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1、热力学系统的平衡状态及其描述热力学第1页，共29页，编辑于2022年，星期日热力学热力学统计物理统计物理热力学基本规律；热力学基本规律；均匀热力学系统；均匀热力学系统；相与相变；相与相变；系统微观状态与等概率假设；系统微观状态与等概率假设；玻耳兹曼分布（经典统计）；玻耳兹曼分布（经典统计）；玻色分布和费米分布（量子统计）玻色分布和费米分布（量子统计）.主主 要要 内内 容容第2页，共29页，编辑于2022年，星期日导言导言 热力学现象的一个主要特点是系统的热力学现象的一个主要特点是系统的温度温度 热力学规律在力学、电磁学规律热力学规律在力学、电磁学规律之外之外，又必须与力学、电磁学规律又必须与
2、力学、电磁学规律相容相容。一、热力学研究对象：一、热力学研究对象：热运动规律，与热运动有关的物性，及宏观物热运动规律，与热运动有关的物性，及宏观物质系统的演化。质系统的演化。物质有七态：气态、固态、液态、等离子态和物质有七态：气态、固态、液态、等离子态和玻色爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态、中子态。玻色爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态、中子态。本书重点是气体。本书重点是气体。第3页，共29页，编辑于2022年，星期日导言导言常温：电阻常温：电阻R、电流、电流I、电压电压V。低温：电阻低温：电阻R0、电流、电流I、电压电压V0。临界温度临界温度热容量热容量热容量热容量 有限有限热容量热容量 无限无限例如
3、超导体：例如超导体：第4页，共29页，编辑于2022年，星期日导言导言宏观系统由大量微观粒子组成宏观系统由大量微观粒子组成 系统的热力学性质由其大量微观粒子的无规则运系统的热力学性质由其大量微观粒子的无规则运动决定动决定 两种方法来研究系统的热力学性质：两种方法来研究系统的热力学性质：微观：统计物理微观：统计物理宏观：热力学宏观：热力学结构和模型，统计方法结构和模型，统计方法连续的整体，实验连续的整体，实验二、热力学研究方法：二、热力学研究方法：第5页，共29页，编辑于2022年，星期日第一章 热力学基本规律平衡状平衡状态的描述；态的描述；热力学热力学第一定律第一定律；对理想气体的应用；对理想
4、气体的应用；热力学热力学第二定律第二定律；熵熵；熵增加原理熵增加原理及应用。及应用。第6页，共29页，编辑于2022年，星期日1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平衡状态及其描述1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平衡状态及其描述一、热力学系统和外界一、热力学系统和外界1.1.系统研究对象：大量微观粒子组成的宏观系统系统研究对象：大量微观粒子组成的宏观系统系统系统外界外界边界边界2.2.系统与外界之间可能系统与外界之间可能交换能量或物交换能量或物质质（粒子）。系统按交换类型可分（粒子）。系统按交换类型可分为：为：孤立系统：孤立系统：与外界与外界无无交换。
5、交换。封闭系统：封闭系统：与外界可交换与外界可交换能量能量。开放系统：开放系统：与外界交换与外界交换能量与能量与粒子粒子。第7页，共29页，编辑于2022年，星期日孤立系统：粒子数粒子数 N N 不变、不变、能量能量 E E 不变。不变。封闭系统：粒子数粒子数 N N 不变、不变、能量能量 E E 可变。可变。开放系统：粒子数粒子数 N N 可变、可变、能量能量 E E 可变。可变。例，气体系统例，气体系统1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平衡状态及其描述第8页，共29页，编辑于2022年，星期日1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平衡状态及其描述2.
