1、物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法普通物理教程普通物理教程 熱學熱學楊遠貴楊遠貴淮北師范大學淮北師范大學E-mail: Phone:是人類最早發現的一種自然力，是地球上一切生命的源泉。熱是人類最早發現的一種自然力，是地球上一切生命的源泉。恩格斯恩格斯物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法教材內容教材內容o第一章第一章 導論導論o第二章第二章 分子動理學理論的平衡態理論分子動理學理論的平衡態理論o第三章第三章 輸運現象與分子動理學理論的非平輸運現象與分子動理學理論的非平衡態理論衡態理論 o第四章第四章 熱力學第一定律熱力學第一定律o第五章第五章 熱力學第二定律熱力學第二定律

2、o第六章第六章 物態與相變物態與相變 物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法基本框架基本框架熱力學熱力學第零定律第零定律熱平衡熱平衡溫度溫度熱力學熱力學第一定律第一定律能量守恒能量守恒內能、功內能、功熱量、焓熱量、焓熱力學熱力學第二定律第二定律過程方向過程方向熵熵熱力學熱力學第三定律第三定律溫度極限溫度極限絕對零度絕對零度物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法 本課程主要討論以下三部分內容：本課程主要討論以下三部分內容： （1 1）熱力學基礎；）熱力學基礎； （2 2）統計物理學的初步知識（以分子動理論的）統計物理學的初步知識（以分子動理論的內容為主）；內容為主）； （3 3）氣體、液體、固體、相變等

3、物性學方面的）氣體、液體、固體、相變等物性學方面的基本知識。基本知識。 以后在以后在“熱力學與統計物理熱力學與統計物理”、“固體物固體物理理” ” 等課程中還要對熱物理學的相關內容作等課程中還要對熱物理學的相關內容作更深入的討論。更深入的討論。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法課程要求課程要求o上課不可遲到、早退上課不可遲到、早退o課堂不可接打電話課堂不可接打電話o按時并獨立地完成作業按時并獨立地完成作業o平時成績：出勤、作業、課堂學習狀態、回平時成績：出勤、作業、課堂學習狀態、回答問題等占答問題等占30%o期末考試：期末考試：70%物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法熱學簡史熱學簡史o早期發展

4、簡述早期發展簡述 o熱力學第一定律的建立熱力學第一定律的建立o分子運動論的發展分子運動論的發展物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法早期發展簡述：早期發展簡述：溫度的定義和熱機的研制溫度的定義和熱機的研制o1.對溫度的研究對溫度的研究15931593年，伽利略年，伽利略利用空氣熱脹冷利用空氣熱脹冷縮的性質，制成縮的性質，制成了溫度計的雛形。了溫度計的雛形。 物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法2.熱機的發展 o“蒸汽機是一個真正的國際發明，而這個事實又證實了蒸汽機是一個真正的國際發明，而這個事實又證實了一個巨大的歷史進步。一個巨大的歷史進步。” ” o16951695年，法國人巴本第一個發明蒸汽機，

5、但操作不便，年，法國人巴本第一個發明蒸汽機，但操作不便，不安全。不安全。o17051705年，鈕科門和科里制造了新蒸汽機，有一定實用價年，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。值，但用水冷卻氣缸，能量損失很大。o17691769年，英國技工瓦特改進了鈕科門機，加了冷凝器，年，英國技工瓦特改進了鈕科門機，加了冷凝器，使機器運作由斷續變連續，從而蒸汽機的使用價值大大使機器運作由斷續變連續，從而蒸汽機的使用價值大大提高，導致了歐洲的工業革命。提高，導致了歐洲的工業革命。o17851785年，熱機被應用于紡織。年，熱機被應用于紡織。o18071807年，熱機被美國人

6、富爾頓應用于輪船，年，熱機被美國人富爾頓應用于輪船，18251825年被年被用于火車和鐵路。用于火車和鐵路。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法薩維里的蒸汽機薩維里的蒸汽機物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法托馬斯托馬斯紐可門的蒸汽機紐可門的蒸汽機物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法瓦特像瓦特像瓦特發明的蒸汽機瓦特發明的蒸汽機物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法18071807年年物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法3.3.量熱學和熱傳導理論的建立量熱學和熱傳導理論的建立o在在1818世紀前半葉，人們對什么是溫度，什么世紀前半葉，人們對什么是溫度，什么是熱量的概念含糊不清，熱學要發展，有關是熱量的概念含

