第零章、物理理論的現(xiàn)狀與熱(力)學

1、第零章、物理理論的現(xiàn)狀與第零章、物理理論的現(xiàn)狀與熱（力）學熱（力）學3 3類基本的物理理論（類基本的物理理論（R. Penrose）：）：超等的：超等的： Euclid Euclid幾何：物理空間的近似描述幾何：物理空間的近似描述RiemannRiemann幾何幾何 Galileo-Newton Galileo-Newton動力學動力學 普通物理普通物理力學力學、理論力學理論力學( (包括包括HamiltonHamilton力學力學etc) etc) EinsteinEinstein幾何動力學幾何動力學（廣義相對論）（廣義相對論） Maxwell Maxwell電磁理論電磁理論 普通物理普通物

2、理電磁學電磁學（光學光學）、電動力學電動力學 EinsteinEinstein狹義相對論狹義相對論普通物理之普通物理之熱學（熱學（+ +分子運動論）分子運動論）熱力學與統(tǒng)計物理學熱力學與統(tǒng)計物理學普通物理之普通物理之原子物理學原子物理學量子力學量子力學量子電動力學（量子電動力學（QEDQED）有用的：有用的：量子色動力學（量子色動力學（QCDQCD）；弱電統(tǒng)一；大爆炸宇宙學）；弱電統(tǒng)一；大爆炸宇宙學嘗試的：嘗試的：超對稱（超引力）；超弦；暴漲宇宙學超對稱（超引力）；超弦；暴漲宇宙學經典物理經典物理熱力學第二定律之外，所有物理方程均熱力學第二定律之外，所有物理方程均時間對稱時間對稱！Newton

3、定律：定律：Maxwell方程組：方程組：Einstein引力場方程：引力場方程：Schrodinger方程：方程：Dirac方程（方程（QED）：）：熱力學第零定律：若熱力學第零定律：若F(p1,V1;p2,V2)=0, F(p2,V2;p3,V3)=0, 則則F(p1,V1;p3,V3)=0 t(p1,V1) = t(p2,V2) = t(p3,V3)熱力學第一定律：熱力學第一定律：d dQ + d dW = dU熱力學第三定律：熱力學第三定律：T 0 Kelvin熱力學第二定律：熱力學第二定律：dS = dS = d dQ/T Q/T 0 0dtpddtvdmdtrdmamF220,BD

4、JdtDdtBEHTG8),(),(2),(22trtrVmtrti2mcctiNewtonNewton定律作為物理學定律的一個例子定律作為物理學定律的一個例子 EuclidEuclid幾何幾何：物理空間的近似描述：物理空間的近似描述 + + 時間標量時間標量 NewtonNewton運動學運動學)()()(),()()(;)()()(,)()(),(002200trdttvtrtvdttatvdttrddttvdtadttrdtvtrttttdtpddtvdmamF NewtonNewton定律定律 NewtonNewton動力學動力學物理定律在定義概念的同時使用概念：物理定律在定義概念的同

5、時使用概念：NewtonNewton定律定義力、質量，預言質點的運動。定律定義力、質量，預言質點的運動。問題：如何定義溫度、熱量？問題：如何定義溫度、熱量？熱力學第零定律：若兩個物體分別與第三個物體處于熱平熱力學第零定律：若兩個物體分別與第三個物體處于熱平衡，則這兩個物體處于熱平衡狀態(tài)。衡，則這兩個物體處于熱平衡狀態(tài)。若若F(p1,V1;p2,V2)=0, F(p2,V2;p3,V3)=0, 則則F(p1,V1;p3,V3)=0 t(p1,V1) = t(p2,V2) = t(p3,V3)理想氣體溫標：理想氣體溫標：T(p) = 273.16p/p3 or T(V) = 273.16V/V3熱

6、力學第二定律：熱力學第二定律：1、熱傳導不可逆（、熱傳導不可逆（Clausius）；）；2、內摩擦、內摩擦不可逆（不可逆（Thomson ）。）?？ㄖZ循環(huán)卡諾循環(huán)(Carnot cycle) (Carnot cycle) 221212122111TTTTTQQQQQ熱力學溫標：熱力學溫標：Q1/Q2 = T1/T2homeworkhomework：如何定義熱量？：如何定義熱量？3 3月月1212日課堂討論日課堂討論/ /提問提問如何定義熱量？如何定義熱量？Wolfgang Pauli(1900-1958)Wolfgang Pauli(1900-1958)：可用相變定義熱量。：可用相變定義熱量。

