物理學(xué)熱學(xué)宏觀與微觀描述方法

物理學(xué)熱學(xué)宏觀與微觀描述方法第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三教材內(nèi)容第一章導(dǎo)論第二章分子動(dòng)理學(xué)理論的平衡態(tài)理論第三章輸運(yùn)現(xiàn)象與分子動(dòng)理學(xué)理論的非平衡態(tài)理論

第四章熱力學(xué)第一定律第五章熱力學(xué)第二定律第六章物態(tài)與相變

第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三基本框架熱力學(xué)第零定律熱平衡溫度熱力學(xué)第一定律能量守恒內(nèi)能、功熱量、焓熱力學(xué)第二定律過程方向熵?zé)崃W(xué)第三定律溫度極限絕對零度第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三

本課程主要討論以下三部分內(nèi)容：（1）熱力學(xué)基礎(chǔ)；（2）統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的初步知識(shí)（以分子動(dòng)理論的內(nèi)容為主）；（3）氣體、液體、固體、相變等物性學(xué)方面的基本知識(shí)。

以后在“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”、“固體物理”等課程中還要對熱物理學(xué)的相關(guān)內(nèi)容作更深入的討論。第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三課程要求上課不可遲到、早退課堂不可接打電話按時(shí)并獨(dú)立地完成作業(yè)平時(shí)成績：出勤、作業(yè)、課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)、回答問題等占30%期末考試：70%第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三熱學(xué)簡史早期發(fā)展簡述

熱力學(xué)第一定律的建立分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三早期發(fā)展簡述：溫度的定義和熱機(jī)的研制1.對溫度的研究1593年，伽利略利用空氣熱脹冷縮的性質(zhì)，制成了溫度計(jì)的雛形。第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三2.熱機(jī)的發(fā)展

“蒸汽機(jī)是一個(gè)真正的國際發(fā)明，而這個(gè)事實(shí)又證實(shí)了一個(gè)巨大的歷史進(jìn)步?！?/p>

1695年，法國人巴本第一個(gè)發(fā)明蒸汽機(jī)，但操作不便，不安全。1705年，鈕科門和科里制造了新蒸汽機(jī)，有一定實(shí)用價(jià)值，但用水冷卻氣缸，能量損失很大。1769年，英國技工瓦特改進(jìn)了鈕科門機(jī)，加了冷凝器，使機(jī)器運(yùn)作由斷續(xù)變連續(xù)，從而蒸汽機(jī)的使用價(jià)值大大提高，導(dǎo)致了歐洲的工業(yè)革命。1785年，熱機(jī)被應(yīng)用于紡織。1807年，熱機(jī)被美國人富爾頓應(yīng)用于輪船，1825年被用于火車和鐵路。第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三薩維里的蒸汽機(jī)第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三托馬斯?紐可門的蒸汽機(jī)第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三瓦特像瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三1807年第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三3.量熱學(xué)和熱傳導(dǎo)理論的建立在18世紀(jì)前半葉，人們對什么是溫度，什么是熱量的概念含糊不清，熱學(xué)要發(fā)展，有關(guān)熱學(xué)的一系列概念就需要有科學(xué)的定義。經(jīng)彼得堡院士里赫曼于1744年開始，英國人布拉克和他的學(xué)生伊爾文等逐步工作，終于在1780年前后，溫度、熱量、熱容量、潛熱等一系列概念都已形成。第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三4.熱本性說的爭論

1）認(rèn)為熱是一種物質(zhì)，即熱質(zhì)說。代表人物：伊壁鳩魯、付里葉、卡諾。2）認(rèn)為熱是物體粒子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。代表人物：笛卡爾、胡克、羅蒙諾索夫，倫福德。他們認(rèn)為：“盡管看不到，也不能否定分子運(yùn)動(dòng)是存在的?！?/p>

