热学1

热学主要参考书：包科达编著《热学教程》科学出版社，２００７年赵凯华罗蔚因新概念物理教程《热学》（高等教育出版社，1998）Fermi,“Thermodynamics”参考书：考核方法：平时作业：20%，期中考试：30%，期末考试：50%。答疑时间：周四下午2:30–6:30,地点：物理楼中楼324欧阳颀课件下载网站：本人联系方式：6275-6943，[e-mail]助教信息：姜香丹，15201510600，[e-mail]杨政权，18010151141，[e-mail]时间分配:ChapI:平衡态与状态方程6课时ChapII:平衡态系统的统计规律10课时ChapIII:近平衡态中的输运过程4课时ChapIV:热力学第一定律6课时ChapV:热力学第二定律8课时ChapVI:液体4课时ChapVII:单元系统的复相平衡与相变4课时总学时：44课时。期中考试：2课时。期中考试目的科学知识：热学的基本概念。什么是热运动，热运动的微观本质。热运动的规律，唯象定律，第一原理推导。核心：物质的状态方程，热力学第一、第二定律。科学方法：系统(system)的概念。系统，环境或介质。把物体的某一部分或者空间某一确定的区域从事物中分割出来加以研究，这个对象叫“系统”。孤立系统，绝热系统，开放系统。。。理想化(idealize)的方法。抽象是科学家定量研究自然的基础。从自然的复杂关系中人为地割断一些联系，做出一些“不符合实际”的假设,从而抽象出一些理想化的系统，使问题简化。演绎(deduction)的方法。所有的科学都是在几个有限的基本假设上，通过演绎构建的。数学与科学的不同：实验检验。统计(statistics)的方法。统计方法是处理多粒子系统的最有效的定量方法。在一定的基本假设的基础上可以将复杂系统简单化，从而找出带有普遍意义的定量物理规律。热学的基本假设宏观：基本假设：状态方程，热力学第零、第一、第二、第三定律。特点：唯象(phenomenology)，可靠、普适(universal)。微观：基本假设：原子分子说(现在已经是事实），微观状态各态历经，独立子系统微观状态等几率分布。特点：基本。第一原理(firstprinciple)，理想化，近似(approximation)。宏观与微观的关系：宏观量是微观量的统计平均。例：气体的压强。宏观：单位面积上的正压力（确定）；微观：单位时间内作用在单位面积上的冲量（有涨落）。学习重点（一）热运动的本质•宏观描述：在物理中引入温度、热量等物理量，状态方程等物理关系。•微观描述：物质运动的统计规律性。怎样处理多体系统。牛顿三体问题。老子：道生一，一生二，二生三，三生无穷。•建立微观无序运动与宏观确定性运动之间的关系。基本工具：物理：力学，牛顿定律；数学：微积分（偏微分），一些微分方程的基础知识。（二）热力学第二定律•宏观：熵：热温比；物理意义：能量转移的不对称性；•微观：熵：系统无序的度量；物理意义：时间反演对称破缺。第一章：平衡态与状态方程第一节状态参量与平衡态(StatevariableandEquilibriumstate)一、热力学系统作为研究对象的在给定范围内由大量微观粒子组成的体系。与之相对，能够对所研究的系统发生相互作用的其他体系称为外界（或环境）。根据系统与外界的关系，可分为开放系，封闭系，绝热系，孤立系；根据系统的组成成分，可分为单元系，多元系；根据系统组成的均匀性，可分为单相系（均匀系）复相系（非均匀系）。分类：（包科达书：绪言、第一、二章，1-51页；赵凯华书：1-32页）二、状态参量定义：确定热力学系统状态的物理量称为系统的状态参量。几何状态参量：广延量(extensive)：长度(m)，面积(m2,A)，体积(m3,V)；强度量(intensive)：单位物质所占的体积(Vm)。力学状态参量：广延量：重量(Kg),牛顿(N,Kgm/s2)；强度量：密度(r=Kg/m3)，压强(p=N/m2)。化学状态参量：广延量：分子数(N)，mole:12g12C所含有的原子6.022x1023个；强度量：单位体积所占有的分子个数(mole/m3),物理化学常用：M=mole/dm3。新概念热力学状态参量。分子无序运动的剧烈程度的量度。广延量：热量：系统分子总动能的一个量度；强度量：温度：单个分子动能的一个量度。三、平衡态在没有外界影响的条件下，系统的各个部分的宏观性质在长时间里不发生任何变化的状态。非平衡态：在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质可以自发地发生变化的状态。稳定态：外界扰动下，宏观性质长期不变的状态。热平衡：两物体通过热接触，经很长时间后达到的宏观性质不再变化的状态称为热平衡态。热力学平衡条件1、宏观与微观的差别。例：恒温溶液。宏观：系统温度一致；微观：分子不断运动，每个分子的运动速度不同，能量经过碰撞达到动态平衡。标志：动能分布不变。2、对于热平衡状态，只有在系统处于平衡态的条件下，状态参量才有确定的数值和意义。力学平衡：无宏观运动；化学平衡：浓度、物相不变；热学平衡：无能量流动。3、驰豫时间：热力学系统由初始状态达到平衡态所经历的时间。如果驰豫时间远小于外界变化的时间尺度，可以做平衡态近似。例：活塞运动：10m/s，气体运动速率：~500m/s。注意：第二节温度(Temperature)一、温度的概念直观定义:标记物体冷热程度的物理量称为温度。两个处于热平衡的物体冷热程度是相同的，它们的温度也是相同的。特点：(1)温度是热物理学中特有的物理量；(2)温度是状态参量，(3)温度的高低表示热的程度（强度量），不是热的数量。本质：温度是组成物体的大量分子无规则运动剧烈程度的表现。这个直观定义并没有揭示温度的本质。