第三篇热物理学与非线性现象 牛顿力学:质点和质点组的机械运动 热学:微观粒子组成的宏观物体的热运动 绪论 热学:研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影 响,以及与物质其他运动形态之间的转化规律。 所谓热运动即组成宏观物体的大量微观粒子的一种 永不停息的无规运动。 按照研究方法的不同,热学可分为两门学科 热力学和统计物理学。 它们从不同角度研究热运动,二者相辅相成,彼此联 系又豆相补充。 20:37:42
20:37:42 2 第三篇 热物理学与非线性现象 牛顿力学: 质点和质点组的机械运动 热 学: 微观粒子组成的宏观物体的热运动 • 热学：研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影 响，以及与物质其他运动形态之间的转化规律。 所谓热运动即组成宏观物体的大量微观粒子的一种 永不停息的无规运动。 绪 论 • 按照研究方法的不同，热学可分为两门学科: 热力学和统计物理学。 它们从不同角度研究热运动，二者相辅相成，彼此联 系又互相补充
热力学是研究物质热运动的宏观理论。从基本实验定 律出发,通过逻辑推理和数学演绎,找出物质各种宏观性质的 关系,得出宏观过程进行的方向及过程的性质等方面的结论。 具有高度的普适性与可靠性。但因不涉及物质的微观结构,而 将物质视为连续体,故不能解释物质宏观性质的涨落。 统计物理学是研究物质热运动的微观理论。从物质由 大量微观粒子组成这一基本事实出发,运用统计方法,把物 质的宏观性质作为大量微观粒子热运动的统计平均结果,找 出宏观量与微观量的关系,进而解释物质的宏观性质。 在对物质微观模型进行简化假设后,应用统计物理可求出具体 物质的特性;还可应用到比热力学更为广阔的领城,如解释 涨落现象。 本章热力学:热力学三定律熵的概念 重点:统计原理:玻耳兹曼方程分布函数 预计学时:10学时 20:37:42
20:37:42 3 • 热力学是研究物质热运动的宏观理论。从基本实验定 律出发，通过逻辑推理和数学演绎，找出物质各种宏观性质的 关系，得出宏观过程进行的方向及过程的性质等方面的结论。 具有高度的普适性与可靠性。但因不涉及物质的微观结构，而 将物质视为连续体，故不能解释物质宏观性质的涨落。 • 统计物理学是研究物质热运动的微观理论。从物质由 大量微观粒子组成这一基本事实出发，运用统计方法，把物 质的宏观性质作为大量微观粒子热运动的统计平均结果，找 出宏观量与微观量的关系，进而解释物质的宏观性质。 在对物质微观模型进行简化假设后，应用统计物理可求出具体 物质的特性；还可应用到比热力学更为广阔的领域，如解释 涨落现象。 热 力 学: 热力学三定律 熵的概念 统计原理: 玻耳兹曼方程 分布函数 本章 重点: 预计学时: 10学时
第一节温度与热力学第一定律 热力学概念 1.系统与外界 热力学系统(简称系统):在给定范围内,由大量微 观粒子所组成的宏观客体。 系统的外界(简称外界):能够与所研究的热力学系统 发生相互作用的其它物体。 孤立系统 封闭系统 开放系统 N绝热系统 Swwwwwwwww 20:37:42
20:37:42 4 第一节 温度与热力学第一定律 一、热力学概念 1. 系统与外界 孤立系统 封闭系统 开放系统 绝热系统 系统的外界（简称外界）：能够与所研究的热力学系统 发生相互作用的其它物体。 热力学系统（简称系统）：在给定范围内，由大量微 观粒子所组成的宏观客体
2、熟力学平衡态 个系统在不受外界影响的条件下,如果它的宏观性质 不再随时间变化,我们就说该系统处于热力学平衡态。 平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况。 对平衡态的理解应将“无外界影响”与“不随时间变 化”同时考虑,缺一不可。 热动平衡:平衡态下,组成系统的微观粒子仍处于不 停的无规运动之中,只是它们的统计平均效果不随时 间变化,因此热力学平衡态是一种动态平衡,称之为 热动平衡。 20:37:42