7、熱力學第零定律熱力學第零定律 （冰（冰水）相變時溫度不變水）相變時溫度不變 Pauli Pauli的定義與溫度變化無關。的定義與溫度變化無關。定義一、定義一、n n克某種物質相變所需熱量是克某種物質相變所需熱量是1 1克該種物質相變熱克該種物質相變熱的的n n倍，即相變熱正比于物質的量（質量或摩爾數(shù)）。倍，即相變熱正比于物質的量（質量或摩爾數(shù)）。定義二、兩熱庫定義二、兩熱庫1 1和和2 2熱交換時，熱庫熱交換時，熱庫1 1放出的熱量放出的熱量Q Q1 1等于熱等于熱庫庫2 2吸收的熱量吸收的熱量Q Q2 2。第一章、熱學基礎知識與溫度第一章、熱學基礎知識與溫度 目的：（1 1）讀書識字）讀書識

8、字 （2 2）開始學習物理研究）開始學習物理研究 內容：1 1、熱學基礎知識、熱學基礎知識 2、熱力學系統(tǒng)、狀態(tài)與過程、熱力學系統(tǒng)、狀態(tài)與過程 3、熱力學第零定律、熱力學第零定律溫度溫度 4、狀態(tài)方程、狀態(tài)方程1.11.1、熱學基礎知識、熱學基礎知識（1）熱現(xiàn)象及其宏觀理論）熱現(xiàn)象及其宏觀理論熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象：與宏觀物體的冷熱狀態(tài)相關聯(lián)的自然現(xiàn)象。宏觀物體宏觀物體: 尺度人。冷熱狀態(tài)冷熱狀態(tài): 非物理描述，未很好定義。 溫度溫度：物體的冷熱程度？熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象：宏觀物體的非機械運動現(xiàn)象。宏觀物體的非機械運動現(xiàn)象。熱學研究對象熱學研究對象：熱現(xiàn)象，熱現(xiàn)象，與宏觀物體的幾何、力學、與宏觀物體的幾何、力學

9、、 電磁、光學、化電磁、光學、化學等性質及其存在形態(tài)有關。學等性質及其存在形態(tài)有關。 經典力學等研究對象宏觀物體的機械運動。經典力學等研究對象宏觀物體的機械運動?！爸匾ＷR重要常識/事實事實”舉例：舉例： 1）熱傳導的自發(fā)方向；）熱傳導的自發(fā)方向； 2）能量守恒；）能量守恒；3）“0K” 不能到達。不能到達。1、熱學基礎知識（2 2）熱現(xiàn)象的微觀理論熱現(xiàn)象的微觀理論 宏觀物體由大量分子構成宏觀物體由大量分子構成：AvogadroAvogadro常數(shù)常數(shù) 分子熱運動及其實驗事實分子熱運動及其實驗事實: :（1 1）擴散；（）擴散；（2 2）BrownBrown運動運動 組成宏觀物體的大量分子永不

10、停息地無規(guī)則熱運動，溫度越高分子組成宏觀物體的大量分子永不停息地無規(guī)則熱運動，溫度越高分子運動越劇烈。一切熱現(xiàn)象都是大量分子熱運動的宏觀表現(xiàn)。運動越劇烈。一切熱現(xiàn)象都是大量分子熱運動的宏觀表現(xiàn)。 分子間的相互作用力分子間的相互作用力：（1 1）引力）引力 拉不斷；拉不斷；（2 2）斥力）斥力 難壓縮難壓縮ArAANMNmmNVNn31 -23A10)(/)/(;mol106.02N分子間的相互作用力分子間的相互作用力分子力經驗公式：分子力經驗公式：l, l, s,s, , , t t通過實驗測定。通過實驗測定。分子間相互作用勢能：分子間相互作用勢能：. 1, 1,1,1,ttsstsrrfdr