7、糊不清，熱學要發展，有關熱學的一系列概念就需要有科學的定義。熱學的一系列概念就需要有科學的定義。o經彼得堡院士里赫曼于經彼得堡院士里赫曼于17441744年開始，英國人年開始，英國人布拉克和他的學生伊爾文等逐步工作，終于布拉克和他的學生伊爾文等逐步工作，終于在在17801780年前后，溫度、熱量、熱容量、潛熱年前后，溫度、熱量、熱容量、潛熱等一系列概念都已形成。等一系列概念都已形成。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法4.熱本性說的爭論熱本性說的爭論 o1）認為熱是一種物質，即熱質說。認為熱是一種物質，即熱質說。代表人物：伊壁鳩魯、付里葉、卡諾。代表人物：伊壁鳩魯、付里葉、卡諾。o2 2）認為熱

8、是物體粒子的內部運動。）認為熱是物體粒子的內部運動。 代表人物：笛卡爾、胡克、羅蒙諾索夫，代表人物：笛卡爾、胡克、羅蒙諾索夫，倫福德。倫福德。 他們認為：他們認為：“盡管看不到，也不能否定分盡管看不到，也不能否定分子運動是存在的。子運動是存在的。” ” 物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法熱力學第一定律的建立熱力學第一定律的建立 o一、定律誕生的背景一、定律誕生的背景o1）為蒸汽機的進一步發展，迫切需要研究）為蒸汽機的進一步發展，迫切需要研究熱和功的關系，以提高熱機效率，適應生產熱和功的關系，以提高熱機效率，適應生產力發展的需要。力發展的需要。o2）能量轉化與守恒思想的萌發）能量轉化與守恒思想的

9、萌發o二、確立能量轉化與二、確立能量轉化與 守恒定律的三位科學家守恒定律的三位科學家物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法o邁爾曾是一位隨船醫生，在一次駛往印度尼西亞的航行中，給邁爾曾是一位隨船醫生，在一次駛往印度尼西亞的航行中，給生病的船員做手術時，發現血的顏色比溫帶地區的新鮮紅亮，生病的船員做手術時，發現血的顏色比溫帶地區的新鮮紅亮，這引起了邁爾的沉思。這引起了邁爾的沉思。o他認為，食物中含有的化學能，可轉化為熱能，在熱帶情況下，他認為，食物中含有的化學能，可轉化為熱能，在熱帶情況下，機體中燃燒過程減慢，因而留下了較多的氧。邁爾的結論是：機體中燃燒過程減慢，因而留下了較多的氧。邁爾的結論是：“

10、因此力（能量）是不滅的，而是可轉化的，不可稱量的客因此力（能量）是不滅的，而是可轉化的，不可稱量的客體體”。o邁爾在邁爾在18411841年、年、18421842年撰文發表了他的觀點，在年撰文發表了他的觀點，在18451845年的論文年的論文中，更明確寫道：中，更明確寫道：“無不能生有，有不能變無。無不能生有，有不能變無。”o“在死的或活的自然界中，這個力（能）永遠處于循環和轉化在死的或活的自然界中，這個力（能）永遠處于循環和轉化之中。之中。”o邁爾是將熱學觀點用于有機世界研究的第一人。邁爾是將熱學觀點用于有機世界研究的第一人。o恩格斯對邁爾的工作給予很高的評價。恩格斯對邁爾的工作給予很高的評

11、價。 德國的邁爾德國的邁爾(1814-1878)物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法亥姆霍茲亥姆霍茲 o德國科學家，他認為，德國科學家，他認為，大自然是統一的，自然大自然是統一的，自然力力(即能量即能量)是守恒的。是守恒的。o1847年，發表著名論年，發表著名論文文力的守恒力的守恒，把能，把能量概念從機械運動推廣量概念從機械運動推廣到普遍的能量守恒到普遍的能量守恒。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法焦耳的實驗研究焦耳的實驗研究 o焦耳是英國著名的實驗物理學家，家境富裕。焦耳是英國著名的實驗物理學家，家境富裕。1616歲在名家歲在名家道爾頓處學習，使他對科學濃厚興趣。道爾頓處學習，使他對科學濃厚興

12、趣。 o當時電機剛出現，焦耳在當時電機剛出現，焦耳在18411841年發表文章指出年發表文章指出:“:“熱量與熱量與導體電阻和電流平方成正比。導體電阻和電流平方成正比。”這就是著名的焦耳這就是著名的焦耳楞楞次定律。次定律。o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。比值，又成了焦耳感興趣的問題。18451845年，焦耳為測定機年，焦耳為測定機械功和熱之間的轉換關系，設計了械功和熱之間的轉換關系，設計了“熱功當量實驗儀熱功當量實驗儀”，并反復改進，反復實驗。并反復改進，反復實驗。o18491849年發表年發表

