熱學 主講黃曉琴 參考教材 熱學教程黃淑清等高等教育出版社熱學李椿高等教育出版社熱學肖國屏高等教育出版社熱學趙凱華高等教育出版社大學物理學 熱學張三慧清華大學出版社 教材 熱學秦允豪高等教育出版社 1 熱學研究對象 物質的熱現象和物質熱運動的規律及其應用 熱現象 與溫度有關的物體的狀態和性質的變化 熱運動 組成物體的大量微觀粒子的一種永不停息的無規則運動 第一章導論 1 1熱學研究的對象和方法 1 熱學研究的方法按照研究方法的不同 熱學可分為兩門學科 即熱力學和統計物理學 它們從不同角度研究熱運動 二者相輔相成 彼此聯系又互相補充 1 熱力學 研究物質熱運動的宏觀理論 從基本實驗定律出發 通過邏輯推理和數學演繹 找出物質各種宏觀性質的關系 得出宏觀過程進行的方向及過程的性質等方面的結論 具有高度的普適性與可靠性 但因不涉及物質的微觀結構 而將物質視為連續體 故不能解釋物質宏觀性質的漲落 1 統計物理學 研究物質熱運動的微觀理論 從物質由大量微觀粒子組成這一基本事實出發 運用統計方法 把物質的宏觀性質作為大量微觀粒子熱運動的統計平均結果 找出宏觀量與微觀量的關系 進而解釋物質的宏觀性質 在對物質微觀模型進行簡化假設后 應用統計物理可求出具體物質的特性 還可應用到比熱力學更為廣闊的領域 如解釋漲落現象 1 熱學 課程的主要內容熱力學基礎溫度 熱力學第一定律 熱力學第二定律分子運動論氣體的壓強 速度分布 輸運現象等物質的熱性質固體 液體的熱性質及相變等 1 熱學發展簡史 第一階段 從遠古到十八世紀初 對熱的本質有了一些不成熟的樸素認識 由于受生產力發展的制約 沒有作為系統的科學建立起來 人工取火始于石器時代1620年培根 FrancisBacon 提出 熱是一種膨脹的 被約束的而在其斗爭中作用于物體內部較小的粒子之上的運動 玻意耳 R Boyle 認為熱是物體內部產生的強烈而雜亂的運動 1 第二階段 從十八世紀初到十九世紀中葉是熱機的發展和熱學走上實驗科學的階段十八世紀蒸汽機的出現是人類利用熱能方面具有劃時代的重大突破 1714年德國人華倫海脫制定了華氏溫標1742年瑞典人攝爾修斯制定了攝氏溫標對熱的本質的問題當時存在兩種對立的看法 1 熱質說 熱是一種可以透入一切物體中的不生不滅無質量的流質2 熱是物質運動的一種表現 十九世紀四十年代末 能量守恒與轉化定律建立之后 熱的運動說取得了最后的勝利 1 第三階段 十九世紀中葉到末葉是熱力學定律建立和完善的階段 熱力學第一 第二定律建立 分子運動論和統計力學的建立 1 第四階段 二十世紀是熱力學和統計物理學相結合進一步發展并和其他學科及近代科學技術相結合的階段 1912年普朗克提出了了熱力學第三定律1969年普里高津提出了 耗散結構 概念 與此相聯系的非平衡態統計理論 漲落 物質的自組織現象 耗散結構等 已成為當前統計物理中最活躍的前沿 1 系統與外界1 熱力學系統 簡稱系統 熱力學所研究的對象稱為熱力學系統 簡稱系統system 2 系統的外界 簡稱外界 與系統存在密切聯系的系統以外的部分稱為外界或媒質 medium 1 2熱力學系統的平衡態 1 熱力學平衡態一個系統在不受外界影響的條件下 如果它的宏觀性質不再隨時間變化 我們就說這個系統處于熱力學平衡態 從本質上看平衡態的概念意味著當系統脫離外界影響后 在系統內部不存在任何自發轉變的因素 1 注意 與穩恒態的區別 穩恒態不隨時間變化 但由于有外界的影響 故在系統內部存在能量流或粒子流 穩恒態是非平衡態 對平衡態的理解應將 無外界影響 與 不隨時間變化 同時考慮 缺一不可 穩恒態實例 1 狀態參量 平衡態的描述當系統處于平衡態時 系統的宏觀性質都不隨時間而改變 它的狀態可以用一些獨立的參量來表示 確定平衡態的宏觀性質的量稱為狀態參量 常用的狀態參量有四類 幾何參量 如 氣體體積 力學參量 如 氣體壓強 化學參量 如 混合氣體各化學組分的質量和摩爾數等 電磁參量 如 電場和磁場強度 電極化和磁化強度等 1 說明 1 如果在所研究的問題中既不涉及電磁性質又無須考慮與化學成分有關的性質 系統中又不發生化學反應 則不必引入電磁參量和化學參量