 1.5功的表达式 1.6热容 1.7理想气体的Carnot过程
第一章 引言、热力学第一定律 1.1 Introduction 1.2 温度：热力学第零定律 1.3 过程 1.4 热力学第一定律 1.5 功的表达式 1.6 热容 1.7 理想气体的 Carnot 过程
1.1 Introduction 科研第一步：把宇宙分为系统和环境 a系统(system) 研究对象，通常指占据某个特定空间内的东西 Q环境/外界(environment/surrounding) 宇宙中对象之外的其它部分 界面/约束(constrain/wall/surface/interface) 把对象和环境区分开来，可以是实体的、也可以是虚拟的 Surrounding 有人把宇宙可以分为系统和 环境这个假设戏称为热力学 第负无穷大定律。 System 霉传统的热力学里系统和环境 只能在界面相互作用→只考 虑短程相互作用。 Interface
1.1 Introduction 科研第一步：把宇宙分为系统和环境 系统（system） 研究对象，通常指占据某个特定空间内的东西 环境/外界（environment/surrounding） 宇宙中对象之外的其它部分 界面/约束（constrain/wall/surface/interface） 把对象和环境区分开来，可以是实体的、也可以是虚拟的 ✬ ✫ ✩ ✪ ☞有人把宇宙可以分为系统和 环境这个假设戏称为热力学 第负无穷大定律。 ☞传统的热力学里系统和环境 只能在界面相互作用 ⇒ 只考 虑短程相互作用
系统的分类 按照边界/界面的不同把系统分类：典型的三类系统 。孤立系统 固定的边界，不可变形，不可传递能量和物质 系统和环境所有性质都不接触 内外所有的平衡均可不同 Q封闭系统 边界可以变形，可以传递能量，但不能传递物质 可以有力（包括电磁力）、热接触，但是无化学接触 内外可以达到力学、热学平衡，但是可以化学不平衡 Q开放系统 边界可以变形，可以传递能量和物质 具有所有可能的力、热和化学接触 内外达到所有平衡：力学、热学和化学平衡 霉存在介乎中间的系统 介乎孤立/封闭系统：边界可以是刚性透热，或者弹性绝热的 介乎封闭/开放系统：半透膜，只有部分物质可以实现化学接触
系统的分类 按照边界/界面的不同把系统分类：典型的三类系统 孤立系统 固定的边界，不可变形，不可传递能量和物质 系统和环境所有性质都不接触 内外所有的平衡均可不同 封闭系统 边界可以变形，可以传递能量，但不能传递物质 可以有力（包括电磁力）、热接触，但是无化学接触 内外可以达到力学、热学平衡，但是可以化学不平衡 开放系统 边界可以变形，可以传递能量和物质 具有所有可能的力、热和化学接触 内外达到所有平衡：力学、热学和化学平衡 ☞ 存在介乎中间的系统 介乎孤立/封闭系统：边界可以是刚性透热，或者弹性绝热的 介乎封闭/开放系统：半透膜，只有部分物质可以实现化学接触
系统→模型 对象具有非常多的性质，但是在研究的时候不可能，也没有必要 研究所有的性质⑧对研究对象进行抽象和理想化，建立模型，只 留下理想的性质 色彩、纹路 气味、味道 系统 力学性质 模型 性质 电磁性质 性质 尺寸 化学性质
系统 ⇒ 模型 对象具有非常多的性质，但是在研究的时候不可能，也没有必要 研究所有的性质 ☞ 对研究对象进行抽象和理想化，建立模型，只 留下理想的性质 系统 ======⇒ 性质 色彩、纹路 气味、味道 力学性质 电磁性质 尺寸 化学性质 模型 ⇐====== 性质
描述系统/模型：参量 选定参量来描述模型的性质与关系 原始参量(primitive parameters):直观，与感官系统直接 相联系的性质 例如：位置r:时间t:速度v:质量m:力F:电量Q 关系：r=r0+v1,F=Q1Q2r/(0r3), Q高级参量(secondary parameters):抽象，对原始参量的数 学组合 例如：加速度a=光；动量p=mv:动能K=mv2/2:势 能U=mgh 关系：牛顿定律F=ma,能量守恒K+U三C 哈密顿量H=H(r,p),正则方程产=VpH,p=-VrH 露高级参量一抽象化一简化列方程一更广泛的规律