第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三熱力學(xué)第一定律的建立

一、定律誕生的背景1）為蒸汽機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，迫切需要研究熱和功的關(guān)系，以提高熱機(jī)效率，適應(yīng)生產(chǎn)力發(fā)展的需要。2）能量轉(zhuǎn)化與守恒思想的萌發(fā)二、確立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的三位科學(xué)家第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三邁爾曾是一位隨船醫(yī)生，在一次駛往印度尼西亞的航行中，給生病的船員做手術(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)血的顏色比溫帶地區(qū)的新鮮紅亮，這引起了邁爾的沉思。他認(rèn)為，食物中含有的化學(xué)能，可轉(zhuǎn)化為熱能，在熱帶情況下，機(jī)體中燃燒過程減慢，因而留下了較多的氧。邁爾的結(jié)論是：“因此力（能量）是不滅的，而是可轉(zhuǎn)化的，不可稱量的客體”。邁爾在1841年、1842年撰文發(fā)表了他的觀點(diǎn)，在1845年的論文中，更明確寫道：“無不能生有，有不能變無?！薄霸谒赖幕蚧畹淖匀唤缰校@個(gè)力（能）永遠(yuǎn)處于循環(huán)和轉(zhuǎn)化之中?！边~爾是將熱學(xué)觀點(diǎn)用于有機(jī)世界研究的第一人。恩格斯對邁爾的工作給予很高的評(píng)價(jià)。德國的邁爾(1814-1878)第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三亥姆霍茲

德國科學(xué)家，他認(rèn)為，大自然是統(tǒng)一的，自然力(即能量)是守恒的。1847年，發(fā)表著名論文《力的守恒》，把能量概念從機(jī)械運(yùn)動(dòng)推廣到普遍的能量守恒。第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三焦耳的實(shí)驗(yàn)研究

焦耳是英國著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，家境富裕。16歲在名家道爾頓處學(xué)習(xí)，使他對科學(xué)濃厚興趣。當(dāng)時(shí)電機(jī)剛出現(xiàn)，焦耳在1841年發(fā)表文章指出:“熱量與導(dǎo)體電阻和電流平方成正比?！边@就是著名的焦耳——楞次定律。探求熱和得到的或失去的機(jī)械功之間是否存在一個(gè)恒定的比值，又成了焦耳感興趣的問題。1845年，焦耳為測定機(jī)械功和熱之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)計(jì)了“熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)儀”，并反復(fù)改進(jìn)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)。1849年發(fā)表《論熱功當(dāng)量》。1878年發(fā)表《熱功當(dāng)量的新測定》，最后得到的數(shù)值為423.85公斤·米/千卡。焦耳測熱功當(dāng)量用了三十多年，實(shí)驗(yàn)了400多次，付出大量的辛勤勞動(dòng)。第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三焦?fàn)枩y量熱功當(dāng)量的一種實(shí)驗(yàn)裝置

--------漿葉實(shí)驗(yàn)焦耳像第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展

1、早期的分子運(yùn)動(dòng)論

1）德莫克里特（公元前460-前371）：認(rèn)為物質(zhì)皆由各種不同微粒組成。

2）1658年，伽桑狄提出，物質(zhì)是由分子構(gòu)成的。第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三2、克勞修斯的理想氣體分子模型

1857年發(fā)表《論熱運(yùn)動(dòng)的類型》的文章，，以十分明晰和信服的推理，建立了理想氣體分子模型和壓強(qiáng)公式，引入了平均自由程的概念。第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三3、麥克斯韋的貢獻(xiàn)1860年，麥克斯韋發(fā)表了《氣體動(dòng)力論的說明》，第一次用概率的思想，建立了麥克斯韋分子速率分布律。

第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三4、玻爾茲曼的工作在麥?zhǔn)纤俾史植悸实幕A(chǔ)上，第一次考慮了重力對分子運(yùn)動(dòng)的影響，建立了更全面的玻爾茲曼分布律，建立了知名過程方向性的玻爾茲曼H定理，建立了玻爾茲曼熵公式。

第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三5、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的創(chuàng)立在克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼研究的基礎(chǔ)上，吉布斯提出：“熱力學(xué)的發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)建立在力學(xué)的一個(gè)分支上”，吉布斯由此建立了統(tǒng)計(jì)力學(xué)。

1902年發(fā)表了《統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本理論》，建立了完整的“系綜理論”。第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三普通物理教程熱學(xué)§1.1宏觀描述方法與微觀描述方法§1.1.1熱學(xué)的研究對象及其特點(diǎn)§1.1.2宏觀描述方法與微觀描述方法第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三§1.1.1熱學(xué)的研究對象及其特點(diǎn)（一）熱物理學(xué)（thermalphysics）熱物理學(xué)是研究有關(guān)物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)以及與熱相聯(lián)系的各種規(guī)律的科學(xué)。

