大學(xué)熱學(xué)第一講

1、謝 尊物理科學(xué)與信息工程學(xué)院材料模擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室Z. Xie Lab. Of Mater. Sim. & Design,College of Physics,Hebei Normal University.1. To be confident2. To be yourself3. To enjoy yourself -90 高中 河北辛集一中9094 本科 河北師大物理系9497 碩士 河北師大物理系9702 任教 河北師大職技學(xué)院0205 博士 河北工業(yè)大學(xué)05 副教授 河北師大 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 碩導(dǎo) 凝聚態(tài)物理(理論)學(xué)習(xí)和工作經(jīng)歷1. 1998年首屆青年教師課堂技能大賽一等獎(jiǎng)2.

2、2008年度河北師范大學(xué)匯華學(xué)院教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)3. 2010-2011學(xué)年本科教學(xué)質(zhì)量評(píng)估優(yōu)秀教師校教字20119號(hào) 4. 2010年度校級(jí)優(yōu)秀普通物理學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員 教學(xué)和科研成果 * 獲2006年度河北省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（第三完成人） *獲2011年度河北省自然科學(xué)三等獎(jiǎng)（第四完成人） *過渡金屬碳化物Met-cars團(tuán)簇的DFT 獲2011年度河北省科學(xué)技術(shù)成果(國內(nèi)先進(jìn)) 研究室： 理科群2號(hào)樓C404E-mail: Bi90topbottomBi30(As30)Bi40(As40)Bi60(As60)Bi80Bi50(As50)Bi70Bi20(As20)Repeat unite研究方向：

3、“低維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性的第一原理計(jì)算”研究。 1.合金納米團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和電磁特性； 2.過渡金屬鏈在納米管中的一維磁特性. 省自然基金05-07 基于從頭計(jì)算的CNT及其衍生物的參研國家自然基金06-08有機(jī)光電器件中元激發(fā)的動(dòng)力學(xué)特性研究 參研國家自然基金06-06 納米管及其衍生物的分子力場(chǎng)及應(yīng)用 參研省教育廳科研基金07-10過渡金屬碳化物Met-cars團(tuán)簇的DFT研究主持省自然基金08-11低維過渡金屬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和磁性的DFT研究參研省自然基金09-11納米管內(nèi)一維限制過渡金屬線的結(jié)構(gòu)、.主持國家自然基金09-11金、硼和過渡金屬硅納米管的結(jié)構(gòu)與參研國家自然基金11-11半金屬表面上分子手

4、性的構(gòu)筑和傳遞 參研省教育廳科研基金11-153d過渡金屬準(zhǔn)一維納米體系的穩(wěn)定性和電磁主持 熱學(xué) 物理學(xué)作為一門最沒有功利的學(xué)科卻為人類帶來了最大的功利！Thermoal Physics伽利略Galileo Galilei溫度計(jì)的發(fā)明*熱學(xué)在物理學(xué)中的地位： 初中：傳熱學(xué)中的熱現(xiàn)象 溫度，熱量，傳熱方向及方式 高中：溫標(biāo)，氣體分子運(yùn)動(dòng)論簡(jiǎn)介NA， 內(nèi)能，熱一律，熱二律簡(jiǎn)介，永動(dòng)機(jī)熱學(xué)應(yīng)用范圍之廣：宇宙天體，納米體系， 超導(dǎo)體，半導(dǎo)體超晶格 現(xiàn)代通信，集成電路， 噪聲等等與溫度有關(guān)系的領(lǐng)域都離不開熱學(xué)。 大學(xué)： 熱學(xué) （大一）熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理（大三）固體物理（大四）量子統(tǒng)計(jì) 格林函數(shù)（研） 1.

