热学第1章 热学

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1、热学热学是研究与热现象有关的规律的科学。热现象：与温度有关的现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。大量分子的无规则运动称为热运动。研究对象：宏观物体——热力学系统研究内容：宏观物体的冷热性质以及冷热变化规律研究方法：根据热力学系统状态的描述方法，热学研究分为两个分支热力学统计物理学1热力学统计物理学采取宏观描述方法，根据实验确定的基本规律，运用逻辑推理来研究热力学系统的规律------称为热力学。优点：可靠、普遍。缺点：未揭示微观本质。采取微观描述方法，从物质的微观结构出发，运用统计方法来研究热力学系统的规律------称为统计力学优点：揭示了热现象的

2、微观本质。缺点：可靠性、普遍性差。（其初级理论称为气体动理论）2第一章温度§1宏观与微观一．热力学系统二．热力学系统状态的描述三．平衡态四．状态参量§4理想气体状态方程一．理想气体二．理想气体状态方程作业：1.21.51.71.103外界：热力学系统以外的物体称为外界。例如：汽缸内气体为系统，其它为外界。§1宏观与微观一.热力学系统把热学研究的对象——宏观物体称作热力学系统，简称系统。特征：由大量的运动着的原子和分子组成以计4按热力学系统与外界关系分类孤立系统：封闭系统：开放系统：系统与外界无质量和能量交换系统与外界无质量交换但有能量交换系统与外界既有质量

3、又有能量交换分类：物态：气体、液体、固体5二．热力学系统状态的描述为了研究系统的性质和变化，第一步就是如何描述系统的状态宏观描述方法对于一个系统的状态从整体上加以描述的方法。所用的表征系统状态和属性的物理量称作宏观量如宏观物体的体积、压强、温度、质量、化学组成等宏观量可以直接用仪器测量热力学采取的就是宏观描述方法用宏观量描述的热力学系统的状态称为宏观态6微观描述方法通过对每一个微观粒子运动状态的说明而对系统的状态加以描述的方法。描述一个微观粒子运动状态的物理量称作微观量如分子的质量m、直径d、速度v、动量p、能量等这些，一般是无法直接测量的。统计物理采取

4、的是微观描述方法用大量分子的微观量的集合来描述热力学系统的状态称为微观态7微观量与宏观量有一定的内在联系：宏观量是微观量的统计平均值例如：气体对容器壁的压力是大量分子撞击器壁的集体效果，所以气体的压强与气体分子因撞击器壁而引起的动量变化率的平均值有关。一般的情况下，由于外界对系统的影响总是存在的，系统的状态随时间变化。主要研究一种理想状态——平衡态8三．平衡态在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间改变的状态，称为平衡态。平衡态的定义说明：“不受外界影响”——处于平衡态的系统不与外界发生质量和能量交换，描述的热力学系统的状态的宏观量不随时间而变化，空

5、间上处处相同。9平衡态只是一种宏观上的寂静状态，在微观上系统并不是静止不变的。在平衡态下，组成系统的大量分子还在不停地运动着，这些微观运动的总效果也随时间不停地急速地变化着，只不过其总的平均效果不随时间变化罢了。因此从微观统计的角度讲，平衡态应理解为动态平衡这里有一充满气体的箱子，箱子假想分成体积相同的两部分，考察两部分的粒子数——宏观量如图10达到平衡时，两侧粒子数相同。事实上不能保证任一时刻两侧粒子穿越虚线的数目完全相同，因此两侧粒子数不可能严格相同，把这一现象称作涨落现象，平衡态时的粒子数只不过是大量分子的时间平均值，任一时刻粒子数与平均值的差值称作

6、涨落。动态平衡11平衡态是一个理想化模型由于实际的热力学系统总要受到外界的影响，所以不随时间变化的平衡态是不存在的，平衡态是一个理想概念，是在一定条件下对实际情况的概括和抽象。在许多实际问题中，往往可以把系统的实际状态近似地当作平衡态来处理。统计物理成熟理论都是建立在平衡态这一假设基础上的，关于非平衡态的问题，目前仍然是物理学研究的前沿课题12四．状态方程处于平衡态的系统可以用不多的几个宏观状态参量来完全描述。如在一定体积内单一成分的气体在平衡态下，如果忽略重力的影响，其压强是处处一样的。可以用体积、压强、温度描述它的状态。平衡态时，这些状态参量并不是独立

7、的，它们之间满足一定的关系，这一关系称作状态方程如气体的状态方程13一组确定状态参量值对应系统一个确定的平衡态。当选定一组的状态参量后，描述系统状态的其它宏观量就可以表示为状态参量的函数，通常称它们为态函数，如气体的内能、熵等14§4理想气体状态方程气体是比较典型而且简单的热力学系统，是普通热学研究的重点。普通热学研究的是气体的平衡态。15回忆在中学，一般气体在密度不太高，压强不太大（与大气压比较）和温度不太低（与室温比较）的实验条件下，遵守三个实验定律玻意尔定律（R．Boyle）盖——吕萨克定律（J．L．Gay——Lussac）查理定律（J．A．V．Ch

8、arles）实际上在任何情况下，服从上述三个实验定律的气体是没有的