熱力學(xué)統(tǒng)計物理總復(fù)習(xí).ppt

1、ENGINEERING THERMODYNAMICS,總復(fù)習(xí),熱力學(xué)統(tǒng)計物理,(Overall Review),Basic Concept,熱力學(xué)部分 第一章 熱力學(xué)的基本規(guī)律 1、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)所研究的對象：由大量微觀粒子組成的宏觀物質(zhì)系統(tǒng) 其中所要研究的系統(tǒng)可分為三類 孤立系：與其他物體既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換的系統(tǒng)； 閉系：與外界有能量交換但沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)； 開系：與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。,2、熱力學(xué)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的四種參量：幾何參量V、力學(xué)參量P、化學(xué)參量和 熱學(xué)參量T。,3、一個物理性質(zhì)均勻的熱力學(xué)系統(tǒng)稱為一個相；根據(jù)相的數(shù)量，可以分為單相系和復(fù)相系。 4、熱

2、平衡定律(熱力學(xué)第零定律）：如果兩個物體各自與第三個物體達到熱平衡，它們彼此也處在熱平衡. 5、范德瓦爾斯方程是考慮了氣體分子之間的相互作用力（排斥力和吸引力）,對理想氣體狀態(tài)方程作了修正之后的實際氣體的物態(tài)方程。,6、準(zhǔn)靜態(tài)過程：過程由無限靠近的平衡態(tài)組成，過程進行的每一步，系統(tǒng)都處于平衡態(tài)。 7、準(zhǔn)靜態(tài)過程外界對氣體所作的功： ，外界對氣體所作的功是個過程量。 8、絕熱過程：系統(tǒng)狀態(tài)的變化完全是機械作用或電磁作用的結(jié)果而沒有受到其他影響。絕熱過程中內(nèi)能U是一個態(tài)函數(shù)： 9、熱力學(xué)第一定律（即能量守恒定律）表述：任何形式的能量，既不能消滅也不能創(chuàng)造，只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，在轉(zhuǎn)換過程

3、中能量的總量保持恒定；熱力學(xué)表達式： ；微分形式：,10、態(tài)函數(shù)焓H： ，等壓過程： ， 與熱力學(xué)第一定律的公式一比較即得：等壓過程系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于態(tài)函數(shù)焓的增加量。 ,H=U+pV,U(T),11、焦耳定律：氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，與體積無關(guān)，即 。 12定壓熱容比： 定容熱容比： 邁耶公式： ,13、絕熱過程的狀態(tài)方程：,14、卡諾循環(huán)過程由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。 正循環(huán)為卡諾熱機，效率 ，逆循環(huán)為卡諾制冷機，效率為 （只能用于卡諾熱機）,15、熱力學(xué)第二定律： 克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化（表明熱傳導(dǎo)過程是不可逆的）； 開爾文（湯姆

4、孫）表述：不可能從單一熱源吸收熱量使之完全變成有用的功而不引起其他變化（表明功變熱的過程是不可逆的）； 另一種開氏表述：第二類永動機不可能造成的。,16、無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程。 17、卡諾定理：所有工作于兩個一定溫度T1與T2之間的熱機，以可逆機的效率為最高。并且所有的可逆機的效率都相等，與工作物質(zhì)無關(guān)，只與熱源溫度有關(guān)。,19、熱機的效率： Q1為熱機從高溫?zé)嵩次盏臒崃?，Q2為熱機在低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃俊?20、克勞修斯等式與不等式： 21、可逆熱力學(xué)過程 ，不可逆熱力學(xué)過程 22、熱力學(xué)基本方程：,23、熵函數(shù)是一個廣延量，具有可加性；對于可逆過程，熵S是一個態(tài)函數(shù)，積分與路徑無關(guān)