20:37:42 5 2 、热力学平衡态 一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质 不再随时间变化，我们就说该系统处于热力学平衡态。 平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况。 对平衡态的理解应将“无外界影响”与“不随时间变 化”同时考虑，缺一不可。 热动平衡: 平衡态下，组成系统的微观粒子仍处于不 停的无规运动之中，只是它们的统计平均效果不随时 间变化，因此热力学平衡态是一种动态平衡，称之为 热动平衡
状态参量—平衡态的描述 确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量。 常用的状态参量有: 广延量 几何参量(如:气体体积) 强度量 力学参量(如:气体压强) 热学参量(如:温度) 化学参量(如:混合气体各化学组分的质量和摩尔数等) 电磁参量(如:电场和磁场强度,电极化和磁化强度等) 如果在所研究的问题中既不涉及电磁性质又无须考虑与化学成 分有关的性质,系统中又不发生化学反应,则不必引入电磁参 量和化学参量。 此时只需体积和压强就可确定系统的平衡态,我们称这种系统 为简单系统(或pV系统)。 20:37:42
20:37:42 6 确定平衡态的宏观性质的量称为状态参量。 状态参量——平衡态的描述 如果在所研究的问题中既不涉及电磁性质又无须考虑与化学成 分有关的性质，系统中又不发生化学反应，则不必引入电磁参 量和化学参量。 此时只需体积和压强就可确定系统的平衡态，我们称这种系统 为简单系统（或 p—V 系统）。 常用的状态参量有： 几何参量（如：气体体积） 力学参量（如：气体压强） 热学参量（如：温度） 化学参量 （如：混合气体各化学组分的质量和摩尔数等） 电磁参量 （如：电场和磁场强度，电极化和磁化强度等） 广延量 强度量
热平衡 将两个分别处于平衡态的系统A和B用一刚性隔板分隔 开。若隔板为“绝热板”(如图(a)), 则A,B两系统的状态可独立地 变化而互不影响。 绝热板 若隔板为“导热板”(如图(b)),则AB两 B 系统状态不能独立地改变,一个系统状态的 变化会引起另一系统状态的变化 通过导热板两个系统的相互作用叫热接触。 通过导热板进行热接触的两个系统寻热板B 组成一复合系统,当复合系统达到 平衡态时,我们就说两个系统处于热平衡。 20:37:42
20:37:42 7 绝热板 A B A 导热板 B 热平衡 将两个分别处于平衡态的系统A和B用一刚性隔板分隔 开。若隔板为“绝热板”（如图(a)）， 则A，B两系统的状态可独立地 变化而互不影响。 (a) (b) 若隔板为“导热板”（如图(b)），则A,B两 系统状态不能独立地改变, 一个系统状态的 变化会引起另一系统状态的变化. 通过导热板两个系统的相互作用叫热接触。 通过导热板进行热接触的两个系统 组成一复合系统，当复合系统达到 平衡态时，我们就说两个系统处于热平衡
热力学第0定律 如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统 达到热平衡,则这两个系统彼此也将处于热平衡。 温度互为热平衡的几个热力学系统,必然具有某 种共同的宏观性质,我们将这种决定系统热平衡的宏 观性质定义为温度。 *温度是热学中特有的物理量,它决定一系统是否与其他系统 处于热平衡。处于热平衡的各系统温度相同。 *温度是状态的函数,在实质上反映了组成系统大量微观粒子无 规则运动的激烈程度。 *第零定律给出温度定义(温度测量的依据) *热力学温标: 水的三相点温度取为27316K。203742