6、2.平衡状态平衡状态二二.热力学平衡态热力学平衡态1.1.系统的热力学性质由连续的物理量描述：系统的热力学性质由连续的物理量描述：是坐标是坐标和时间，则系统的任意物理量可写作和时间，则系统的任意物理量可写作 实验事实：孤立系统经过很长时间以后，达到一种实验事实：孤立系统经过很长时间以后，达到一种状态，描述其状态的物理量状态，描述其状态的物理量(2)(2)空间上空间上尽可能均匀尽可能均匀(1)(1)时间上时间上不再随时间变化不再随时间变化等等 这种状态叫系统的这种状态叫系统的平衡状态平衡状态。等等第9页，共29页，编辑于2022年，星期日1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平
7、衡状态及其描述 平衡态的不变性和尽可能均匀性可以推广到平衡态的不变性和尽可能均匀性可以推广到封闭系统封闭系统和和开放系统开放系统。存在热流，则温度梯度不为存在热流，则温度梯度不为零。即温度不均匀。零。即温度不均匀。结论：温度为稳定分布，但不是平衡状态结论：温度为稳定分布，但不是平衡状态平衡状态温度应均匀。平衡状态温度应均匀。但需注意区分但需注意区分稳定状态稳定状态和和平衡状态平衡状态第10页，共29页，编辑于2022年，星期日1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平衡状态及其描述三、平衡态的描述和状态参量三、平衡态的描述和状态参量 独立参量的个数随具体系统而定。独立参量的个数
8、随具体系统而定。均匀简单系统均匀简单系统只有只有两个两个状态参量：状态参量：1.1.状态参量状态参量 ：足以确定系统平衡状态的物理量：足以确定系统平衡状态的物理量理想气体：理想气体：P,V,T ，其中的两个为状态参量。，其中的两个为状态参量。肥皂泡表面：肥皂泡表面：A(面积面积),),(表面张力表面张力),),T中任选两个。中任选两个。电介质：电介质：E(电场强度电场强度),),P(电极化强度电极化强度),),T等中两个。等中两个。与非平衡状态比较，确定平衡状态需要的参量个数最少。与非平衡状态比较，确定平衡状态需要的参量个数最少。2.2.状态函数：可表示为状态参量的函数的物理量状态函数：可表示
9、为状态参量的函数的物理量 3.3.简单系统：简单系统：p p，V V可定状态的系统可定状态的系统第11页，共29页，编辑于2022年，星期日1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平衡状态及其描述4.4.状态参量分类状态参量分类力学参量：力学参量：几何参量：几何参量：容积、面积、长度容积、面积、长度压强、表面张力、应力压强、表面张力、应力化学参量：化学参量：质量、摩尔数质量、摩尔数电磁参量：电磁参量：电场强度、极化强度、磁场强度、电场强度、极化强度、磁场强度、磁化强度磁化强度（2 2）按是否具可加性分类：）按是否具可加性分类：广延量：广延量：MM，n n强度量：强度量：T T，
10、p,p,（1 1）按描述的性质分类：）按描述的性质分类：（3 3）内外参量：）内外参量：描述系统的量描述系统的量描述外界的量：描述外界的量：第12页，共29页，编辑于2022年，星期日1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平衡状态及其描述5.5.热力学单位热力学单位 （国际单位制）（国际单位制）压强：压强：帕斯卡：帕斯卡：标准大气压：标准大气压：能量：能量：焦耳：焦耳：第13页，共29页，编辑于2022年，星期日1.1 1.1 热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统的平衡状态及其描述小结小结一、热力学系统和外界一、热力学系统和外界系统系统外界外界边界边界孤立系统：孤立系统：封
11、闭系统：封闭系统：开放系统：开放系统：二二.热力学平衡态热力学平衡态不变性和尽可能均匀性不变性和尽可能均匀性三、平衡态的描述和状态参量三、平衡态的描述和状态参量理想气体：理想气体：P,V,T ，其中的两个为状态参量。，其中的两个为状态参量。对于开系注意区分对于开系注意区分稳定状态稳定状态和和平衡状态平衡状态第14页，共29页，编辑于2022年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度1.2 1.2 热平衡定律和温度热平衡定律和温度一、热平衡的可传递性一、热平衡的可传递性1.1.绝热与透热绝热与透热绝热绝热：无热交换：无热交换透热透热：可热交换：可热交换第15页，共29页，编辑于202
12、2年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度2.2.透热导致热平衡透热导致热平衡热平衡：热平衡：第16页，共29页，编辑于2022年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度3.3.热平衡的可传递性热平衡的可传递性表示热平衡表示热平衡二、热力学第二、热力学第 0 0 定律定律1.1.温度的引入温度的引入三个相互独立的均匀系统的三个相互独立的均匀系统的6 6个状态参量：个状态参量：第17页，共29页，编辑于2022年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度在四个独立的在四个独立的之中加一个约束条件，之中加一个约束条件，即它们之间产生一个函数关系即它们之间产生一个