5、；對于絕熱過程中，熵永不減少。,24、理想氣體的熵函數(shù)S： 25、熵增加原理：系統(tǒng)經(jīng)過可逆絕熱過程后熵不變，經(jīng)過不可逆絕熱過程后熵增加，在絕熱條件下熵減少的過程是不可能實現(xiàn)的。熵增加原理用來判斷過程進行的方向和限度。 26、孤立系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的過程的方向就是熵增加的方向，若系統(tǒng)經(jīng)絕熱過程后熵不變，則此過程是可逆的；若熵增加，則此過程是不可逆的。 27、熵是系統(tǒng)中微觀粒子作無規(guī)則運動的混亂程度的量度。,28、在等溫等容過程中，系統(tǒng)的自由能（F）永不增加，系統(tǒng)發(fā)生的不可逆過程總是朝著自由能減少的方向進行；在等溫等壓過程中，吉布斯函數(shù)（G）永不增加，系統(tǒng)發(fā)生的不可逆過程總是朝著吉布斯函數(shù)減少的方向進行

6、。,第二章 均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì) 29、內(nèi)能、焓、自由能和吉布斯函數(shù)的全微分 30、麥?zhǔn)详P(guān)系：,dU=TdS-pdV,31、獲得低溫的方法主要有節(jié)流過程和絕熱膨脹過程；節(jié)流過程前后氣體的溫度發(fā)生了變化，這個效應(yīng)稱之為：焦耳湯姆孫效應(yīng)；對于理想氣體，節(jié)流過程前后溫度不變。 32、受熱的物體會輻射電磁波，叫做熱輻射；熱平衡輻射體對電磁波的吸收和輻射達到平衡，熱輻射的特性只取決于輻射體的溫度，與輻射體的其他性質(zhì)無關(guān)，所以說平衡輻射下，輻射體具有固定的溫度。,第三章 單元系的相變 1、孤立系統(tǒng)達到平衡態(tài)的時候，系統(tǒng)的熵處于極大值狀態(tài)，這是孤立系統(tǒng)平衡態(tài)的判據(jù)；如果極大值不止一個，則當(dāng)系統(tǒng)處于較小的極大

7、值的時候，系統(tǒng)處于亞穩(wěn)平衡態(tài)。 2孤立系統(tǒng)處在穩(wěn)定平衡態(tài)的充要條件是：S0;等溫等壓系統(tǒng)處在穩(wěn)定平衡態(tài)的充要條件是： G0。,3、當(dāng)系統(tǒng)對于平衡狀態(tài)而發(fā)生某種偏離的時候，系統(tǒng)中將會自發(fā)地產(chǎn)生相應(yīng)的過程，直到恢復(fù)系統(tǒng)的平衡。 4開系的熱力學(xué)基本方程： 5、單元系的復(fù)相平衡條件： 6、汽化線、熔解線與升華線的交點稱為三相點，在三相點固、液、氣三相可以平衡共存。 7、單元系三相共存時，即三相（）的溫度、壓強和化學(xué)勢必須相等,第四章 多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡,1、多元系是由含有兩種或兩種以上化學(xué)組分組成的系統(tǒng)，在多元系既可以發(fā)生相變，也可以發(fā)生化學(xué)變化。 2、在系統(tǒng)的T和p不變時，若各組元的摩爾數(shù)都

8、增加倍，系統(tǒng)的V、U 、S也應(yīng)增加倍。 3、多元系的熱力學(xué)基本方程,4 、吉布斯關(guān)系：,5、多元系的復(fù)相平衡條件：整個系統(tǒng)達到平衡的時候，兩相中各組元的化學(xué)勢必須分別相等，即 ,6 、道爾頓分壓定律：混合理想氣體的壓強等于各組元的分壓之和，即,7 、理想氣體在混合前后的焓值相等，所以理想氣體在等溫等壓下混合過程中與外界沒有熱量交換.,8 、偏摩爾體積、偏摩爾內(nèi)能和偏摩爾熵：,1、粒子的能量是粒子的廣義坐標(biāo)和廣義動量的函數(shù)(pi,qi) 某一時刻粒子的運動狀態(tài)可以用空間的一點來表示，注意，粒子在空間的軌跡并不是粒子的實際運動軌跡。 ,2 、自由粒子自由度3，空間維數(shù)6，能量（球） 線性諧振子自由

