第一章热力学的基本规律.

热力学*统计物理（ThermodynamicsandStatisticalPhysics）王金东华南师范大学信息光电子科技学院课程相关汪志诚热力学统计物理（第五版）教育部爱课程网的国家精品课（厦门大学陈金灿、复旦大学陈焱）每周交一次作业（作业计分规则）；考试形式：闭卷；评分：30%平时成绩+70%期末考试平时成绩：作业+考勤+小报告。王金东[e-mail];13533997136课程相关先修课程：高等数学、普通物理（经典力学，热力学，气体动理论，原子物理）、量子力学基本概念。注重基本概念；掌握学科框架,注重对比学习；理清主要定义和公式；必要的数学基础。课程相关通过mooc提高学习效率（翻转课堂）；递进性强，坚持把每节课的内容练熟，理解；课程不同期望的学习方法；多做总结，理顺知识脉络；理顺学习思路，调整学习方法，提高效率。第一周教学内容（绪论1.1-1.3）：热力学与统计物理的研究对象，学科特点等；热力学平衡态及其描述；热平衡定律和温度，物态方程的概念，常见系统的物态方程利用实验参数求解物态方程的方法，利用物态方程求解实验参数的方法。重点：热力学平衡态及其描述；物态方程；难点：物态方程的求解问题。绪论绪论大量微观粒子组成的宏观物体和物体系。研究对象：热运动的规律；与热运动有关的物性；宏观物质系统的演化。研究任务：绪论热力学方法（宏观，唯象）；统计物理方法（微观，唯理）；两种方法互为补充，取长补短。研究方法：绪论热力学方法（宏观、唯象）统计物理方法（微观、唯理）大量实验宏观量=微观量等概率原理热力学基本定律宏观物性及热现象规律宏观物性及热现象规律归纳演绎、推理从单个粒子遵从的力学规律出发求系统平均宏观、普遍、可靠不能推导出具体物质的特性不能解释涨落现象微观、唯理能推导出具体物质的特性计算麻烦，结论近似互为补充、取长补短绪论宏观现象与宏观量：宏观现象即一个系统所表现出来的各种物理性质以及这些性质的变化规律。描述一个系统宏观性质的物理量称为宏观量。例如：压强、体积、温度等。微观运动与微观量：微观运动即系统内部微观粒子的热运动。描述微观粒子热运动的物理量成为微观量。例如：粒子质量、速度、动能等。宏观与微观之间的关系：微观粒子的热运动与系统的各种宏观热现象之间存在内在的联系。宏观量等于微观量的统计平均值。宏观与微观：热力学理论的发展1、经典热力学；2、非平衡态热力学；3、现代热力学；热力学理论的发展1、经典热力学：1824年：卡诺定理：卡诺（carnot）1840's：热力学第一定律：能量守恒定律迈尔（Mayer）、焦耳（Joule）1850‘s：热力学第二定律、熵增加原理克劳修斯（Clausius）、开尔文（Kelvin）1906年：热力学第三定律：能斯特定理，能斯特（Nernst）热力学理论的发展1、经典热力学：热力学理论的发展经典热力学的特点：不涉及时间和空间；以平衡态、准静态过程、可逆过程为模型；静热力学。热力学理论的发展2、非平衡态热力学（1930's）：（1）线性非平衡态热力学：翁萨格（Onsager，1903-1976）（2）非线性非平衡态热力学：普里果金（Prigogine，1917-2003）热力学理论的发展2、现代热力学：（1）工程热力学：（2）有限时间热力学：。。。。。。。统计物理理论的发展起源：气体分子动理论（KineticTheoryofGases）第一个气体分子动理论模型的提出：1738年由瑞士物理学家伯努利（DanielBernoulli）提出。统计物理系统理论的建立：奥地利物理学家玻尔兹曼（LudwigBottzmann，1844-1906）、英国物理学家麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，1831-1879）、美国科学家吉布斯（J.WillardGibbs，1839-1903）等人做了统计物理奠基性的工作，发展了统计系综理论，从而真正开创了统计物理的系统理论。