物理學(xué)熱學(xué)§1.1宏觀與微觀描述方法.ppt

1、普通物理教程 熱學(xué),楊遠貴 淮北師范大學(xué) E-mail: Phone:熱是人類最早發(fā)現(xiàn)的一種自然力，是地球上一切生命的源泉。 恩格斯,教材內(nèi)容,第一章 導(dǎo)論 第二章 分子動理學(xué)理論的平衡態(tài)理論 第三章 輸運現(xiàn)象與分子動理學(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,基本框架,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)計物理學(xué)的初步知識（以分子動理論的內(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。 以后在“熱力學(xué)與統(tǒng)計物理”、“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。,

2、課程要求,上課不可遲到、早退 課堂不可接打電話 按時并獨立地完成作業(yè) 平時成績：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%,熱學(xué)簡史,早期發(fā)展簡述 熱力學(xué)第一定律的建立 分子運動論的發(fā)展,早期發(fā)展簡述：溫度的定義和熱機的研制,1.對溫度的研究,1593年，伽利略利用空氣熱脹冷縮的性質(zhì)，制成了溫度計的雛形。,2.熱機的發(fā)展,“蒸汽機是一個真正的國際發(fā)明，而這個事實又證實了一個巨大的歷史進步?！?1695年，法國人巴本第一個發(fā)明蒸汽機，但操作不便，不安全。 1705年，鈕科門和科里制造了新蒸汽機，有一定實用價值，但用水冷卻氣缸，能量損失很大。 1769年，英國技工瓦特改進了鈕科

3、門機，加了冷凝器，使機器運作由斷續(xù)變連續(xù)，從而蒸汽機的使用價值大大提高，導(dǎo)致了歐洲的工業(yè)革命。 1785年，熱機被應(yīng)用于紡織。 1807年，熱機被美國人富爾頓應(yīng)用于輪船，1825年被用于火車和鐵路。,薩維里的蒸汽機,托馬斯紐可門的蒸汽機,瓦特像,瓦特發(fā)明的蒸汽機,1807年,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。,4.熱本性說的爭論,1）認為熱是

4、一種物質(zhì)，即熱質(zhì)說。 代表人物：伊壁鳩魯、付里葉、卡諾。 2）認為熱是物體粒子的內(nèi)部運動。 代表人物：笛卡爾、胡克、羅蒙諾索夫，倫福德。 他們認為：“盡管看不到，也不能否定分子運動是存在的?！?熱力學(xué)第一定律的建立,一、定律誕生的背景 1）為蒸汽機的進一步發(fā)展，迫切需要研究熱和功的關(guān)系，以提高熱機效率，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,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，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，機體中燃燒過程

5、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，在1845年的論文中，更明確寫道：“無不能生有，有不能變無?！?“在死的或活的自然界中，這個力（能）永遠處于循環(huán)和轉(zhuǎn)化之中?！?邁爾是將熱學(xué)觀點用于有機世界研究的第一人。 恩格斯對邁爾的工作給予很高的評價。,德國的邁爾(1814-1878),亥姆霍茲,德國科學(xué)家，他認為，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，把能量概念從機械運動推廣到普遍的能量守恒。,焦耳的實驗研究,焦耳是英國著名的實驗物理學(xué)家，家境富裕。1

6、6歲在名家道爾頓處學(xué)習(xí)，使他對科學(xué)濃厚興趣。 當(dāng)時電機剛出現(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。”這就是著名的焦耳楞次定律。 探求熱和得到的或失去的機械功之間是否存在一個恒定的比值，又成了焦耳感興趣的問題。1845年，焦耳為測定機械功和熱之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)計了“熱功當(dāng)量實驗儀”，并反復(fù)改進，反復(fù)實驗。 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，實驗了400多次，付出大量的辛勤勞動。,焦?fàn)枩y量熱功當(dāng)量的一種實驗裝置 -漿葉實驗,焦耳像,分子運動論的發(fā)展,1、早期的分子運動論 1

7、）德莫克里特（公元前460-前371）：認為物質(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。,2、克勞修斯的理想氣體分子模型,1857年發(fā)表論熱運動的類型的文章，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公式，引入了平均自由程的概念。,3、麥克斯韋的貢獻,1860年，麥克斯韋發(fā)表了氣體動力論的說明，第一次用概率的思想，建立了麥克斯韋分子速率分布律。,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動的影響，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。,5、統(tǒng)計物理學(xué)的創(chuàng)立,在克勞修斯、麥克

8、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)的一個分支上”，吉布斯由此建立了統(tǒng)計力學(xué)。 1902年發(fā)表了統(tǒng)計力學(xué)的基本理論，建立了完整的“系綜理論”。,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 1.1.2 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,（一）熱物理學(xué)（thermal physics） 熱物理學(xué)是研究有關(guān)物質(zhì)的熱運動以及與熱相聯(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)熱運動中。 正是大量微觀粒子的無規(guī)熱運動，才決定了宏觀物質(zhì)的熱學(xué)

9、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。,（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 個彈性剛球,確定一個球的運動情況需要x,y,vx,vy 4個獨立坐標(biāo), 需要列出4個獨立方程。 N 個彈性剛球需要 4n 個獨立方程。 可是容器中的氣體分子是如此之多,例如: 1mol物質(zhì)中就有61023個分子, 因而需要有641023個方程。 對于這個數(shù)量的大小我們?nèi)狈Ω行哉J識。,如何理解宇宙年齡的數(shù)量級的大小？,我們知道宇宙現(xiàn)今年齡為1010年數(shù)量級， 確切些說是137億年。 1年=36586400秒107秒,

10、 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數(shù)。 因為微分方程的個數(shù)是和彈性剛球的數(shù)量級相同的。,假如有一個“超人”，他從宇宙大爆炸那一刻起與宇宙同時誕生，并與宇宙的年齡相同，若他1秒數(shù)10個分子，則他數(shù)到現(xiàn)今才數(shù)了1017個分子,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算1023個粒子的運動方程的計算機。 即使能做到，對我們也意義不大，因為我們所關(guān)心的是氣體的宏觀性質(zhì)，即相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計平均值。 熱物理學(xué)研究對象的這一特點決定了它有宏觀的與微觀的兩種不同的描述方法。,1.1.2 宏觀

11、描述方法與微觀描述方法,大數(shù)粒子作為一個整體，存在著統(tǒng)計相關(guān)性，這種相關(guān)性迫使這個集體要遵從一定的統(tǒng)計規(guī)律。 對大數(shù)粒子統(tǒng)計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)計平均值與宏觀可測定量之間的偏差較大，有時甚至失去它的實際意義。 正因為如此，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,(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

12、接觀察和實驗測量所總結(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)象只要與熱運動有關(guān)，總應(yīng)遵循熱力學(xué)規(guī)律。,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)，因為它不提出任何一個特殊模型，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)是絕對不會被推翻的?！?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，須從物質(zhì)微觀模型出發(fā)，