13、論熱功當量論熱功當量。o18781878年發表年發表熱功當量的新測定熱功當量的新測定，最后得到的數值為，最后得到的數值為423.85423.85公斤公斤米米/ /千卡。千卡。o焦耳測熱功當量用了三十多年，實驗了焦耳測熱功當量用了三十多年，實驗了400400多次，付出大多次，付出大量的辛勤勞動。量的辛勤勞動。 物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法焦爾測量熱功當量的一種實驗裝置焦爾測量熱功當量的一種實驗裝置 -漿葉漿葉實驗實驗焦耳像焦耳像物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法分子運動論的發展分子運動論的發展 o1 1、早期的分子運動論、早期的分子運動論 1 1）德莫克里特（公元前）德莫克里特（公元前46

14、0-460-前前371371）：）：認為物質皆由各種不同微粒組成。認為物質皆由各種不同微粒組成。 2 2）16581658年，伽桑狄提出，物質是由分年，伽桑狄提出，物質是由分子構成的。子構成的。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法2、克勞修斯的理想氣體分子模型、克勞修斯的理想氣體分子模型 o1857年發表年發表論熱論熱運動的類型運動的類型的文的文章，以十分明晰和章，以十分明晰和信服的推理，建立了信服的推理，建立了理想氣體分子模型和理想氣體分子模型和壓強公式，引入了平壓強公式，引入了平均自由程的概念均自由程的概念。 物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法3、麥克斯韋的貢獻、麥克斯韋的貢獻o186018

15、60年，麥克斯韋發年，麥克斯韋發表了表了氣體動力論的氣體動力論的說明說明，第一次用概，第一次用概率的思想，建立了麥率的思想，建立了麥克斯韋分子速率分布克斯韋分子速率分布律。律。 物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法4、玻爾茲曼的工作、玻爾茲曼的工作o在麥氏速率分布率的在麥氏速率分布率的基礎上，第一次考慮基礎上，第一次考慮了重力對分子運動的了重力對分子運動的影響，建立了更全面影響，建立了更全面的玻爾茲曼分布律，的玻爾茲曼分布律，建立了知名過程方向建立了知名過程方向性的玻爾茲曼性的玻爾茲曼H H定理，定理，建立了玻爾茲曼熵公建立了玻爾茲曼熵公式。式。 物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法5、統計物理學

16、的創立、統計物理學的創立o在克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼研究的基礎上，吉布斯提出：“熱力學的發現基礎建立在力學的一個分支上”，吉布斯由此建立了統計力學。o1902年發表了統計力學的基本理論，建立了完整的“系綜理論”。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法普通物理教程普通物理教程 熱學熱學1.1 1.1 宏觀描述方法與微觀描述方法宏觀描述方法與微觀描述方法1.1.1 1.1.1 熱學的研究對象及其特點熱學的研究對象及其特點1.1.2 1.1.2 宏觀描述方法與微觀描述方法宏觀描述方法與微觀描述方法物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法1.1.1 1.1.1 熱學的研究對象及其特點熱學的研究對象及其特點（

17、一）熱物理學（一）熱物理學（thermal physicsthermal physics） o熱物理學是研究有關物質的熱運動以及與熱相熱物理學是研究有關物質的熱運動以及與熱相聯系的各種規律的科學。聯系的各種規律的科學。 宏觀物質，由大量微觀粒子組成，微觀粒子（例宏觀物質，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熱運如分子、原子等）都處于永不停息的無規熱運動中。動中。o正是大量微觀粒子的無規熱運動，才決定了宏正是大量微觀粒子的無規熱運動，才決定了宏觀物質的熱學性質。觀物質的熱學性質。o熱物理學滲透到自然科學各部門，所有與熱相熱物理學滲透到自然科學各部門，所有與熱相聯系

18、的現象都可用熱學來研究。聯系的現象都可用熱學來研究。 物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法（二）熱學研究對象的特征（二）熱學研究對象的特征o熱物理學研究的是由數量很大很大的大數微觀粒子熱物理學研究的是由數量很大很大的大數微觀粒子所組成的系統所組成的系統。o若光滑底面上有若光滑底面上有N N 個彈性剛球個彈性剛球, ,確定一個球的運動確定一個球的運動情況需要情況需要x,y,vx,y,vx x,v,vy y 4 4個獨立坐標個獨立坐標, ,o需要列出需要列出4 4個獨立方程。個獨立方程。oN N 個彈性剛球需要個彈性剛球需要 4 4n n 個獨立方程。個獨立方程。o 可是容器中的氣體分子是如此之多可

19、是容器中的氣體分子是如此之多, ,例如例如: :o 1mol 1mol物質中就有物質中就有6 610102323個分子個分子, ,o 因而需要有因而需要有6 64 410102323個方程。個方程。o 對于這個數量的大小我們缺乏感性認識。對于這個數量的大小我們缺乏感性認識。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法如何理解宇宙年齡的數量級的大小？如何理解宇宙年齡的數量級的大小？o我們知道宇宙現今年齡為我們知道宇宙現今年齡為10101010年數量級，年數量級，o確切些說是確切些說是137137億年。億年。o1 1年年=365=3658640086400秒秒10107 7秒秒, , o10101010年年