5、普通物理學(xué)教程熱學(xué) 秦允豪. 高等教育出版社. 2004年6月.2. 新概念物理教程第二卷熱學(xué). 趙凱華, 羅蔚茵. 高等教育出版社. 1998年2月熱學(xué)課程的參考書冷熱的感覺緒論熱學(xué)研究的內(nèi)容與方法1.熱學(xué)研究的內(nèi)容：與溫度有關(guān)的宏觀物體物理性質(zhì)的變化 熱現(xiàn)象-*熱現(xiàn)象實(shí)質(zhì)： 組成物體的大量粒子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均效果！(熱脹冷縮、淬火、退火等)熱學(xué)-是研究熱運(yùn)動(dòng)以及與熱相聯(lián)系 的各種規(guī)律的科學(xué)。 熱運(yùn)動(dòng)-(物質(zhì)存在的多種運(yùn)動(dòng)形式之一) 宏觀物體內(nèi)部諸微觀粒子所做的一種永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，是宏觀物體的基本運(yùn)動(dòng)形式之一。熱物理學(xué)滲透到自然科學(xué)各部門，所有與熱相聯(lián)系的現(xiàn)象都可用熱學(xué)來研究。 容器中

6、的氣體分子 1mol物質(zhì)中就有6.021023個(gè)分子, 缺乏感性認(rèn)識(shí)。熱學(xué)是研究宏觀物體的熱現(xiàn)象規(guī)律的科學(xué)。熱物理學(xué)研究的對(duì)象是由數(shù)量很大很大的微觀粒子所組成的系統(tǒng)大數(shù)粒子系統(tǒng)。宇宙現(xiàn)今年齡為1010年數(shù)量級(jí)，確切些說是160億年。 1年 = 36586400秒107秒, 1010年 1017秒 。 假如有一個(gè)“超人”，他從宇宙大爆炸那一刻起與宇宙同時(shí)誕生，并與宇宙的年齡相同， 1秒數(shù)10個(gè)分子，從宇宙誕生時(shí)刻數(shù)到現(xiàn)今才數(shù)了 101017 = 1018個(gè)分子, 差不多相當(dāng)于 10-5 摩爾分子。1mol物質(zhì)中就有6.021023個(gè)分子, 大數(shù)粒子系統(tǒng)有了感性認(rèn)識(shí)。熱力學(xué)方法宏觀量宏觀描述宏觀理

7、論研究路線：它從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，以熱力學(xué)實(shí)驗(yàn) 阿 定律為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過邏輯推阿 理和演繹， 來研究宏觀物體的熱性質(zhì)。2. 熱學(xué)的兩大研究方法:熱力學(xué)：由觀察和實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的熱現(xiàn)象規(guī)律， 俄 構(gòu)成熱現(xiàn)象的宏觀理論，叫做熱力學(xué)。 對(duì)于任何宏觀的物質(zhì)系統(tǒng)。 不管它是天文的、化學(xué)的、生物的系統(tǒng)，也不管它涉及的是力學(xué)現(xiàn)象、電學(xué)現(xiàn)象,只要與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，總應(yīng)遵循熱力學(xué)規(guī)律。熱力學(xué)基本定律是自然界中的普適規(guī)律， 只要在數(shù)學(xué)推理過程中不加上其它假設(shè)，這些結(jié)論也具有同樣的可靠性與普遍性。熱力學(xué)的局限性：（1）它只適用于粒子數(shù)很多的宏觀系統(tǒng)；（2）它主要研究物質(zhì)在平衡態(tài)下的性質(zhì). 它不能解答系統(tǒng)如何從非平

8、衡態(tài)進(jìn)入平衡態(tài)的過程；（3）它把物質(zhì)看為連續(xù)體，不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。 熱力學(xué)只能說明應(yīng)該有怎樣的關(guān)系，而不能解釋為什么有這種基本關(guān)系。 要解釋原因，須從物質(zhì)微觀模型出發(fā)，利用分子動(dòng)理論或統(tǒng)計(jì)物理方法予以解決。 統(tǒng)計(jì)方法微觀量微觀描述微觀理論=統(tǒng)計(jì)物理學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué):從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)研究熱運(yùn) 動(dòng)的規(guī)律，構(gòu)成熱現(xiàn)象的微觀理論。研究路線： 從“物質(zhì)是由大量微觀粒子組成的”這阿 一基本事實(shí)出發(fā)，認(rèn)為物質(zhì)的宏觀性質(zhì)是阿 大量微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)（平均效阿阿 果），宏觀量是微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值。優(yōu)點(diǎn)：闡明了熱力學(xué)定律的統(tǒng)計(jì)意義；缺點(diǎn)：由于對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)作出簡(jiǎn)化的模型假設(shè)，因而所得的理論結(jié)果往往只是