20:37:42 8 热力学第0定律 如果两个系统分别与处于确定状态的第三个系统 达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。 温度 互为热平衡的几个热力学系统，必然具有某 种共同的宏观性质，我们将这种决定系统热平衡的宏 观性质定义为温度。 * 温度是热学中特有的物理量，它决定一系统是否与其他系统 处于热平衡。处于热平衡的各系统温度相同。 ** 温度是状态的函数，在实质上反映了组成系统大量微观粒子无 规则运动的激烈程度。 **** 热力学温标： 水的三相点温度取为273.16K。 *** 第零定律给出温度定义（温度测量的依据）
3、热力学过程 当系统的状态随时间变化时,我们就说系统在经历 个热力学过程,简称过程。 例:推进活塞压缩汽缸内的气体时,气体的体积、 密度、温度、压强都将变化,在过程中的任意时 刻,气体各部分的密度、压强、温度都不完全相 同。 非静态过程 随着过程的发生,系统往往由一个平衡状态到平衡受 到破坏,再达到一个新的平衡态。从平衡态破坏到新 平衡态建立所需的时间称为弛豫时间,用示。 实际发生的过程往往进行的较快,在新的平衡态达到之前系统 又继续下一步变化。实际上系统在过程中经历了一系列非平衡 态,这种过程为非静态过程。作为中间态的非平衡态通常不能 用状态参量来描述。 20:37:42
20:37:42 9 3、热力学过程 当系统的状态随时间变化时，我们就说系统在经历 一个热力学过程，简称过程。 例：推进活塞压缩汽缸内的气体时，气体的体积、 密度、温度、压强都将变化，在过程中的任意时 刻，气体各部分的密度、压强、温度都不完全相 同。 • 非静态过程 随着过程的发生，系统往往由一个平衡状态到平衡受 到破坏，再达到一个新的平衡态。从平衡态破坏到新 平衡态建立所需的时间称为弛豫时间，用表示。 实际发生的过程往往进行的较快，在新的平衡态达到之前系统 又继续下一步变化。实际上系统在过程中经历了一系列非平衡 态，这种过程为非静态过程。作为中间态的非平衡态通常不能 用状态参量来描述
●准静态过混 一个过程,如果任意时刻的中间态都无限接近于一个平 衡态,则此过程为准静态过程。显然,这种过程只有在 进行的“无限缓慢”的条件下才可能实现。 对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间△t 远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。 演示 作为准静态过程中间状态的平衡态, 具有确定的状态参量值,对于简单 系统可用pV图上的一点来表示这 个平衡态。系统的准静态变化过程 可用pV图上的一条曲线表示,称 之为过程曲线。 0 10 20:37:42
20:37:42 10 ⚫准静态过程 一个过程，如果任意时刻的中间态都无限接近于一个平 衡态，则此过程为准静态过程。显然，这种过程只有在 进行的 “ 无限缓慢 ” 的条件下才可能实现。 演 作为准静态过程中间状态的平衡态， 示 具有确定的状态参量值，对于简单 系统可用p—V图上的一点来表示这 个平衡态。系统的准静态变化过程 可用p—V图上的一条曲线表示，称 之为过程曲线。 对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间Dt 远远大于弛豫时间τ才可近似看作准静态过程。 p V 0
二、热力学第一定律 1.功 无摩擦准静态过程,其特点是没有摩擦力,外界在准 静态过程中对系统的作用力,可以用系统本身的状态 参量来表示。 例32.右图活塞与汽缸无摩擦,当气体作准静态压 缩或膨胀时,外界的压强P必等于此时气体的压强P, 否则系统在有限压差作用 下,将失去平衡(则为非 影影 静态过程)。若有摩擦力存 在,虽然也可使过程进行 的“无限缓慢”,但P=P 影影 11 20:37:42
20:37:42 11 二、热力学第一定律 无摩擦准静态过程，其特点是没有摩擦力，外界在准 静态过程中对系统的作用力，可以用系统本身的状态 参量来表示。 P Pe [例3.2.1] 右图活塞与汽缸无摩擦，当气体作准静态压 缩或膨胀时，外界的压强Pe 必等于此时气体的压强P， 否则系统在有限压差作用 下，将失去平衡（则为非 静态过程）。若有摩擦力存 在，虽然也可使过程进行 的“无限缓慢”，但Pe = P. 1. 功