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1、 研研究究一一个个与与温温度度有有关关的的各各种种宏宏观观现现象象热热现现象象，以及这些现象的以及这些现象的微观机制。微观机制。1 1热学的研究对象热学的研究对象2.3 2.3 宏宏观观与与微微观观的的关关系系：微微观观粒粒子子的的热热运运动动与与系系统统的的各各种种宏宏观观热热现现象象之之间间存存在在着着内内在在的的联联系系。宏宏观观量量等于微观量的统计平均值。等于微观量的统计平均值。2.2.宏观与微观宏观与微观2.1 2.1 宏宏观观现现象象与与宏宏观观量量：宏宏观观现现象象即即一一个个系系统统所所表表现现出出来来的的各各种种物物理理性性质质以以及及这这些些性性质质的的变变化化规规律律。描
2、描述述一一个个系系统统宏宏观观性性质质的的物物理理量量称称为为宏宏观观量量。例例：P、V、T、E、C等。等。2.2 2.2 微微观观运运动动与与微微观观量量：微微观观运运动动即即系系统统内内部部的的微微观观粒粒子子的的热热运运动动。描描述述微微观观粒粒子子热热运运动动的的物物理理量量称称为微观量。例：为微观量。例：m、v、等。等。3 3热学的两种研究方法热学的两种研究方法 宏宏观观方方法法：把把系系统统看看成成一一个个整整体体，从从基基本本的的热热力力学学定定律律（这这些些定定律律是是从从观观察察、实实验验中中总总结结出出来来的的）出出发发，通通过过严严密密的的逻逻辑辑推推理理的的方方法法研研
3、究究系系统统的的各各种种宏宏观性质及其变化规律观性质及其变化规律热力学。热力学。微微观观方方法法：依依据据微微观观粒粒子子热热运运动动所所满满足足的的力力学学定定律律，通通过过统统计计的的方方法法研研究究系系统统的的宏宏观观性性质质，并并揭揭示示各各种种热现象的本质热现象的本质统计物理学。统计物理学。5-1 5-1 平衡态平衡态 状态参量状态参量 状态方程状态方程5-2 5-2 气体分子热运动及其统计规律气体分子热运动及其统计规律5-3 5-3 麦克斯韦速率分布麦克斯韦速率分布5-4 5-4 理想气体的压强与温度理想气体的压强与温度5-5 5-5 能量均分定理能量均分定理 理想气体的内能理想气
4、体的内能5-6 5-6 分子的平均碰撞频率和平均自由程分子的平均碰撞频率和平均自由程5-7 5-7 输运现象输运现象1.1.热力学系统热力学系统 把研究的对象视为一个系统，称为把研究的对象视为一个系统，称为热力学系统，热力学系统，而系统以外的部分则称为而系统以外的部分则称为外界。外界。热力学系统是一个由大量的热力学系统是一个由大量的微观粒子（分子、原子）组微观粒子（分子、原子）组成的宏观系统。成的宏观系统。热力学系统与外界之间通过热力学系统与外界之间通过做功，热传递和粒子交换而做功，热传递和粒子交换而相互联系。相互联系。外界外界热力学系统热力学系统2.2.平衡态平衡态 平衡态是一种动态平衡状态
5、平衡态是一种动态平衡状态 在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间改变的状态，称为随时间改变的状态，称为平衡态。平衡态。3.3.状态参量状态参量3.1 3.1 状态参量：状态参量：描述热力学系统平衡态宏观性质的描述热力学系统平衡态宏观性质的物理量。物理量。例：例：p、T、V、E、S.3.2 3.2 气体状态参量：气体状态参量：压强压强(P)、体积、体积(V)、温度、温度(T)压强（压强（p）：作用于容器壁上单位面积的力。作用于容器壁上单位面积的力。体体积积（V）：分分子子热热运运动动所所能能达达到到的的空空间间，即即容容器器体积。体积。单位：单位：