量子统计理论：普朗克（Planck，1858-1947）、爱因斯坦（Einstein，1879-1955）、玻色、费米、迪拉克等将量子力学理论和统计理论相结合，建立并完善了量子统计理论。统计物理理论的发展统计物理理论的发展路德维希.玻尔兹曼（LudwigBoltzmann，1844-1906），奥地利最伟大的物理学家之一，在气体的分子运动理论、统计力学和热力学方面做出了卓越的贡献。作为哲学家，他反对实证论和唯象论，并在原子论遭到严重攻击的时刻坚决捍卫它。教材内容框架与教学日历第一章热力学的基本规律（TheFundamentalLawsofThermodynamics）第一章热力学的基本规律§1.1热力学系统的平衡状态及其描述§1.2热平衡定律和温度§1.3物态方程§1.4功§1.5热力学第一定律§1.6热容和焓§1.7理想气体的内能§1.8理想气体的绝热过程§1.9理想气体的卡诺循环§1.10热力学第二定律§1.11卡诺定理§1.12热力学温标§1.13克劳修斯等式和不等式§1.14熵和热力学基本方程§1.15理想气体的熵§1.16热力学第二定律的数学描述§1.17熵增加原理的简单应用§1.18自由能和吉布斯函数§1.1热力学系统的平衡状态及其描述EquilibriumStateofaThermodynamicSystemanditsDescription§1.1热力学系统的平衡状态及其描述EquilibriumStateofaThermodynamicSystemanditsDescription和其他学科一样，首先应当选取研究对象，对于力学，研究对象有质点，刚体等，对于热学而言，如何选择研究对象并对之进行定量描述呢？宏观系统由大量微观粒子组成，微观粒子永不停歇进行热运动，其宏观量如果在系统不受外界影响时保持不变呢？其宏观量在系统受到外界影响时是否能保持不变呢？一、系统与外界二、热力学平衡态一、系统与外界二、热力学平衡态一、系统与外界1.系统：为了便于研究某种现象的规律，需要从物质世界中选定某一有限的宏观客体作为研究对象，该研究对象被称为系统。2.热力学系统：如果研究系统的热力学性质，则系统被称为热力学系统。3.外界：与系统发生相互作用的其他物体称为外界。特征：热力学系统必须包含大量的物质微观粒子（如分子、原子和电子等），其大量的数量级为1023（例如1摩尔的物质含有6.023×1023个分子）一、系统与外界热力学系统与外界相互作用的形式：热力学与外界相互作用的三种形式物质交换系统与外界之间发生物质交换热相互作用系统与外界以传热的方式交换能量功的形式系统与外界以做功的形式交换能量一、系统与外界热力学系统分类I（按照与外界关系分类）：系统孤立系统开放系统封闭系统物质交换无有无能量交换无有有一、系统与外界热力学系统分类II（按照物理化学性质分类）：系统特征单相系统系统中各个部分的性质完全一样复相系统系统可以分成若干个均匀的部分非均匀系统系统中各个部分的性质不均匀一、系统与外界热力学系统分类III（按照组成成分分类）：系统特征单元系统系统中只包含一种化学组分多元系统系统包含多种化学组分一、系统与外界二、热力学平衡态二、热力学平衡态当系统与外界存在相互作用时，一般来说，系统的状态随时间变化，此时研究比较困难。现在考虑一种理想情况：当外界对系统的作用可以忽略而可近似看作孤立系统或系统与外界没有相互作用的孤立系统。该系统会存在如下特征：经验指出，一个孤立系统，不论其初态如何复杂，经过足够长的时间后，将会到达这样的状态，系统的各种宏观性质在长时间内不发生任何变化，这样的状态称为热力学平衡态，简称平衡态。不符合上述条件的状态称为非平衡态。二、热力学平衡态解读：1.弛豫时间：由初始状态达到平衡状态所经历的时间称为弛豫时间。2.热动平衡；3.存在涨落；4.