热力学与统计物理-热力学的基本规律

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1、热力学·统计物理2010.09研究对象和目的宏观物质系统：由大数微观粒子组成；无规则运动——热运动，决定热现象（物性和物态）。研究方法宏观唯象理论——热力学微观本质理论——统计物理导言热力学以可测宏观物理量描述系统状态；气体：压强、体积和温度实验现象热力学基本定律宏观物性，结论可靠普适；结合实验才能得到具体物性；物质看成连续体系，不能解释宏观物理量涨落。统计物理从微观结构出发，深入热运动本质，认为宏观物性是大量微观粒子运动性质的集体表现；微观粒子力学量宏观物理量热力学基本定律归结为一条基本统计原理，阐明其统计意义，可解释涨落；借助微观模型，近似导出具体物性。第一章热力学的基本规

2、律热力学基本概念热力学第一定律热力学第二定律熵和熵增加原理热力学基本方程系统孤立封闭开放物质交换无无有能量交换无有有§1.1热力学基本概念热力学系统由大数微观粒子组成的宏观物质系统外界与系统发生相互作用的其他物质系统与外界平衡态及其描述平衡态孤立系经过足够长时间（弛豫时间）后必定自发到达的状态，宏观性质不随时间改变。热动平衡——一切宏观流动停止，热运动未停止，只是平均效果不变。涨落——宏观物理量围绕平均值的微小起伏，在热力学中忽略。非孤立系平衡态：系统+外界=孤立系统系统的稳恒态不一定是平衡态。状态参量平衡态系统具有确定的宏观物理量，这些量不全部独立。可任意选取一组独立宏观量确

3、定平衡态。态函数表示为状态参量函数的其他宏观量。气体：压强和体积可独立改变，为状态参量。平衡态对应图上的一点。温度与物态方程温度物体的冷热程度，微观上反映热运动的剧烈程度。温度决定于系统内部热运动状态，是态函数。温度概念的建立基于热力学第零（热平衡）定律。理想气体物态方程给出温度与状态参量间函数关系的方程，由实验测定。气体可任选其中之二为状态参量，第三个作为态函数。准静态过程过程热力学状态变化的经历。实际过程必定经历非平衡态。准静态过程无限缓慢进行的理想过程，经历的每个状态可视为平衡态。气体的缓慢膨胀和压缩，表示为图上的过程曲线。功系统与外界交换能量的宏观方式，通过机械作用或电

4、磁作用实现。准静态过程的体胀功：系统对外界功是过程量，不是态函数增量。热系统与外界交换能量的微观方式，通过粒子间的相互作用实现，必须存在温度差。§1.2热力学第一定律内能和热力学第一定律内能物质内部热运动总能量，包括分子无规运动动能，分子间相互作用势能和分子内部运动能量。也可包括分子在外场中的势能。内能决定于系统内部热运动状态，是态函数。通常温度下的理想气体热力学第一定律包括热运动形式的普遍能量转化转移守恒定律内能变化由初末态决定，与具体过程无关；功和热都是过程量。第一类永动机不可制造。热容量和焓热容量系统升高单位温度所吸收的热量。热容量决定于物质属性，并依赖于过程。广延量：正

5、比于物质量，具有可加性。定容热容量定压热容量焓焓是态函数在理想气体中的应用内能实验表明，理想气体向真空自由绝热膨胀后，温度不变。内能仅是温度的函数，与体积无关。焓热容量温度变化范围不大，可视为常数。单原子分子理想气体。准静态绝热过程令或卡诺循环12341→2等温膨胀2→3绝热膨胀3→4等温压缩4→1绝热压缩热机效率逆卡诺循环1234致冷系数例1令这里下标表示准静态绝热过程。试证其中证明：热力学第一定律例2体积为的容器内盛有空气，压强为，低于大气压，温度等于大气温度。打开容器上的活门，直到内外压强迅速平衡后关闭。将空气视为理想气体，求进入容器内的大气原来的体积与关闭活门时容器内气

6、体的温度。设解：取容器内原有空气和进入空气的全体为系统。记为所求量。和过程进行很快，可看作绝热。为常量。热力学第一定律一切热力学过程都应满足能量守恒。满足能量守恒的过程是否一定都能进行?自然界一切与热现象有关的过程都具有方向性。——时间箭头热力学第二定律反映过程方向性的基本规律功热转换功热自动机械能电磁能内能热传导高温低温自动气体自由膨胀密度不均匀自动密度均匀生命过程出生死亡§1.3热力学第二定律可逆过程与不可逆过程可逆过程每步都可逆行而使系统和外界恢复原状。不可逆过程其后果不能完全消除而使一切恢复原状。不可逆过程在自然界留下不可消除的印记。任何消除其后果的企图，只能引起后果转

7、嫁。不可逆过程相互关联，可相互推断。可逆过程：准静态+无摩擦——理想极限过程的方向性即不可逆性。功热转换不可逆热传导不可逆问题如何将理想气体自由膨胀结果与功热热转换结果相联系？热力学第二定律——指出过程的不可逆性开尔文表述（1851年）——功热转换过程的不可逆性克劳修斯表述（1850年）第二类永动机（）不可制造。——热传导过程的不可逆性零能耗致冷机不可制造。不可能从单一热源吸热使之完全转化为功而不引起其他变化。不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。不可逆过程的关联性表述的等价性