描述系统／模型：参量 选定参量来描述模型的性质与关系 原始参量（primitive parameters）: 直观，与感官系统直接 相联系的性质 例如：位置 𝒓；时间 t；速度 𝒗；质量 𝑚；力 𝑭；电量 𝑄 关系：𝒓 = 𝒓0 + 𝒗𝑡，𝑭 = 𝑄1𝑄2 𝒓/(𝜀0𝑟 3 )，· · · 高级参量（secondary parameters）：抽象，对原始参量的数 学组合 例如：加速度 𝒂 = 𝑑𝒗 𝑑𝑡 ；动量 𝒑 = 𝑚𝒗；动能 𝐾 = 𝑚𝑣2 /2；势 能 𝑈 = 𝑚𝑔ℎ 关系：牛顿定律 𝑭 = 𝑚𝒂，能量守恒 𝐾 + 𝑈 ≡ 𝐶 · · · 哈密顿量 𝐻 = 𝐻(𝒓, 𝒑)，正则方程 𝒓¤ = ∇ 𝒑𝐻, 𝒑¤ = −∇𝒓𝐻 ☞ 高级参量 ⇒ 抽象化 ⇒ 简化列方程 ⇒ 更广泛的规律
不同分支里的模型 几何参量V,时间t 学科 模型 参数 规律 质点，刚 位置r,速度v,力F r=vt 力 体，理想 加速度a,动量p F =ma=p 学 弹性体， 动能K、势能U E=K+U三C 理想流体 哈密顿量H p=-0rH 压强P r=OpH 电 点电荷， 电量Q,电流1，磁矩M 库伦定律 磁 磁偶极 电磁场强度，电位移矢量 Maxwell方程 学 矩，电磁 电磁场能、动量 E-ED+BH 2 介质 哈密顿量H p=-0rH 化学 化学组元 物质的量，摩尔数 化学反应式 N2,H2 nN,,nH N2+3H2 =2NH3 热力学 温度T,内能U,熵S 状态方程 热力学 平衡态、 自由能F,Gibbs自由能G 热力学三定律 准静态过 化学势4 程
不同分支里的模型 几何参量 𝑉，时间 𝑡 学科 模型 参数 规律 力 学 质点，刚 体，理想 弹 性 体， 理想流体 位置 𝒓, 速度 𝒗，力 𝑭 𝒓 = 𝒗𝑡 加速度 𝒂，动量 𝒑 𝑭 = 𝑚𝒂 = 𝒑¤ 动能 𝐾、势能 𝑈 𝐸 = 𝐾 + 𝑈 ≡ 𝐶 哈密顿量 𝐻 𝒑¤ = −𝜕𝒓𝐻 压强 𝑝 𝒓¤ = 𝜕𝒑𝐻 电 磁 学 点 电 荷， 磁 偶 极 矩，电磁 介质 电量 𝑄，电流 𝐼，磁矩 𝑴 库伦定律 电磁场强度，电位移矢量 Maxwell 方程 电磁场能、动量 𝐸 = 𝑬·𝑫 2 + 𝑩·𝑯 2 哈密顿量 𝐻 𝒑¤ = −𝜕𝒓𝐻 化学 化学组元 物质的量，摩尔数 化学反应式 𝑁2, 𝐻2 𝑛𝑁2，𝑛𝐻2 𝑁2 + 3𝐻2 = 2𝑁𝐻3 热力学 热 力 学 平 衡 态、 准静态过 程 温度 𝑇，内能 𝑈，熵 𝑆 状态方程 自由能 𝐹，Gibbs 自由能 𝐺 热力学三定律 化学势 𝜇
热力学系统和热力学参量 。热力学的研究对象：热力学系统 处于热力学平衡态下的宏观体系，包含大量的微观粒子 霉N个粒子的系统一般情况下需要6N个参数描述系统状 态~1023个参数 Q热力学平衡态 在外界约束不改变时，系统通过足够长时间的演化后达到的 一种状态，在此状态下各个宏观参量不发生改变 露可以只用少数几个宏观参量就可以描述系统—— 热力学 参量 ⑧热力学平衡态是热力学中的第一个模型 Q多长算是足够长？ 。哪些参量是宏观参量？
热力学系统和热力学参量 热力学的研究对象：热力学系统 处于热力学平衡态下的宏观体系，包含大量的微观粒子 ☞ 𝑁 个粒子的系统一般情况下需要 6𝑁 个参数描述系统状 态 ∼ 1023 个参数 热力学平衡态 在外界约束不改变时，系统通过足够长时间的演化后达到的 一种状态，在此状态下各个宏观参量不发生改变 ☞ 可以只用少数几个宏观参量就可以描述系统——–热力学 参量 ☞ 热力学平衡态是热力学中的第一个模型 多长算是足够长？ 哪些参量是宏观参量？