6、帕斯卡（帕斯卡（Pa）、）、大气压（大气压（atm）单位：单位：立方米（立方米（m3）、）、升（升（L）AB导热板导热板A A、B B 两两系系统统达达到到 热热平平衡衡 时时，两两系系统统具具有有一一个个共共同同的宏观性质的宏观性质 温度温度 。温温度度（T）：互互为为热热平平衡衡的的系系统统所所具具有有的的的的一一个个共共同的宏观性质，称为系统的温度同的宏观性质，称为系统的温度 。温标：温标：温度的定量表示。温度的定量表示。摄氏温标：摄氏温标：t（0C）热力学温标：热力学温标：T（K）大爆炸后的宇宙温度大爆炸后的宇宙温度1039K实验实验室能室能够够达到的最高温度达到的最高温度108K太阳
7、中心的温度太阳中心的温度1.5107K太阳表面的温度太阳表面的温度6000K地球中心的温度地球中心的温度4000K水的三相点温度水的三相点温度273.16K微波背景微波背景辐辐射温度射温度2.7K实验实验室能室能够够达到的最低温度达到的最低温度（激光制冷）（激光制冷）2.410-11K一些典型的温度值一些典型的温度值4.4.状态方程状态方程4.1 4.1 状状态态方方程程：状状态态参参量量（P，V，T）之之间间的的关关系，即系，即f（P,V,T）=04.2 4.2 理想气体状态方程理想气体状态方程PV=RT气体普适常量气体普适常量作业：作业：9-11.1.气体分子热运动的微观模型气体分子热运动
8、的微观模型 1 1）气体系统由大量的分子组成。）气体系统由大量的分子组成。2 2）每每个个分分子子都都在在作作不不停停的的运运动动热热运运动动。由由于于分分子之间频繁的碰撞，分子的运动是杂乱无章的。子之间频繁的碰撞，分子的运动是杂乱无章的。3 3）气气体体分分子子之之间间的的相相互互作作用用力很小（一般可忽略）。力很小（一般可忽略）。个个别别分分子子的的运运动动是是杂杂乱乱无无章章的的，但但大大量量分分子子运运动的集体表现存在着一定的统计规律。动的集体表现存在着一定的统计规律。2 2分子热运动的统计规律分子热运动的统计规律例：例：1.1.掷骰子掷骰子2.2.伽尔顿板实验伽尔顿板实验统计物理关心
9、两件事：统计物理关心两件事：1.分布分布2.平均值平均值1）分分子子本本身身的的线线度度比比起起分分子子间间的的间间距距小小得得多多而而可可忽略不计。忽略不计。2）除除了了碰碰撞撞的的瞬瞬间间外外，分分子子之之间间以以及及分分子子与与容容器器壁之间的相互作用力可忽略不计。壁之间的相互作用力可忽略不计。3）分分子子之之间间以以及及分分子子与与容容器器壁壁之之间间的的碰碰撞撞都都是是弹弹性性碰撞碰撞3.3.理想气体的微观模型理想气体的微观模型 理理想想气气体体分分子子可可视视为为自自由由的的、无规则运动的弹性质点群。无规则运动的弹性质点群。1 1气体分子速率分布气体分子速率分布 离散：离散：连续：
10、连续：分布函数分布函数分布函数分布函数 fO v vv+dv fO v v1 v2v3v4v52 2麦克斯韦速率分布麦克斯韦速率分布 处处于于平平衡衡态态下下的的理理想想气气体体系系统统，分分子子速速率率在在vv+dv区间内的分子数占总分子数的百分比为区间内的分子数占总分子数的百分比为其中其中k1.381023 J/K为为玻玻尔尔兹兹曼常数。曼常数。f(v)的性质：的性质：1）存在最可几速率）存在最可几速率vp2）T增大，速率大的分子数增多，增大，速率大的分子数增多，vp增大增大3）f(v)满足归一化条件：满足归一化条件：fO v vp1T1 T2vp23.3.三个统计速率三个统计速率麦克斯韦
11、麦克斯韦Maxwell，JamesClerk(18311879)英英国国物物理理学学家家。经经典典电电动动力力学学的的创创始始人人，统统计计物物理理学学的的奠奠基基人人之之一一。1831 1831 年年 6 6月月1313日日生生于于爱爱丁丁堡堡，1879 1879 年年1111月月5 5日日卒卒于于剑剑桥桥。184718471850 1850 年年在在爱爱丁丁堡堡大大学学学学习习，1850 1850 18541854年年入入剑剑桥桥三三一一学学院院攻攻读读数数学学。1856185618601860年年担担任任阿阿伯伯丁丁郡郡的的马马里里查查尔尔学学院院教教授授。186018601865186