9、近似的。熱學(xué)有宏觀描述方法（熱力學(xué)方法)與微觀描述方法（統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的方法）之分。它們分別從不同角度去研究問題，自成獨(dú)立體系，相互間又存在千絲萬縷的聯(lián)系。2.熱學(xué)的兩大研究方法:熱學(xué)-研究熱運(yùn)動(dòng)以及與熱相聯(lián)系的各種規(guī)律。熱物理學(xué)研究對(duì)象：大數(shù)粒子系統(tǒng)兩種不同的描述方法：宏觀的熱力學(xué)方法 微觀的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方法。描寫熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀量與系統(tǒng)內(nèi)部微觀粒子的某些微觀量的 相聯(lián)系. 溫度、氣體動(dòng)理學(xué)理論的基本概念、氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率和能量的統(tǒng)計(jì)分布律、氣體內(nèi)的輸運(yùn)現(xiàn)象、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、固體、液體、相變。3.“熱學(xué)”課程的內(nèi)容包括: （1）熱力學(xué)基礎(chǔ)； （2）統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的初步知識(shí)（分子動(dòng)理論

10、）； （3）物性學(xué)方面的基本知識(shí)。緒論 熱學(xué)研究的內(nèi)容與方法 熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)介在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們?cè)谏a(chǎn)和生活上就接觸到許多熱現(xiàn)象：鉆木取火 且用火制造出銅器、鐵器和陶器 。熱力學(xué)的發(fā)展史商周的青銅器 熱力學(xué)的發(fā)展史1.官窯:南宋2.定窯:宋,河北曲陽3.汝窯:宋,河南寶豐4.哥窯:南宋,浙江龍泉5.均窯:宋,河南禹縣宋代五大名窯熱力學(xué)的發(fā)展史清初嘉慶12年同治18年(仿哥窯五彩)道光3年 但由于古代和中世紀(jì)的生產(chǎn)發(fā)展緩慢，十八世紀(jì)初之前，熱學(xué)還不能作為一門科學(xué)建立起來。 熱學(xué)的早期史，開始于18世紀(jì)初直到19世紀(jì)中葉，這個(gè)時(shí)期積累了大量的實(shí)驗(yàn)和觀察事實(shí)。關(guān)于熱的本性展開了研究和爭(zhēng)論，為熱力學(xué)理論的建

11、立作了準(zhǔn)備，在19世紀(jì)前半葉出現(xiàn)的熱機(jī)理論和熱功相當(dāng)原理已經(jīng)包含了熱力學(xué)的基本思想。 熱是什么 ？焦 耳 James Prescott Joule能量瓦特 J. Watt蒸汽機(jī)瓦特早期蒸汽機(jī)19世紀(jì)廣泛的使用蒸汽機(jī)是第一次工業(yè)革命的主要標(biāo)志，這是人類自使用火以后，在改造自然方面取得的重大勝利。用熱做功存在限制否？卡 諾Sadi Carnot卡諾循環(huán)1807年，熱機(jī)被美國人富爾頓應(yīng)用于輪船. 1823年被用于火車和鐵路。1892年 第二時(shí)期從19世紀(jì)中葉到19世紀(jì)70年代末。這個(gè)時(shí)期發(fā)展了唯象熱力學(xué)。這些理論的誕生直接與熱功相當(dāng)原理有關(guān)。熱功相當(dāng)原理奠定了熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)。它和卡諾理論結(jié)合，

12、導(dǎo)致了熱力學(xué)第二定律的形成。熵的引入克勞修斯R. Clausius熱的微觀圖象 ？ 熱功相當(dāng)原理跟微粒說（唯動(dòng)說）結(jié)合則導(dǎo)致了分子運(yùn)動(dòng)論的建立。而在這段時(shí)期內(nèi)唯象熱力學(xué)和分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展還是彼此隔絕的。 麥克斯韋James Clerk Maxwell分子速度分布律玻耳茲曼Ludwig Boltzmann統(tǒng)計(jì)物理 第三時(shí)期是唯象熱力學(xué)的概念和分子運(yùn)動(dòng)論的概念結(jié)合的結(jié)果，最終導(dǎo)致了統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的產(chǎn)生。它開始于19世紀(jì)70年代末玻爾茲曼的經(jīng)典工作，止于20世紀(jì)初。這時(shí)出現(xiàn)了吉布斯在統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面的基礎(chǔ)工作。 從20世紀(jì)30年代起，熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)進(jìn)入了第四個(gè)時(shí)期，這個(gè)時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)了量子統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和非平衡

