热力学回顾和统计力学简引

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1、热力学回顾和统计热力学简引蔡钧物理化学教研组仔细想想，为什么这1023个水分子，单个水分子结构不变、相互作用不变，会“集体地”、“不约而同地”从一个相“变”到另一个相呢？“新相”在“老相”中又如何“孕育”、“形成”？问题的提出：水的三态变化物理学：基本构成，研究的对象、方法。热力学和统计热力学：基本假定，适用条件。热力学和统计力学是属于物理学的一个学科，与其他物理学科不一样，热力学和统计力学研究的对象是由大量分子组成的宏观系统。物理学相互作用(保守力)：引力，电磁力，弱力，强力。（化学变化的根源在于电磁作用）物理学：研究一切自然现象的最基本的规律。第一性原理

2、：相互作用+运动方程预言未来古希腊研究方式：将研究对象分解为基本组成单元（基本粒子），研究清楚每个组成单元的运动规律以及它们相互间的影响，就可以了解整体的运动规律。人的意识是分子集群运动方式的一种体现吗？还原论(Reductionism)：一切归结为最基本的组成部分和决定它们行为的最基本规律，最终目的——建立包罗万象的“大统一理论”。比如：经典力学、量子力学（量子化学）呈展论（Emergence)：客观世界是分层次的，每个层次都有自己的基本规律，重要的是承认客观现实，以它为依据，找出它的基本规律，理解这些现象是如何“呈展”的。比如：热力学、非线性科学、生物

3、学、社会学对宇宙的两种不同看法谁对呢？天知道！1.经典力学:以Newton三大定律来描述物质运动规律的物理理论。已知外力，预测质点系的运动。如果已知每个粒子的初始位置和速度，通过求解上述微分方程，未来的运动状态就可计算出来。经典力学给出了物质在时空中运动的一般规律。人的活动是否也可以这样预言？还原论2.经典电动力学:以Maxwell方程组来描述一切电磁现象。3.量子力学:以Schrödinger方程或其修正形式描述物质运动规律的物理理论。正确描述了经典力学和经典电动力学中缺失的量子效应。电磁力、强力、弱力都可以在量子力学的框架中得到解释。4.相对论:相对论对牛

4、顿-伽利略的绝对时空观作出了修正，因此，所有的物理理论都必须满足相对性原理。相对论也可看作属于经典力学。还原论还原论还原论5.热力学与统计力学:以热力学三大定律和统计力学原理来描述含有多个粒子（1023个）系统的宏观性质。由于系统中的每个粒子的运动仍然服从其它力学规律，因此，原则上热力学性质可以由力学规律推算出来。热力学定律描述的是当粒子数趋向无穷时（即热力学极限），系统所体现出来的特殊性质。真的吗？呈展论热力学：一些基本概念★对象:宏观系统。★广延量和强度量：广延量是可加量的一种，与系统大小成正比。可加量：例如，系统能量是各部分能量之和。★外参量：由外部环

5、境所确定的量。如：体积，物质的量等。★内参量：由系统内分子性质所确定的量。如压强，能量。★平衡态：系统中不存在由于外部原因产生的稳恒流，且所有参量不随时间变化的状态。热力学：基本假定内能是可加量是热力学成立的先决条件第一基本假定：孤立系统自发趋向平衡态第二基本假定：平衡态由内能和系统外部参量唯一确定（热力学第零定律的另一表述）能量守恒（热力学第一定律，定义“热”）存在熵且绝热系统熵不减（热力学第二定律）绝对零度不可达（热力学第三定律）“内能是可加量”对热力学适用系统的要求：内能的组成：所有分子的动能+所有分子之间的相互作用位能。分子间的相互作用：由于电磁作用，

6、分子与分子之间存在作用力，电磁作用是保守的，可以用位能表示相互作用（正如重力场中的物体，具有重力位能）。两个球形非极性分子之间位能的一个近似表达式：s为分子直径，e为能量参数，r为分子质心间距离两个球形物体之间引力位能：G为引力常数，m为质量，r为分子质心间距离显然分子之间相互作用位能随着距离增加，迅速衰减，比引力能衰减快得多。但是，由于引力常数很小，宏观物体的质量不大，引力可以忽略。“内能是可加量”对热力学适用系统的要求：将一杯水一分为二，广延量要求总内能为左右两半水的内能之和，但是，实际总内能为：左半杯水的动能及分子间位能（左半杯水内能）+右半杯水的动能及

7、分子间位能（右半杯水内能）+左半杯水分子与右半杯水分子的位能内能是广延量要求：跨越左右半杯的红线部分的分子间位能必须可以被忽略。这部分能量怎么办？“内能是可加量”对热力学适用系统的要求：由于分子间位能随分子距离增加衰减很快，因此，只有当两个分子相距几个分子直径之内，才要计入它们的相互作用，再远就可以忽略。将一杯水一分为二，内能是广延量意味着：两杯水分界面处的几个分子直径厚度的薄层内的分子间相互作用被忽略了，而相对于宏观系统的大小，表面所占的比重极小。“内能是可加量”对热力学适用系统的要求：为什么热寂论不正确？引力的特点：1引力作用随两物体间距离增大衰减较慢。2

8、对于宏观系统而言，引力太小，可忽略。3