11、Etsrplll)(,tsrrftsll剛性分子分子近似；剛性分子分子近似；lSutherlandSutherland分子力模型分子力模型熱運動的混亂無序性熱運動的混亂無序性 混亂與無序是大量分子熱運動的基本特征混亂與無序是大量分子熱運動的基本特征：一個不受外界影響的宏觀物體系統(tǒng)（孤立系統(tǒng)），其內部大量分子熱運動總是趨于最混亂、最無序的狀態(tài)。 熱運動的形式熱運動的形式固體：點陣結構，熱振動；液體：短程有序，熱振動+平衡位置移動物質結構的物質結構的“本質本質”：簡化模型：簡化模型 KronigKronig，MaxwellMaxwell，和，和ClausiusClausius：熱能與分子或原子的動

12、能：熱能與分子或原子的動能等同，可以說熱量是無序形式的能量。等同，可以說熱量是無序形式的能量。 BoltzmannBoltzmann引入引入“態(tài)的幾率態(tài)的幾率”概念，熵增原理等同于概念，熵增原理等同于“態(tài)態(tài)變化時，系統(tǒng)只能過渡到更可幾態(tài)變化時，系統(tǒng)只能過渡到更可幾態(tài)”。 經典統(tǒng)計的分子模型：剛性小球。經典統(tǒng)計的分子模型：剛性小球。 物態(tài)物態(tài)：（1 1）氣態(tài)：除碰撞外，分子自由運動；（）氣態(tài)：除碰撞外，分子自由運動；（2 2）固態(tài)：原子相對于平）固態(tài)：原子相對于平衡位置振動；（衡位置振動；（3 3）液態(tài)：勻速運動和平衡位形近似都不好。）液態(tài)：勻速運動和平衡位形近似都不好。 理想氣體假設理想氣體假

13、設：（1 1）兩自由分子的平均間距）兩自由分子的平均間距 分子線度；（分子線度；（2 2）分子）分子平均勢能平均勢能 961.78 ：用：用Planck輻射定律并借用一個固定點來定義。輻射定律并借用一個固定點來定義。1.41.4、狀態(tài)方程、狀態(tài)方程RTRTMpVnnNVkNRNNBAA,n溫度是狀態(tài)函數(shù)：溫度是狀態(tài)函數(shù)：T=T(x,y) T=T(x,y) f(T,x,y)=0 f(T,x,y)=0，即狀態(tài)方程！，即狀態(tài)方程！得到狀態(tài)方程的方法：得到狀態(tài)方程的方法： （1）實驗；（）實驗；（2）統(tǒng)計力學導出）統(tǒng)計力學導出。1.4.11.4.1、理想氣體的狀態(tài)方程、理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體是真實

14、氣體足夠稀薄的極限情形（數(shù)密度理想氣體是真實氣體足夠稀薄的極限情形（數(shù)密度n 0 0）。）。理想氣體是反映各種氣體在壓強趨于零時共同的極限性質的一種氣體（理想氣體是反映各種氣體在壓強趨于零時共同的極限性質的一種氣體（p p0 0）。）。采用理想氣體溫標采用理想氣體溫標 熱力學溫標通過理想氣體溫標實現(xiàn)！熱力學溫標通過理想氣體溫標實現(xiàn)！TnkpB1.41.4、狀態(tài)方程、狀態(tài)方程1.4.21.4.2、混合理想氣體的狀態(tài)方程、混合理想氣體的狀態(tài)方程1.41.4、狀態(tài)方程、狀態(tài)方程1.4.31.4.3、實際氣體的狀態(tài)方程、實際氣體的狀態(tài)方程.)( )()2() 1 (22RTbVVapWaalsdervannn方程：1.41.4、狀態(tài)方程、狀態(tài)方程1.4.31.4.3、實際氣體的狀態(tài)方程、實際氣體的狀態(tài)方程維里系數(shù)。稱為第一、二、三、四為摩爾體積；，或方程：方程：更準確的實際氣體狀態(tài).,.32132DCBRTAVvVDVCVBApvDpCpBpApvOnnesn1.41.4、狀態(tài)方程、狀態(tài)方程。程一般形式：各向同性固體。狀態(tài)方簡單固體0),