由于作为平衡态的先决条件孤立系统实际上是不存在的，平衡态是一个理想化概念，是在一定条件下对实际情况的简化和抽象；5.对于闭系和开系，只要外界作用恒定，系统经过一定时间后也可以达到宏观性质不随时间变化的状态，但这种状态是稳恒态而非平衡态（例如插在火中的铁棒）。二、热力学平衡态解读：力学平衡：系统各部分受力平衡；热平衡：系统内无定向热流；相平衡：系统内各相物质的量保持恒定；化学平衡：系统内各化学组分的量保持恒定。二、热力学平衡态如何判断和描述热力学平衡态？1.状态参量：几何参量：长度、面积、体积、应变张量等。力学参量：压强、应力张量等。化学参量：各组分的量：摩尔数、质量、浓度等。电磁参量：电场强度、电极化强度、磁场强度、磁化强度等。2.状态参量与状态函数：在研究热力学问题时，常选用一组可以独立改变的足以确定平衡态的参量，称为状态参量；其他宏观变量可以表达为这些参量的函数，称为状态函数。二、热力学平衡态广延量与强度量：广延量：与系统的量成正比：体积，内能，熵等强度量：与系统的量无关：压强、温度等不考虑电磁性质和化学性质的简单系统，其状态可以用压强和体积两个状态参量来完全描述。§1.2热平衡定律和温度ThermalEquilibriumLawandTemperature系统内部的热平衡－－－系统之间的热平衡不同系统之间达到热平衡后应具有某种相同的状态函数。如何度量温度？§1.2热平衡定律和温度一、热平衡定律（热力学第零定律）二、温度三、温标一、热平衡定律（热力学第零定律）实验事实的归纳P1,V1P1,V1P2,V2P2,V2一、热平衡定律（热力学第零定律）实验事实的归纳如果物体A和物体B各自与处在同一状态的物体C达到热平衡，若令A与B进行热接触，它们也将处在热平衡，称为热平衡定律或热力学第零定律。一、热平衡定律（热力学第零定律）如果物体A和物体B各自与处在同一状态的物体C达到热平衡，若令A与B进行热接触，它们也将处在热平衡，称为热平衡定律或热力学第零定律。热平衡定律的物理意义：一切互为热平衡的系统都具有一个共同的宏观性质，即存在一个共同的状态函数。一、热平衡定律（热力学第零定律）证明：处在热平衡的系统有一个共同的状态函数。不考虑电磁性质和化学性质的简单系统，其平衡状态可以用压强和体积两个状态参量来完全描述。PA，VAPB，VBPC，VC一、热平衡定律（热力学第零定律）证明：处在热平衡的系统有一个共同的状态函数。A和C热接触达到平衡：fAC(PA，VA，PC，VC)=0PC=FAC(PA，VA，VC)B和C热接触达到平衡：fBC(PB，VB，PC，VC)=0PC=FBC(PB，VB，VC)一、热平衡定律（热力学第零定律）证明：处在热平衡的系统有一个共同的状态函数。A和C热接触达到平衡：fAC(PA，VA，PC，VC)=0PC=FAC(PA，VA，VC)B和C热接触达到平衡：fBC(PB，VB，PC，VC)=0PC=FBC(PB，VB，VC)PC=FAC(PA，VA，VC)=FBC(PB，VB，VC)A和B都与C达到平衡，则A和B也应当达到热平衡：fAB=(PA，VA，PB，VB)=0，此式与C的参量无关。FAC(PA，VA，VC)=FBC(PB，VB，VC)→gA(PA，VA)=gB(PB，VB)二、温度描述两个或多个相互间处于热平衡的热力学系统所具有的共同态函数，对于彼此达成热平衡的系统来说，该函数的数值相等。g(P，V)=T热力学第零定律的两个重要意义：定义温度的理论基础；为设计温度计和科学计量温度提供了理论依据。二、温度描述两个或多个相互间处于热平衡的热力学系统所具有的共同态函数，对于彼此达成热平衡的系统来说，该函数的数值相等。g(P，V)=T两系统达成热平衡时具有相同的冷热程度，该函数定义为系统的温度。定性地说，当两个系统热接触时，各系统的状态参量将发生变化，直至达到两系统彼此处于热平衡而具有某一共同物理性质为止。二、温度这一表征达成平衡的诸热力学系统的共同性质的物理量叫做温度