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1、热学1第一章第一章导论导论1.1宏观描述方法与微观描述方法宏观描述方法与微观描述方法 1.1.1热学的研究对象及其特点热学的研究对象及其特点热热学学研究物质热运动与热相联系的各种规律的理论研究物质热运动与热相联系的各种规律的理论热力学热力学统计物理学统计物理学一一、热物理学、热物理学（thermal physics）热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学及光学一起共同被称各种规律的科学。它与力学、电磁学及光学一起共同被称为经典物理四大柱石。为经典物理四大柱石。宏观理论宏观理论（热力学）（热力学）微观理论微观理
2、论（统计物理学）（统计物理学）热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质观察和实验观察和实验力学规律力学规律,统计平均方法统计平均方法二、热学研究对象的特征二、热学研究对象的特征热热学学研研究究的的是是由由数数量量很很大大很很大大的的大大数微观粒子所组成的系统宏观物质数微观粒子所组成的系统宏观物质例例:从从力力学学可可知知，若若方方形形刚刚性性箱箱的的光光滑滑底底上上有有n个个弹弹性性刚刚球球。任任一一球球在在任任一一时时刻刻的的位位置置与与速速度度可可列列出出6个个方方程程。n个个球球就就有有6n个方程。个方程。宏宏观观物物质质由由大大量量微
3、微观观粒粒子子组组成成，微微观观粒粒子子（分分子子、原原子子等等）都都处处于于永永不不停停息息的的无规热运动中无规热运动中.大大量量微微观观粒粒子子的的无无规规热热运运动动-决决定定了了宏宏观观物物质质的的热热学学性性质质特征特征 显然，人类不可能造出一部能计算显然，人类不可能造出一部能计算1023个粒子的运动个粒子的运动方程的计算机。方程的计算机。热物理学研究对象的这一特点决定了它有热物理学研究对象的这一特点决定了它有宏观宏观的与的与微观微观的两种不同的描述方法。的两种不同的描述方法。例例:1mol物质中就有物质中就有6.021023个分子。因而有个分子。因而有661023个方程。个方程。宏
4、观理论宏观理论微观理论微观理论热力学热力学统计物理学统计物理学宏观与微观的两种不同描述方法。宏观与微观的两种不同描述方法。1.1.2 宏观描述方法与微观描述方法宏观描述方法与微观描述方法一、热力学一、热力学（thermodynamics）2.热热力力学学是是具具有有最最大大普普遍遍性性的的一一门门科科学学-不不提提出出任任何何一一个个特特殊殊模型，但又可应用于任何的宏观的物质系统模型，但又可应用于任何的宏观的物质系统.热热力力学学是是热热物物理理学学的的宏宏观观理理论论，它它从从对对热热现现象象的的大大量量的的直直接接观观察察和和实实验验测测量量所所总总结结出出来来的的普普适适的的基基本本定定
5、律律出出发发，应应用用数数学学方方法法，通通过过逻逻辑辑推推理理及及演演绎绎，得得出出有有关关物物质质各各种种宏宏观观性性质质之之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。1.热热力力学学基基本本定定律律是是自自然然界界中中的的普普适适规规律律，结结论论具具有有可可靠靠性性与与普遍性。普遍性。特征特征热力学的局限性：热力学的局限性：（1）它只适用于粒子数很多的宏观系统；它只适用于粒子数很多的宏观系统；（2）它它主主要要研研究究物物质质在在平平衡衡态态下下的的性性质质.它它不不能能解解答答系系统统如如何何从非平衡态进入平衡态的过程；从非平衡态进入
6、平衡态的过程；（3）它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。(4)它它只只能能说说明明应应该该有有怎怎样样的的关关系系，而而不不能能解解释释为为什什么么有有这这种种基本关系。基本关系。要要解解释释原原因因，须须从从物物质质微微观观模模型型出出发发，利利用用分分子子动动理理论论或或统计物理方法予以解决统计物理方法予以解决-微观理论。微观理论。二、统计物理学（二、统计物理学（Statisticalphysics）1.大大数数粒粒子子作作为为一一个个整整体体，存存在在着着统统计计相相关关性性，遵遵从从一一定定的的统统计规律。计规律。统统计计物物理理学学则则
7、是是热热物物理理学学的的微微观观描描述述方方法法，它它从从物物质质由由大大数数分分子子、原原子子组组成成的的前前提提出出发发，运运用用统统计计的的方方法法，把把宏宏观观性性质质看看作作由由微微观观粒粒子子热热运运动动的的统统计计平平均均值值所所决决定定,由由此此找找出出微微观观量量与宏观量之间的关系。与宏观量之间的关系。特征特征2.对对大大数数粒粒子子统统计计所所得得的的平平均均值值就就是是平平衡衡态态系系统统的的宏宏观观可可测测定定的物理量。的物理量。3.系统的粒子数越多，统计规律的正确程度也越高。系统的粒子数越多，统计规律的正确程度也越高。u统计平均值统计平均值x 的统计平均值为的统计平均