热学中最核心的概念是“温度”与“热量”。在科学史上长期以来这些基本概念是混淆不清的（见赵凯华书第一章第二节关于量热学的历史）。“但是一经辨别清楚，就使得科学得到飞速的发展。”（爱因斯坦）。二、热平衡的判定—热力学第零定律热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。此定律由Fowler于1930年代概括。它的出现比热力学第一、第二定律晚，出于公理化的要求，它是两个定律的前提，所以被命名为第０定律。温度高低标准的制定—温标三要素(1)测温物质：根据热力学第零定律，可以选定作为标准的第三个物体作为测温物质。如：气体、固体。(2)测温属性：选定测温物质的某物理量作为标记温度的属性。如：气体的体积、压强，固体的电阻、发光强度。要求：与温度有单值的显著的函数关系的物理量，并包括测温曲线。为了方便，测温曲线一般采用直线：(3)固定标准点：规定标准点的状态及其温度值。SI:水的三相点为标准点，定位273.16K。为什么？热力学第三定律。三、温标：温度的数值表示法（定量化）axx)(定体气体温度计定体温标：00()1/lim(/)VpptrpPP0(1)pppt查理定律(J.A.C.Charles,1787)其中t为摄氏温度。1/273.16p定义温标：0/1/csptC盖·吕萨克定律(Gay-Lussac,1802)0(1)VVVt00()1/limpVptrVTVV其中t为摄氏温度。1/273.16V定义温标：0//1/csVKtC定压温标：问题一般测温物质可能得出不同的温度。(包科达,p９，表1.２.1)理想气体温标理想气体：分子有质量无体积的体系为理想体系。理想气体的性质与物质无关。实验发现当时，气体温度计的行为与物质无关。因而无限稀薄的气体是理想气体。0trp定体温标00()273.16lim(/)VptrTpKPP0(1)pppt查理定律(J.A.C.Charles,1787)其中t为摄氏温度。01/273.16pp定义绝对温标：0//273.15csTKtC根据摄氏温标定义,查理定律得截距应为273.15/273.16盖·吕萨克定律(Gay-Lussac,1802)0(1)VVVt00()273.16limpptrVTVKV其中t为摄氏温度。01/273.16Vp定义绝对温标：0//273.15csTKtC定压温标：根据摄氏温标定义,盖.吕萨克定律的截距应为273.15/273.16热力学温标建立在热力学第二定律基础上的，不依赖于任何物质的具体测温属性的温标。常用的温标：摄氏(Clesius,1742):一个大气压下，水在固-液相变点（冰点）的温度为0摄氏度；水在气-液相变点（气点）的温度为100摄氏度。15.273//0KTCtcsCtFtcsF00/)5/9(32/华氏(Fehrenheit,1700):一个大气压下，水在固-液相变点（冰点）的温度为32华氏度；水在气-液相变点（气点）的温度为212华氏度。第三节状态方程(Stateequation));(VpTT一个热力学系统达到热力学平衡时，其状态参量之间满足的一定函数关系，称为该热力学系统的状态方程（简称物态方程）。一、经验体系查理定律(J.A.C.Charles,1787)若保持气体体积不变，则气体温度与压强之间有确定的函数关系。盖。吕萨克定律(L.J.Gay-Lussac,1802)若保持气体压力不变，则气体温度与体积之间有确定的函数关系。);(pVTT波伊尔定律(Boyle)若保持气体温度不变，则气体压强与体积之间有确定的函数关系。);(TVpp小结：对于一个没有外力场作用的单元均匀系统，气体的状态方程可以写成：0),,(VpTf只有两个独立参量经验证明，此论断同样适用于单元液体与固体。用p-V-T相图表示：p-V相图临界点气相饱和线液相饱和线p-T相图三相点杠杆原理：在两相共存区中一点Vm(p;T)，两相物质的质量比满足杠杆定律：2121mmVVxxVVxi：i相的质量分数；Vi：i相的摩尔体积。证明：由总体积和质量恒定条件：1,212211xxVxVxVm21121212,mmVVVVxxVVVV2121mmVVxxVVx1x2V1VmV2二、理想气体状态方程在高温、低密度下1mole的任何气体可以看成是理想气体。理想气体状态方程的推导(假设波伊尔定律永远成立）：在水的三相点有：),(,trtrmtrcVP定体积温度计)(,cpVtrm根据定体积温度计的公式（查理定律）：)()(16.27316.27316.2730,,0trptrmtrtrmptrccVppVppTtrtrRTTVpTcctrmtrtr16.27316.273)()(,,0273.16trtrmtrpPVR波伊尔定律(Boyle)：对于气体：0lim()ppVconst常数只与温度有关根据波伊尔定律，常数与体积无关：RTpVmJ/(mol.K)3143.8R理想气体设系统中物质的总摩尔数为n，则总体积mVVnRTMmRTpVn对于n种组分的理想气体，假设各个组分体积相同，则有iipVRTnRTRTRTVpiiinnnipp道尔顿(Dolton)分压定律假定各个组分压强相同，则有：iVV理想气体：分子有质量无体积，分子间无作用力的体系为理想体系。理想气体的性质与物质无关。理论解释（范德瓦尔斯）１mol气体中含有阿夫加德罗常数个气体分子，这些分子的可能的配对方式有种。因而个分子在运动中可达到的空间体积总共减少了。一个分子可达到的空间体积减少了：三、范德瓦尔斯方程p(vandeWaals,1873年博士论文)范德瓦尔斯方程是理想气体向真实气体的推广。对理想气体作了两点修正。微观图像与宏观测量之间的桥梁。1、理想气体没有体积,真实气体要占据一定