20、10101717秒秒 。o解微分方程組首先要寫出微分方程，還要寫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，只出已知條件。簡單些，我們不要求寫了，只要求數出所必須解出的微分方程的個數。要求數出所必須解出的微分方程的個數。 因為微分方程的個數是和因為微分方程的個數是和彈性剛球彈性剛球的的數量級數量級相同的。相同的。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法o假如有一個假如有一個“超人超人”，他從宇宙大爆炸那一刻起，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，若他與宇宙同時誕生，并與宇宙的年齡相同，若他1 1秒數秒數1010個分子，則他數到現今才數了個分子，則他

21、數到現今才數了10101717個分子個分子, ,差不多相當于差不多相當于1010-6-6摩爾分子。顯然，人類不可能摩爾分子。顯然，人類不可能造出一部能計算造出一部能計算10102323個粒子的運動方程的計算機。個粒子的運動方程的計算機。o即使能做到，對我們也意義不大，因為我們所關即使能做到，對我們也意義不大，因為我們所關心的是氣體的宏觀性質，即相應微觀量的統計平心的是氣體的宏觀性質，即相應微觀量的統計平均值。均值。o熱物理學研究對象的這一特點決定了它有宏觀的熱物理學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與微觀的兩種不同的描述方法。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法 1.1

22、.2 1.1.2 宏觀描述方法與微觀描述方法宏觀描述方法與微觀描述方法o大數粒子作為一個整體，存在著統計相關性，這種相關大數粒子作為一個整體，存在著統計相關性，這種相關性迫使這個集體要遵從一定的統計規律。性迫使這個集體要遵從一定的統計規律。o對大數粒子統計所得的平均值就是平衡態系統的宏觀可對大數粒子統計所得的平均值就是平衡態系統的宏觀可測定的物理量。測定的物理量。o系統的粒子數越多，統計規律的正確程度也越高。相反，系統的粒子數越多，統計規律的正確程度也越高。相反，粒子數少的系統的統計平均值與宏觀可測定量之間的偏粒子數少的系統的統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。差

23、較大，有時甚至失去它的實際意義。o正因為如此，正因為如此，熱學有宏觀描述方法（熱力學方法熱學有宏觀描述方法（熱力學方法) )）與）與微觀描述方法（統計物理學的方法）之分微觀描述方法（統計物理學的方法）之分。它們分別從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系。絲萬縷的聯系。（一）宏觀與微觀的兩種不同描述方法（一）宏觀與微觀的兩種不同描述方法物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法( (二二) )熱力學熱力學（Thermodynamics)Thermodynamics)o熱力學是熱物理學的宏觀理論，它從對熱現象的大熱力學是熱物

24、理學的宏觀理論，它從對熱現象的大量的直接觀察和實驗測量所總結出來的普適的基本量的直接觀察和實驗測量所總結出來的普適的基本定律出發，應用數學方法，通過邏推理及演繹，得定律出發，應用數學方法，通過邏推理及演繹，得出有關物質各種宏觀性質之間的關系、宏觀物理過出有關物質各種宏觀性質之間的關系、宏觀物理過程進行的方向和限度等結論。程進行的方向和限度等結論。o熱力學基本定律是自然界中的普適規律，只要在數熱力學基本定律是自然界中的普適規律，只要在數學推理過程中不加上其它假設，這些結論也具有同學推理過程中不加上其它假設，這些結論也具有同樣的可靠性與普遍性。樣的可靠性與普遍性。o對于任何宏觀的物質系統。不管它是

25、天文的、化學對于任何宏觀的物質系統。不管它是天文的、化學的、生物的的、生物的系統，也不管它涉及的是力學現象、系統，也不管它涉及的是力學現象、電學現象電學現象只要與熱運動有關，總應遵循熱力學只要與熱運動有關，總應遵循熱力學規律。規律。物理學熱學1.1宏觀與微觀描述方法愛因斯坦晚年（愛因斯坦晚年（19491949年年) )說過：說過： o熱力學是具有最大普遍性的一門科學，它不同于力熱力學是具有最大普遍性的一門科學，它不同于力學、電磁學，因為它不提出任何一個特殊模型，但學、電磁學，因為它不提出任何一個特殊模型，但它又可應用于任何的宏觀的物質系統它又可應用于任何的宏觀的物質系統. .“一個理論，如果它的前提越簡單，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，而且能說明各種類型的問題越多，適用的范圍越廣，那么它給人的印適用的范圍越廣，那么它給人的印象就越深刻。因此象就越深刻。因此, ,