8、值为的统计平均值为的统计平均值为随机变量：某一物理量随机变量：某一物理量M在一定条件下的可能取值在一定条件下的可能取值M1、M2、M3，称为称为随机变量随机变量.若随机变量若随机变量Mi出现的概率为出现的概率为Pi，则其统计平均值为，则其统计平均值为概率分布概率分布:Pi第第i个事件发生的总次数与全部事件发生的总次数的比个事件发生的总次数与全部事件发生的总次数的比值称为第值称为第i个事件发生的概率，即个事件发生的概率，即定义：定义：概率分布满足归一化条件：概率分布满足归一化条件：平均值平均值统计规律统计规律微微观观描描述述方方法法的的局局限限性性在在于于它它在在数数学学上上常常遇遇到到很很大大
9、的的困困难难，由由此此而而作作出出简简化化假假设设（微微观观模模型型）后后所所得得到到的的理论结果常与实验不能完全符合。理论结果常与实验不能完全符合。热热物物理理学学涉涉及及的的内内容容很很多多，本本课课程程主主要要讨讨论论以以下下三三部部分分内内容容：（1）热热力力学学基基础础；（2）统统计计物物理理学学的的初初步步知知识识（以以分分子子动动理理论论的的内内容容为为主主）；（3）液液体体、固固体体、相相变变等等物性学方面的基本知识。物性学方面的基本知识。热热学学有有宏宏观观描描述述方方法法（热热力力学学方方法法）与与微微观观描描述述方方法法（统统计计物物理理学学的的方方法法）之之分分。它它们
10、们分分别别从从不不同同角角度度去去研研究究问问题，自成独立体系，相互间又存在千丝万缕的联系。题，自成独立体系，相互间又存在千丝万缕的联系。微观描述方法的局限性：微观描述方法的局限性：热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质总结：总结：1.2热力学系统的平衡态热力学系统的平衡态1.2.1热力学系统热力学系统一、热力学所研究的对象称为热力学系统（一、热力学所研究的对象称为热力学系统（system).l系统与外界可以有相互作用系统与外界可以有相互作用,例如：热传递、例如：热传递、作功、质量交换等作功、质量交换等系统系统l系统的分类系统的分类开放系统
11、开放系统孤立系统孤立系统系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。封闭系统封闭系统系统与外界没有物质交换，只有能量系统与外界没有物质交换，只有能量(热量热量、作功作功)交换。交换。系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统与外界之间，既有物质交换，系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。又有能量交换。二、热力学与力学的区别二、热力学与力学的区别1.热力学的注意力指向系统内部。热力学的注意力指向系统内部。热热物物理理学学研研究究方方法法不不同同于于其其它它学学科科（例例如如力力学学）的的宏宏观观描描述方法。述
12、方法。热力学与力学的区别热力学与力学的区别：2.热热物物理理学学中中一一般般不不考考虑虑系系统统作作为为一一个个整整体体的的宏宏观观的的机机械械运运动动.若系统在作整体运动，则常把坐标系建立在运动的物体上。若系统在作整体运动，则常把坐标系建立在运动的物体上。热热力力学学的的参参量量：与与系系统统内内部部状状态态有有关关的的宏宏观观物物理理量量（诸如压强、体积、温度等）。（诸如压强、体积、温度等）。例：运动卡车上的氧气瓶，其坐标系取在氧气瓶内例：运动卡车上的氧气瓶，其坐标系取在氧气瓶内1.2.2平衡态与非平衡态平衡态与非平衡态平平衡衡态态定定义义：在在不不受受外外界界条条件件影影响响下下，经经过
13、过足足够够长长时时间间后后系系统统必必将将达达到到一一个个宏宏观观上上看看来来不不随随时时间间变变化化的的状状态态，这这种种状态称为平衡态（状态称为平衡态（equilibriumstate）.宏观性质不变宏观性质不变不受外界影响不受外界影响说明说明(1)不受外界影响是指系统与外界不受外界影响是指系统与外界没有能量和粒子交换，如：没有能量和粒子交换，如：两头两头处于冰水、沸水中的金属棒处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态；是一种稳定态，而不是平衡态；处于重力场中气体系统的粒子数密处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度变化，但它是平衡态。度随高度变化，但它是平衡态。低温低温T2高温高