宏觀物質(zhì)，由大量微觀粒子組成，微觀粒子（例如分子、原子等）都處于永不停息的無規(guī)熱運(yùn)動(dòng)中。正是大量微觀粒子的無規(guī)熱運(yùn)動(dòng)，才決定了宏觀物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)。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。

第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三（二）熱學(xué)研究對象的特征熱物理學(xué)研究的是由數(shù)量很大很大的大數(shù)微觀粒子所組成的系統(tǒng)。若光滑底面上有N個(gè)彈性剛球,確定一個(gè)球的運(yùn)動(dòng)情況需要x,y,vx,vy

4個(gè)獨(dú)立坐標(biāo),需要列出4個(gè)獨(dú)立方程。N個(gè)彈性剛球需要4n個(gè)獨(dú)立方程?？墒侨萜髦械臍怏w分子是如此之多,例如:1mol物質(zhì)中就有6×1023個(gè)分子,

因而需要有6×4×1023個(gè)方程。對于這個(gè)數(shù)量的大小我們?nèi)狈Ω行哉J(rèn)識(shí)。第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三如何理解宇宙年齡的數(shù)量級(jí)的大??？我們知道宇宙現(xiàn)今年齡為1010年數(shù)量級(jí)，確切些說是137億年。1年=365×86400秒∽107秒,1010年∽1017秒

。解微分方程組首先要寫出微分方程，還要寫出已知條件。簡單些，我們不要求寫了，只要求數(shù)出所必須解出的微分方程的個(gè)數(shù)。因?yàn)槲⒎址匠痰膫€(gè)數(shù)是和彈性剛球的數(shù)量級(jí)相同的。第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三假如有一個(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，若他1秒數(shù)10個(gè)分子，則他數(shù)到現(xiàn)今才數(shù)了1017個(gè)分子,差不多相當(dāng)于10-6摩爾分子。顯然，人類不可能造出一部能計(jì)算1023個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)方程的計(jì)算機(jī)。即使能做到，對我們也意義不大，因?yàn)槲覀兯P(guān)心的是氣體的宏觀性質(zhì)，即相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值。熱物理學(xué)研究對象的這一特點(diǎn)決定了它有宏觀的與微觀的兩種不同的描述方法。第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三

§1.1.2宏觀描述方法與微觀描述方法大數(shù)粒子作為一個(gè)整體，存在著統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，這種相關(guān)性迫使這個(gè)集體要遵從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對大數(shù)粒子統(tǒng)計(jì)所得的平均值就是平衡態(tài)系統(tǒng)的宏觀可測定的物理量。系統(tǒng)的粒子數(shù)越多，統(tǒng)計(jì)規(guī)律的正確程度也越高。相反，粒子數(shù)少的系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)平均值與宏觀可測定量之間的偏差較大，有時(shí)甚至失去它的實(shí)際意義。正因?yàn)槿绱?，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。（一）宏觀與微觀的兩種不同描述方法第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三(二)熱力學(xué)（Thermodynamics)熱力學(xué)是熱物理學(xué)的宏觀理論，它從對熱現(xiàn)象的大量的直接觀察和實(shí)驗(yàn)測量所總結(jié)出來的普適的基本定律出發(fā)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過邏推理及演繹，得出有關(guān)物質(zhì)各種宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系、宏觀物理過程進(jìn)行的方向和限度等結(jié)論。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。對于任何宏觀的物質(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。第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期三愛因斯坦晚年（1949年)說過：

熱力學(xué)是具有最大普遍性的一門科學(xué)，它不同于力學(xué)、電磁學(xué)，因?yàn)樗惶岢鋈魏我粋€(gè)特殊模型，但它又可應(yīng)用于任何的宏觀的物質(zhì)系統(tǒng).“一個(gè)理論，如果它的前提越簡單，而且能說明各種類型的問題越多，適用的范圍越廣，那么它給人的印象就越深刻。因此,經(jīng)典熱力學(xué)給我留下了深刻的印象。經(jīng)典熱力學(xué)是具有普遍內(nèi)容的唯一的物理理論，我深信，在其基本概念適用的范圍內(nèi)是絕對不會(huì)被推翻的?！钡谌?，共三十四頁，編輯于2023年，星期三熱力學(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)。它只能說明應(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