13、態(tài)理論，形成了現(xiàn)代理論物理學(xué)最重要的一個(gè)部門。 緒論 熱學(xué)研究的內(nèi)容與方法 熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)介溫度第一章冷熱的感覺1.1 平衡態(tài) 狀態(tài)參量1.2 溫度1.3 氣體狀態(tài)方程第一章 溫度二、平衡態(tài)一、熱力學(xué)系統(tǒng)1.1 平衡態(tài) 狀態(tài)參量三、狀態(tài)參量(非平衡態(tài)) 被確定為研究對(duì)象的大數(shù)粒子所構(gòu)成的物體(系)。一、熱力學(xué)系統(tǒng) 說明： a. 系統(tǒng)劃分是相對(duì)的，保證宏觀有限； b. 外界(環(huán)境)； c.系統(tǒng)和外界之間的貿(mào)易。熱力系/系統(tǒng)/工質(zhì)力學(xué)研究對(duì)象？ 熱力學(xué)系統(tǒng)在不受外界影響條件下， 諤諤諤諤諤 宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)； 這時(shí)稱系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡。系統(tǒng)分類：a. 孤立系統(tǒng)-與外界既無物質(zhì)交換又無能量交換

14、c. 封閉系統(tǒng)-與外界不交換物質(zhì)但可交換能量的系統(tǒng)b. 開放系統(tǒng)-與外界既交換物質(zhì)又交換能量的系統(tǒng)d. 絕熱系統(tǒng)-與外界沒有熱交換的系統(tǒng)二、平衡態(tài)1、定義：真空2、平衡態(tài)舉例：在不受外界影響條件下，經(jīng)過足夠長時(shí)間后系統(tǒng)必將達(dá)到一個(gè)宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)氣缸3、說明：c.宏觀性質(zhì)：溫度、體積、壓強(qiáng)、密度、質(zhì)量等b.有外界影響，若某宏觀性質(zhì)不變也不是平衡態(tài). 本章思考題1 ：金屬桿 a.外界影響：傳熱、做功、電磁場(chǎng)等d.微觀方面：分子仍在永不停息地做無規(guī)熱運(yùn)動(dòng) 俄 分子運(yùn)動(dòng)的平均效果不隨時(shí)間變化 熱力學(xué)平衡動(dòng)的平衡 熱動(dòng)平衡平衡態(tài)的特點(diǎn)a. 單一性 (T處處相等);b. 物態(tài)的穩(wěn)定性(與t無關(guān)

15、)；c. 自發(fā)過程的終點(diǎn)；d. 熱動(dòng)平衡 (有別于力平衡).a.無熱流b.無粒子流c.化學(xué)平衡可以用P、V、 T圖來表示熱力學(xué)平衡的條件三、狀態(tài)參量(非平衡態(tài))二、平衡態(tài)一、熱力學(xué)系統(tǒng)1.1 平衡態(tài) 狀態(tài)參量三、非平衡態(tài)平衡態(tài)是 相對(duì)的、特殊的、局部的與暫時(shí)的；非平衡態(tài)是絕對(duì)的、普遍的、全局的和經(jīng)常的。平衡態(tài)是一理想概念！.是一把鑰匙！三、狀態(tài)參量 系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)宏觀性質(zhì)不變，故可用某些確定的物理量來描述系統(tǒng)的狀態(tài)，狀態(tài)參量有以下四類：力學(xué)參量：壓強(qiáng)、表面張力等幾何參量：體積、表面積等電磁參量：電場(chǎng)強(qiáng)度、電極化強(qiáng)度、等化學(xué)參量：質(zhì)量、摩爾數(shù)等1.1 平衡態(tài) 狀態(tài)參量1.2 溫度1.3 氣體狀