14、温T1我我们们把把在在有有热热流流或或粒粒子子流流情情况况下下，各各处处宏宏观观状状态态均均不不随随时时间间变变化化的的状状态态称称为为稳稳恒恒态态（steadystate）也也称称稳稳态态或或定（常）态（定（常）态（stationalystate)。正确的判别方法应该看是否存在热流与粒子流正确的判别方法应该看是否存在热流与粒子流(2)平衡是热动平衡平衡是热动平衡(3)平衡态的气体平衡态的气体系统宏观量可系统宏观量可用一组确定的值用一组确定的值(p,V,T)表示表示(4)平衡态是一种平衡态是一种理想状态理想状态p1(p1,V1,T1)OV2(p2,V2,T2)没有热流与粒子流没有热流与粒子流宏
15、观上不随时间变化宏观上不随时间变化平衡态平衡态1.2.3热力学平衡热力学平衡（thermodynamic equilibrium)1.热热学学平平衡衡条条件件（thermalequilibrium）：即即系系统统内内部部的的温温度处处相等。度处处相等。热流由系统内部温度不均匀而产生。热流由系统内部温度不均匀而产生。粒子流有两种，一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子流。粒子流有两种，一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子流。2.力力学学平平衡衡（mechanicalequilibrium）条条件件:即即系系统统内内部部各各部分之间、系统与外界之间应达到力学平衡。部分之间、系统与外界之间
16、应达到力学平衡。3.化化学学平平衡衡（chemicalequilibrium）条条件件：在在无无外外场场作作用用下下系统各部分的化学组成也应是处处相同的。系统各部分的化学组成也应是处处相同的。第第二二种种粒粒子子流流，它它不不存存在在由由于于成成群群粒粒子定向运动所导致的粒子宏观迁移子定向运动所导致的粒子宏观迁移.氧气氧气氧氮混合气氧氮混合气氮气氮气例：扩散现象（例：扩散现象（diffusion）1.3物态方程物态方程处处于于平平衡衡态态的的系系统统，只只要要系系统统处处于于某某一一确确定定的的平平衡衡态态，系统的热力学参量也将同时确定。系统的热力学参量也将同时确定。我我们们把把处处于于平平衡
17、衡态态的的某某种种物物质质的的热热力力学学参参量量（如如压压强强、体体积积、温温度度）之之间间所所满满足足的的函函数数关关系系称称为为物物质质的的物物态态方方程程或称状态方程。或称状态方程。例例如如化化学学纯纯的的气气体体、液液体体、固固体体的的温温度度Ti都都可可分分别别由由各自的压强各自的压强pi 及摩尔体积及摩尔体积Vi,m来表示，即来表示，即1.3.1物态方程（物态方程（equationofstates）物物态态方方程程中中都都显显含含温温度度T,物物态态方方程程常常是是一一些些由由理理论论和和实实验验相结合的方法定出的半经验公式。相结合的方法定出的半经验公式。1.3.3理想气体物态方
18、程（理想气体物态方程（equationofstateofidealgas）一一、气体的实验定律气体的实验定律 只只要要在在足足够够宽宽广广的的温温度度压压强强变变化化范范围围内内进进行行比比较较精精细细的的研研究究，就就可可发发现现，气气体体的的物物态态方方程程相相当当复复杂杂，而而且且不不同同气体所遵循的规律也有所不同。气体所遵循的规律也有所不同。但但在在压压强强趋趋于于零零，其其温温度度不不太太高高也也不不太太低低的的情情况况下下，不不同同种种类类气气体体在在物物态态方方程程上上的的差差异可趋于消失。异可趋于消失。理想气体：压强趋于零的极限状态下的气体理想气体：压强趋于零的极限状态下的气体
19、二二理想气体方程物态理想气体方程物态方程方程令一摩尔气体的常量为令一摩尔气体的常量为R，则得：，则得：pVm=RT 能能严严格格满满足足理理想想气气体体物物态态方方程程的的气气体体被被称称为为理理想想气气体体-理想气体宏观定义。理想气体宏观定义。从玻意耳定律、查理（从玻意耳定律、查理（Charles）定律及盖吕萨克）定律及盖吕萨克（Gay-Lussac）定律，可知一定质量的理想气体有）定律，可知一定质量的理想气体有气体质量气体质量m、摩尔质量、摩尔质量Mm,则摩尔数则摩尔数普适气体常量普适气体常量1.4.3混合理想气体物态方程混合理想气体物态方程若若气气体体由由 摩摩尔尔A种种气气体体，摩摩尔
20、尔B种种气气体体等等n种种理理想想气气体体混混合合而而成成，则则混混合合气气体体总总的的压压强强p与与混混合合气气体体的的体体积积V、温温度度T间应有如下关系：间应有如下关系：pV=(v1+v2+vn)RT混合理想气体物态方程混合理想气体物态方程。式中的式中的 p1,p2,pn分别是在容器中把其它气体都排走以分别是在容器中把其它气体都排走以后，仅留下第后，仅留下第i(i=1,2，n)种种气体时的压强，称为第气体时的压强，称为第i种气种气体的分压（常用质谱分析法来测定气体的分压体的分压（常用质谱分析法来测定气体的分压 混合理想气体分压定律混合理想气体分压定律，这是英国科学家道尔顿，这是英国科学家