13、函数关系同理同理产生一个函数关系产生一个函数关系解之得解之得解之得解之得a.b.c.故有：故有：产生函数关系产生函数关系它与上式应同时成立，它与上式应同时成立，故故 是不必要的，因此是不必要的，因此第18页，共29页，编辑于2022年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度2.2.热力学第热力学第 0 0 定律定律 两个系统分别与第三个系统热平衡，则这两个系统两个系统分别与第三个系统热平衡，则这两个系统相互热平衡。相互热平衡。的每一边都表示一个热力学函数。的每一边都表示一个热力学函数。此式表明，两个系统热平衡时，存在一个互相此式表明，两个系统热平衡时，存在一个互相相等相等的热力的热
14、力学量学量-温度温度。第19页，共29页，编辑于2022年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度三、温度计三、温度计（2 2）利用几何量或物理量的变化，指示温度的变化。）利用几何量或物理量的变化，指示温度的变化。（3 3）选择适当的测温物质标定温度。如理想气体温标、）选择适当的测温物质标定温度。如理想气体温标、热力学温标。热力学温标。（1 1）用建立热平衡的方法测量温度）用建立热平衡的方法测量温度第20页，共29页，编辑于2022年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度(1)(1)建立温度计与被测建立温度计与被测系统的热平衡。系统的热平衡。1.1.水银温度计水银温度
15、计(2)(2)选择选择水银柱长随水银柱长随温温 度变化指示温度。度变化指示温度。0102030(3)用水的三相点作摄用水的三相点作摄 氏零度。沸点为氏零度。沸点为 100100度。确定温标。度。确定温标。第21页，共29页，编辑于2022年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度四、温标四、温标2.2.理气温标理气温标3.3.热力学温标。热力学温标。1.1.经验温标：经验温标：2.2.定容气体温度计定容气体温度计理气温标可用范围内与热力学温标一致。理气温标可用范围内与热力学温标一致。3.3.摄氏与热力学温标换算：摄氏与热力学温标换算：水的三相点下温度计中气体的压强水的三相点下温度计
16、中气体的压强 摄氏温标和华氏温标摄氏温标和华氏温标第22页，共29页，编辑于2022年，星期日1.2 1.2 平衡定律和温度平衡定律和温度小结小结一、热平衡具有可传递性一、热平衡具有可传递性二、热力学第二、热力学第 0 0 定律定律 两个系统分别与第三个系统热平衡，则这两个系两个系统分别与第三个系统热平衡，则这两个系统相互热平衡。统相互热平衡。三、温度计和温标三、温度计和温标2.2.理气温标理气温标1.1.经验温标：经验温标：3.3.摄氏与热力学温标换算：摄氏与热力学温标换算：第23页，共29页，编辑于2022年，星期日1.3 1.3 物态方程物态方程1.3 1.3 物态方程物态方程一、物态方
17、程一、物态方程1.1.理论方法，统计部分讲。理论方法，统计部分讲。2.2.试验方法，测试验方法，测 ，推出物态方程。，推出物态方程。一般：一般：简系：简系：二、物态方程的确定二、物态方程的确定第24页，共29页，编辑于2022年，星期日1.3 1.3 物态方程物态方程（1 1）体胀系数）体胀系数表示压强不变时，体积随温度的相对变化率。表示压强不变时，体积随温度的相对变化率。（2 2）压强系数）压强系数表示容积不变时，压强随温度的相对变化率。表示容积不变时，压强随温度的相对变化率。（3 3）等温压缩系数）等温压缩系数表示温度不变时，单位体积随压强的变化率。表示温度不变时，单位体积随压强的变化率。
18、（4 4）三者关系）三者关系证明？证明？第25页，共29页，编辑于2022年，星期日1.3 1.3 物态方程物态方程（6 6）物态方程）物态方程（5 5）对固体、液体，要）对固体、液体，要T升高而体积不变很难，故而常测升高而体积不变很难，故而常测 和和 ，推知，推知第26页，共29页，编辑于2022年，星期日1.3 1.3 物态方程物态方程二、几种物态方程二、几种物态方程1.1.气体气体（n n摩尔）理想气体：摩尔）理想气体：（1 1摩尔）范氏气体：摩尔）范氏气体：昂尼斯气体方程昂尼斯气体方程第27页，共29页，编辑于2022年，星期日1.3 1.3 物态方程物态方程2.2.简单固体和液体简单固体和液体系数系数 和和 很小很小3.3.顺磁性固体顺磁性固体可以测量的热力学量：可以测量的热力学量：磁化强度磁化强度磁场强度磁场强度温度温度居里定律居里定律即：物态方程即：物态方程第28页，共29页，编辑于2022年，星期日1.3 1.3 物态方程物态方程小结小结1.1.三个系数三个系数2.2.两个方程两个方程3.3.一个计算推导一个计算推导物态方程物态方程作业作业:1.1,1.2:1.1,1.2，1.31.3第29页，共29页，编辑于2022年，星期日