12、5年年在在伦伦敦敦皇皇家家学学院院执执教教，并并从从事事气气体体运运动动理理论论的的研研究究 。1860 1860 年年为为英英国国皇皇家家学学会会会会员员。18711871年年任任剑剑桥桥大大学学教教授授，创创建建并并领领导导了了英英国国第第一一个个专专门门的的物物理理实实验验室室 卡卡文文迪迪什什实实验验室室 。麦麦克克斯斯韦韦的的主主要要贡贡献献是是创创立立了了经经典典电电动动力力学学。他他发发展展了了M.M.法法拉拉第第关关于于电电、磁磁相相互互作作用用必必须须通通过过中中间间媒媒质质的的思思想想，并并把把这这种种中中间间媒媒质质称称为为以以太太 (后后来来研研究究表表明明，不不存存在
13、在所所谓谓的的以以太太，这这种种中中间间媒媒质质实实际际上上是是电电磁场磁场)，并在此基础上提出了位移电流的概念，并在此基础上提出了位移电流的概念 。麦麦克克斯斯韦韦研研究究了了法法拉拉第第的的电电磁磁场场设设想想，于于18641864年年发发表表了了电电磁磁场场动动力力学学理理论论，提提出出包包括括偏偏微微分分方方程程的的麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组，概概括括了了当当时时已已知知的的关关于于电电磁磁现现象象的的一一切切实实验验结结果果，从从而而创创立立了了经经典典电电动动力力学学。他他根根据据这这一一理理论论得得出出结结论论：存存在在着着电电磁磁波波；电电磁磁波波在在真真空空中中传传播播的的
14、速速度度等等于于光光速速；光光的的本本质质是是电电磁磁波波；电电磁磁波波会会产产生生压压力力等等 。麦麦克克斯斯韦韦在在这这一一期期间间的的著著作作还还有有 1855185518561856年年发发表表的的论论法法拉拉第第力力线线 、186118611862 1862 年年发发表表的的论论物物理理力力线线、18731873年年发发表表的的电电学学和和磁磁学学论论等等。18681868年年继继W.W.韦韦伯伯等等之之后后，他他以以更更高高的的精精确确度度测测定定了了电电荷荷的的静静电电单单位位对对电电磁磁单单位位的的比比值值，并并证证实实了了它它就就等等于于光光速速。麦麦克克斯斯韦韦在在气气体体
15、运运动动理理论论、光光学学、热热力力学学和和弹弹性性理理论论方方面面也也作作出出了了重重要要贡贡献献 ，18601860年年得得出出了了理理想想气气体体分分子子按按速速度度的的统统计计分分布布律律，计计算算了了分分子子的的自自由由程程。他他在在18611861年年提提出出，彩彩色色是是由由红红、绿绿、蓝蓝三三基基色色组组成成的的，他他还还是是第第一一批批彩彩色色照照片片的的制制作作者者之之一一。1873187318741874年年他他发发现现了双折光现象。了双折光现象。作业：作业：10-6、10-71.1.理想气体的压强理想气体的压强1.1 1.1 气体压强的微观机制：气体压强的微观机制：压压
16、强强是是大大量量分分子子对对容容器器壁壁发发生生碰碰撞撞，从从而而对对容器壁产生冲力的宏观效果。容器壁产生冲力的宏观效果。1.2 1.2 理想气体的压强公式理想气体的压强公式 dSvim0vivixdtm0vixx 2.2.理想气体的温度理想气体的温度2.1 2.1 理想气体状态方程另一种形式理想气体状态方程另一种形式2.2 2.2 理想气体的温度理想气体的温度结论：结论：气体的温度是气体分子平均平动动能的量度，气体的温度是气体分子平均平动动能的量度，是大量气体分子热运动的一种宏观表现。是大量气体分子热运动的一种宏观表现。1 1自由度自由度 1.2 1.2 自由度的概念：自由度的概念：决定一个
17、物体在空间的位置所决定一个物体在空间的位置所需的独立坐标数称为该物体的自由度数。需的独立坐标数称为该物体的自由度数。质点：质点：i=3：P(x,y,z)刚体：刚体：i=6：Cxzy OA1.2 1.2 刚性分子的自由度数刚性分子的自由度数 非刚性分子非刚性分子：i=t+r+s单原子分子单原子分子单原子分子单原子分子多原子分子多原子分子 2 2能量均分定理能量均分定理例：例：能量均分定理来自气体分子热运动的混沌性。能量均分定理来自气体分子热运动的混沌性。处处于于温温度度为为T的的平平衡衡态态的的气气体体中中，分分子子热热运运动动的的动动能能平平均均地地分分配配在在每每一一自自由由度度上上，分分子