热力学系统和热力学参量 。热力学参量：宏观参量 Q几何参量：形状、尺寸、表面积A,体积V,… Q力学参量：张力F,压强p,… 动能K,势能U,Hamiltonian H, o. 电磁学参量：电场E,电偶极矩P,电位移矢量D=soEV+P: 磁场H,磁偶极矩M,磁感应强度B=4o(HB+M):· 电磁能E=E·D/2+B·H/2,Hamiltonian H,· Q化学参量：物质的量NA,NB,· 反应热，化学势HA,μB, Q热学参量：温度T 内能U,熵S,自由能F,焓H,Gibbs自由能G 霉平衡态热力学力不包含时间参量 露热力学参量是宏观物理量，是微观物理量的总和或者平均， 忽略了大量微观细节
热力学系统和热力学参量 热力学参量：宏观参量 几何参量：形状、尺寸、表面积 𝐴，体积 𝑉，· · · 力学参量：张力 𝐹，压强 𝑝，· · · 动能 𝐾，势能 𝑈，Hamiltonian 𝐻，· · · 电磁学参量：电场 𝑬，电偶极矩 𝑷，电位移矢量 𝑫 = 𝜀0𝑬𝑉 +𝑷； 磁场 𝑯，磁偶极矩 𝑴，磁感应强度 𝑩 = 𝜇0 (𝑯𝐵 + 𝑴)；· · · 电磁能 𝐸 = 𝑬 · 𝑫/2 + 𝑩 · 𝑯/2，Hamiltonian 𝐻，· · · 化学参量：物质的量 𝑁𝐴，𝑁𝐵，· · · 反应热，化学势 𝜇𝐴，𝜇𝐵，· · · 热学参量：温度 𝑇 内能 𝑈，熵 𝑆，自由能 𝐹，焓 𝐻，Gibbs 自由能 𝐺 · · · ☞ 平衡态热力学力不包含时间参量 ☞ 热力学参量是宏观物理量，是微观物理量的总和或者平均， 忽略了大量微观细节
热力学参量的分类 热力学平衡态下，按照参量和粒子数N(或者摩尔数n=N/NA) 的关系，可以分为两类 Q广延量：与粒子数成正比，心N1 例如：总质量M,总体积V,内能U,… Q强度量：与粒子数无关，cxN0 例如：压强p,温度T,电磁场E,H, 传统热力学参量只有这两种，要么心N,要么心W,不会 有其它类型（如xN2)的参量。 s非平衡参量可以既非广延量也非强度量，例如涨落心N12 广延量和强度量可以互相转化：u=U/N,orU/W ⑧能够把物理量划分为广延量和强度量的条件是相互作用是短 程的。这样把大系统划分成小系统时，只要考虑小系统之间 界面的影响。在系统很大时（热力学极限），界面的影响相 对可以忽略，大系统可以看成是小系统的简单叠加。如果有 长程作用（例如重力）的话，就不能这么简单处理。这种系 统称为非广延系统，典型例子包括星系等
热力学参量的分类 热力学平衡态下，按照参量和粒子数 𝑁（或者摩尔数 𝑛 = 𝑁/𝑁𝐴） 的关系，可以分为两类 广延量：与粒子数成正比，∝ 𝑁 1 例如：总质量 𝑀，总体积 𝑉，内能 𝑈，· · · 强度量：与粒子数无关，∝ 𝑁 0 例如：压强 𝑝，温度 𝑇，电磁场 𝑬, 𝑯，· · · ☞ 传统热力学参量只有这两种，要么 ∝ 𝑁 1，要么 ∝ 𝑁 0，不会 有其它类型（如 ∝ 𝑁 1/2）的参量。 ☞ 非平衡参量可以既非广延量也非强度量，例如涨落 ∝ 𝑁 ±1/2 ☞ 广延量和强度量可以互相转化：𝑢 = 𝑈/𝑁，or 𝑈/𝑉 ☞ 能够把物理量划分为广延量和强度量的条件是相互作用是短 程的。这样把大系统划分成小系统时，只要考虑小系统之间 界面的影响。在系统很大时（热力学极限），界面的影响相 对可以忽略，大系统可以看成是小系统的简单叠加。如果有 长程作用（例如重力）的话，就不能这么简单处理。这种系 统称为非广延系统，典型例子包括星系等
热力学的特点和难点 。描述宏观性质、宏观参量之间的关系，与微观细节无关 ·可以同时考虑多种性质，其规律是普适的 不管系统多复杂，需要多少个参量描述， 只要处于热力学平衡态，热力学规律都成立
热力学的特点和难点 描述宏观性质、宏观参量之间的关系，与微观细节无关 可以同时考虑多种性质，其规律是普适的 不管系统多复杂，需要多少个参量描述， 只要处于热力学平衡态，热力学规律都成立