9、度1，空間維數(shù)2，能量（橢圓） ,3、粒子的自由度為r，各自由度的坐標(biāo)和動量的不確定值,滿足海森伯不確定關(guān)系 ， 相格的大小為,統(tǒng)計物理學(xué)部分 第六章 近獨立粒子的最概然分布,4、近獨立粒子系統(tǒng)：系統(tǒng)中粒子之間的相互作用很弱，相互作用的平均能量遠小于單個粒子的平均能量，忽略粒子之間的相互作用，系統(tǒng)的能量就簡單地認(rèn)為是單個粒子的能量之和。 5、經(jīng)典物理：全同粒子可以分辨，可以跟蹤粒子的軌道運動軌跡；量子物理：全同粒子不可分辨，不可能跟蹤粒子的運動（不確定關(guān)系）。,6 、費米子：自旋量子數(shù)為半整數(shù)的基本粒子或復(fù)合粒子，如：電子、質(zhì)子、中子等。玻色子：自旋量子數(shù)為整數(shù)的基本粒子或復(fù)合粒子，如：光子、

10、介子等。 7、玻耳茲曼系統(tǒng)：粒子可以分辨，不滿足泡利不相容原理，對兩個粒子三個能級體系，有9個不同的量子態(tài)；玻色系統(tǒng)：粒子不可以分辨，不滿足泡利不相容原理，有6個不同的量子態(tài)；費米系統(tǒng)：粒子不可以分辨，滿足泡利不相容原理，有3個不同的量子態(tài)。,8、統(tǒng)計物理的根本問題：確定各微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率；宏觀狀態(tài)量是相應(yīng)微觀物理量的統(tǒng)計平均值。 9、等概率原理：對于平衡態(tài)的孤立系統(tǒng)，系統(tǒng)各個可能的微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率是相等的，等概率原理是統(tǒng)計熱力學(xué)的基本原理。,10 、玻耳茲曼分布： 玻色分布： 費米分布,第七章 玻耳茲曼統(tǒng)計 1、內(nèi)能是系統(tǒng)中粒子無規(guī)則運動總能量的統(tǒng)計平均值，其統(tǒng)計表達式為： 其中配分函數(shù)

11、,2 、（玻耳茲曼系統(tǒng)）熵的統(tǒng)計物理意義：熵是混亂度的量度，某個宏觀狀態(tài)對應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)越多，它的混亂度就越大，熵就越大。熵的統(tǒng)計表達式：,3、理想氣體的物態(tài)方程： ,4 、氣體滿足經(jīng)典極限條件（非簡并條件） ，即要求（1）氣體要稀?。唬?）溫度要高；（3）分子的質(zhì)量m要大。,5、麥克斯韋速度分布： 麥克斯韋速率分布：,6、最概然速率： 平均速率： 方均根速率：,7、單位時間內(nèi)碰到單位面積器壁上的分子數(shù)（碰壁數(shù)）：,8、能量均分定理：對于處在溫度為T的平衡狀態(tài)的經(jīng)典系統(tǒng)，粒子能量中每一個平方項的平均值的平均值等于1/2 kT。根據(jù)能量均分定理， 單原子分子的平均能量為3/2 kT，雙原子分子的平均能量5/2 kT【平動能+轉(zhuǎn)動能+0振動能（相對運動動能+相對運動勢能）】 。,1、當(dāng)系統(tǒng)不滿足非簡并性條件，而且也不是定域系統(tǒng)時，需要采取玻色統(tǒng)計或費米統(tǒng)計的方法來處理。微觀粒子全同性原理決定了二者與玻耳茲曼系統(tǒng)不同的宏觀性質(zhì)。,2、巨配分函數(shù) :,3、熵與微觀狀態(tài)數(shù)的關(guān)系：,第八章 玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)計,4、巨熱力勢和巨配分函數(shù)的關(guān)系：,5、當(dāng)理想玻色氣體的n 3 2.612的臨界值的時候?qū)霈F(xiàn)玻色愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。,6、光子氣體 特征1：自旋量子數(shù)為1； 特征2：所有光子