18、子沿沿每每一一自自由度运动的平均动能均等于由度运动的平均动能均等于kT/2 推论：推论：刚性分子的平均动能：刚性分子的平均动能：3 3理想气体内能理想气体内能3.1 3.1 内能：内能：系统内分子的热运动动能与分子间相互系统内分子的热运动动能与分子间相互作用势能的和。作用势能的和。3.2 3.2 理想气体的内能：理想气体的内能：系统内所有分子热运动能量系统内所有分子热运动能量的和。常温下理想气体内能的和。常温下理想气体内能能量均分定理是经典统计的结果，高温下与实能量均分定理是经典统计的结果，高温下与实验符合较好，但在低温下于实际存在较大偏差。验符合较好，但在低温下于实际存在较大偏差。4能量均分
19、定理的局限能量均分定理的局限作业：作业：10-1、10-2、10-51 1平均碰撞频率和平均自由程的概念平均碰撞频率和平均自由程的概念 单位时间内一个分子与其它分子碰撞的平均次数。单位时间内一个分子与其它分子碰撞的平均次数。一个分子在两次连续碰撞间自由运动的平均路程。一个分子在两次连续碰撞间自由运动的平均路程。2 2平均碰撞频率和平均自由程的计算平均碰撞频率和平均自由程的计算ddAd作业：作业：10-11输运现象输运现象 如如果果系系统统各各部部分分的的物物理理性性质质是是不不均均匀匀的的（例例如如流流速速、温温度度和和密密度度等等的的不不相相同同），则则由由于于分分子子间间的的相相互互碰碰撞
20、撞和和相相互互搀搀和和，各各部部分分之之间间将将产产生生动动量量、能能量和质量的转移，这种现象称为气体的输运现象。量和质量的转移，这种现象称为气体的输运现象。1 1内摩擦现象内摩擦现象 1.1 1.1 内内摩摩擦擦现现象象：流流动动中中的的流流体体，当当各各层层速速度度不不同同时时，在在相相邻邻两两层层的的接接触触面面上上将将产产生生阻阻碍碍两两层层之之间间相相对对运运动动的的等等值值反反向向的的摩摩擦擦力力，这这种种现现象象称称为为内摩擦现象。内摩擦现象。1.2 1.2 内摩擦现象的宏观规律内摩擦现象的宏观规律Oyz 由由于于分分子子的的相相互互搀搀和和与与相相互互碰碰撞撞，使使相相邻邻两两
21、层层之之间间产产生生动动量量净净迁迁移移，从从而而在在两两层层分分界界面面产产生生一一对对阻碍相对运动的力。阻碍相对运动的力。1.3 1.3 内摩擦现象的微观机制内摩擦现象的微观机制可以可以证证明：明：2 2热传导现象热传导现象 2.1 2.1 热热传传导导现现象象：当当物物体体各各部部分分温温度度不不同同时时，由由于于分分子子间间的的相相互互碰碰撞撞和和相相互互馋馋和和而而使使热热量量将将从从温温度度较较高处向温度较低处传递的现象称为热传导现象。高处向温度较低处传递的现象称为热传导现象。2.2 2.2 热传导现象的宏观规律热传导现象的宏观规律OTzdQ 由由于于不不同同部部分分的的分分子子相
22、相互互碰碰撞撞和和搀搀和和，由由此此导导致致分分子子热热运运动动的的能能量量从从温温度度高高处处向向温温度度低低处处输输运运，产生宏观上的热量传递。产生宏观上的热量传递。2.3 2.3 热传导现象的微观机制热传导现象的微观机制可以可以证证明：明：3 3扩散现象扩散现象 3.1 3.1 扩扩散散现现象象：当当物物体体中中密密度度不不均均匀匀时时，由由于于分分子子的的热热运运动动使使粒粒子子从从密密度度较较大大处处向向密密度度较较小小处处迁迁移移的的现象，称为扩散现象。现象，称为扩散现象。3.2 3.2 扩散现象的宏观规律扩散现象的宏观规律Oz 由由于于分分子子的的热热运运动动，使使得得不不同同部部分分的的分分子子相相互互搀搀和和，从从而而导导致致粒粒子子从从密密度度较较大大处处向向密密度度较较小小处处迁迁移。移。3.3 3.3 扩散现象的微观机制扩散现象的微观机制可以可以证证明：明：