21、道尔顿（Dalton）于）于1802年在实验中发现的。它与理想气体方程一样，年在实验中发现的。它与理想气体方程一样，只有在压强趋于零时才准确地成立。只有在压强趋于零时才准确地成立。例：一容器储有氧气例：一容器储有氧气0.1kg，压强为，压强为10atm，温度为，温度为47。因。因容器漏气，过一段时间后，压强减到原来的容器漏气，过一段时间后，压强减到原来的5/8，温度降，温度降到到27，若把氧气近似看做理想气体，若把氧气近似看做理想气体，求：（求：（1）容器的体积；（）容器的体积；（2）漏了多少氧气？）漏了多少氧气？解：解：（1）（2）解解因为初、末两态是平衡因为初、末两态是平衡态，所以有态，所
22、以有如图，一绝热密封容器，体积为如图，一绝热密封容器，体积为V0，中间用隔板分成相等，中间用隔板分成相等的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为的两部分。左边盛有一定量的氧气，压强为p0，右边一半，右边一半为真空。为真空。例例求求把中间隔板抽去后，把中间隔板抽去后，达到新平衡时气体的压强达到新平衡时气体的压强1.4.1温度（温度（temperature）热热物物理理学学中中最最核核心心的的概概念念是是温温度度和和热热量量。这这两两个个概概念念很易发生混淆。很易发生混淆。l l要要对对温温度度概概念念作作深深入入理理解解，在在宏宏观观上上应应对对温温度度建建立立严严格格的的科科学学定定义义，因因而
23、而必必须须引引入入热热平平衡衡的的概概念念与与热热力力学学第第零零定律。定律。l温度是热力学所特有的温度是热力学所特有的l l在在微微观观上上，则则必必须须说说明明，温温度度是是处处于于热热平平衡衡系系统统的的微微观粒子热运动强弱程度的度量。观粒子热运动强弱程度的度量。l互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征它们它们的温度是相同的。的温度是相同的。1.4温度与温度计温度与温度计1.4.2热力学第零定律热力学第零定律（zerothlawofthermodynamics)在不受外界影响的情况在不受外界影响的情况下，只要下，只要A和和B同时与同时与C处于处于
24、热平衡，即使热平衡，即使A和和B没有热接没有热接触，它们仍然处于热平衡状触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律被称为热平衡态，这种规律被称为热平衡定律定律-热力学第零定律热力学第零定律1.热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在一个一个相同的特征相同的特征:温度温度-温度的宏观定义温度的宏观定义2.第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的方法（测温方法）。相同的方法（测温方法）。讨论讨论1.4.3温标（温标（temperaturescale）一一温标的建立、经验温标温
25、标的建立、经验温标(1)温标温标(2)经验温标（经验温标（empiricaltemperaturescale）温度的数值表示法温度的数值表示法温标温标 任任何何物物质质的的任任何何属属性性，只只要要它它随随冷冷热热程程度度发发生生单单调调的的、较显著的改变，就可被用来计量温度较显著的改变，就可被用来计量温度-经验温标经验温标例例：在在固固定定压压强强下下液液体体（或或气气体体）的的体体积积，在在固固定定体体积积下下 气气体体的的压压强强，以以及及金金属属丝丝电电阻阻或或低低温温下下半半导导体体的的电电阻阻等都随温度单调地、较显著地变化。等都随温度单调地、较显著地变化。热力学温标（绝对温标）热力
26、学温标（绝对温标）说明说明(1)测温属性测温属性(2)选定固定点选定固定点 以以气气体体为为测测温温物物质质，利利用用理理想想气气体体状状态态方方程程中中体体积积（或或压压强强）不不变变时时压压强强（或或体体积积）与与温温度度成成正正比比关关系系所所确确定定的的温温标称为理想气体温标。标称为理想气体温标。u理想气体温标理想气体温标u经验温标（经验温标（empiricaltemperaturescale）(3)进行分度进行分度 不不同同测测量量物物质质或或不不同同测测温温属属性性所所确确定定的的经经验验温温标标并并不严格一致。不严格一致。气体温度计分为定体及定压气体温度计两种气体温度计分为定体及定压气体温度计两种热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）精品课件精品课件！精品课件精品课件！第一章作业第一章作业思考题：思考题：1.15，1.19习题：习题：1.3.6，1.3.9，1.3.10，1.4.2，1.5.1，1.6.9，1.6.11，1.6.13，1.7.2此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