16、態(tài)方程第一章 溫度1.1 平衡態(tài) 狀態(tài)參量1.2 溫度1.3 氣體狀態(tài)方程第一章 溫度1.2 溫度一. 熱力學(xué)第零定律二. 溫度三. 溫標(biāo)一. 熱力學(xué)第零定律* * * * 排序的由來： 十八世紀(jì)，隨著熱機(jī)的發(fā)明-改進(jìn)-發(fā)展，推動(dòng)了歐洲的工業(yè)革命和機(jī)械化大生產(chǎn)，資本家為了贏得最大限度的利潤，掀起了永動(dòng)機(jī)的制造熱潮。在熱力學(xué)第一定律問世后， 1745年，法國科學(xué)院停止了永動(dòng)機(jī)的一切工作。* * * * 排序的由來： 緊接著人們轉(zhuǎn)向第二永動(dòng)機(jī)的研制，希望在不違背第一定律的基礎(chǔ)上，利用巨大的海洋能源庫來為人類服務(wù)，可是并非所有滿足第一定律的過程都能發(fā)生，熱過程具有方向性和不可逆性，這導(dǎo)致了第二定律的

17、建立。* * * * 排序的由來： 1939年Fowler提出了熱平衡定律- 進(jìn)而1913年，能斯特提出熱力學(xué)第三定律！*熱力學(xué)第零定律內(nèi)容： 熱接觸為熱平衡的到來創(chuàng)造了條件，互為熱平衡的物體具有相同的性質(zhì)。熱力學(xué)第零定律。1.熱接觸：系統(tǒng)A,B互相接觸，它們之間僅有熱交換 如果兩個(gè)系統(tǒng)發(fā)生熱接觸后，經(jīng)過一段時(shí)間，各自的狀態(tài)都不再發(fā)生變化，到達(dá)一個(gè)共同的平衡態(tài), 稱這兩個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡。AB說明 ： a. 熱平衡是系統(tǒng)之間的特殊狀態(tài)， 各處于熱力學(xué)平衡態(tài)。ABb. 熱平衡系統(tǒng)間有一個(gè)共同的性質(zhì)。2.熱平衡：兩個(gè)系統(tǒng)的熱平衡AB導(dǎo)熱板由導(dǎo)熱板隔開的兩個(gè)系統(tǒng)共同達(dá)到平衡態(tài)時(shí) 熱平衡此時(shí) TA=TB

18、AB絕熱板導(dǎo)熱板C與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的兩個(gè)系統(tǒng)，互相之間也達(dá)到熱平衡。此時(shí) TA=TC=TB熱力學(xué)第零定律如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的任何一個(gè)與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡, 那么這兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)彼此必定處于熱平衡. 它的實(shí)質(zhì)在于，指出了溫度是表征互為熱平衡的系統(tǒng)的共同性質(zhì)。 . 定律是建立溫度科學(xué)概念的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).1.2 溫度一. 熱力學(xué)第零定律二. 溫度三. 溫標(biāo)二. 溫度溫度是決定一系統(tǒng)與其它系統(tǒng)是否 處于熱平衡這一宏觀特性的描述！說明幾句: a. 一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。 b. 熱接觸僅為系統(tǒng)間熱平衡的建立創(chuàng)造了條件。 c. 溫度是平衡態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)熱學(xué)獨(dú)有的狀態(tài)參量！溫度的微觀意義？ 系統(tǒng)平衡態(tài)的溫度反映系統(tǒng)內(nèi)分子無規(guī) 熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。 溫度是分子無規(guī)熱運(yùn)動(dòng)的平均平動(dòng)能 大小的標(biāo)志。二. 溫度*熱力學(xué)第零定律意義： 1.為建立溫度的科學(xué)概念提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 熱接觸為熱平衡的到來創(chuàng)造了條件，互為熱平衡的物體具有相同的溫度。小結(jié)： 2. 為建立測(cè)溫方法提供了手段。1.2 溫度一. 熱力學(xué)第零定律二. 溫度三. 溫標(biāo)三. Temperature Scale任何物質(zhì)的任何屬性，只要它隨