第五章 热力学基础

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1、第五章热力学基础引言宏观描述方法与微观描述方法一、热学的研究对象及其特点热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学及光学一起共同被称为经典物理四大柱石。宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（例如分子、原子等）都处于永不停息的无规热运动中。布朗粒子的无规则运动。正是大量微观粒子的无规热运动，才决定了宏观物质的热学性质。热物理学渗透到自然科学各部门，所有与热相联系的现象都可用热学来研究。二、宏观描述方法与微观描述方法1、宏观描述方法：热力学方法热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发

2、，应用数学方法，通过逻推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。对于任何宏观的物质系统。不管它是天文的、化学的、生物的……系统，也不管它涉及的是力学现象、电学现象……只要与热运动有关，总应遵循热力学规律。热力学的局限性：（1）它只适用于粒子数很多的宏观系统；（2）它主要研究物质在平衡态下的性质.它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程；（3）它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。它只能说明应该有怎样的关系，而不能解释

3、为什么有这种基本关系。要解释原因，须从物质微观模型出发，利用分子动理论或统计物理方法予以解决。2、微观描述过程：统计物理学统计物理学是热物理学的微观描述方法，它从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定，由此找出微观量与宏观量之间的关系。微观描述方法的局限性：在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得的理论结果与实验不能完全符合。5－1平衡态、理想气体物态方程一、气体的物态参量在热学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子组成的一个或多个物体或是一个物体的某一部分称为热力学系统。系统的周围环

4、境称为外界。用来描述系统宏观状态的物理量称为物态参量。常用的物态参量有以下几类：（1）几何参量（如：气体体积V）（2）力学参量（如：气体压强P）（3）热学参量（如：温度T，熵S等）（4）化学参量（如：混合气体各化学组的质量和物质的量等）（5）电磁参量（如：电场和磁场强度，电极化和磁化强度等）气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。通常容器的体积就是气体的体积。压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁上单位面积所受到的正压力。常用的压强单位有：（1）SI制的帕斯卡Pa：1Pa=1N·m-2。（2）厘米水银柱cm·Hg（3）标准大气压atm：1atm＝

5、76ch·Hg＝1.013×105Pa。温度的概念较复杂，它的本质与物质分子的热运动有密切的关系。温度的高低反映分子热运动的激烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的冷热程度。温度的数值表示方法叫作温标，常用的温标有：（1）热力学温标T，SI制，单位：K(开尔文)（2）摄氏温标t，单位：ºC(度)，规定：纯水的冰点和沸点温度分别为0ºC和100ºC。（3）华氏温标F，单位ºF，规定：纯水的冰点和沸点温度分别为32ºF和212ºF。三者间的关系为：二、平衡态与准静态过程1．平衡态一个与外界之间没有任何能量和物质传递的孤立系统，不论它刚开始时处于何种状态，经过一段时间以后

6、，系统内各部分的压强、温度、密度等必将相同。此时气体的三个物态参量P、V、T都具有确定的值，且不再随时间变化。即一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变化，我们就说这个系统处于热力学平衡态。平衡态是一个理想状态。系统处于平衡态时，物理性质处处均匀，且系统的宏观性质不再变化，但分子无规则运动并没有停止。所以平衡态是一种动态平衡。真空右图中隔板刚抽走的瞬间系统处于非平衡态，但是经过并不很长的时间，容器中的气体压强、温度、密度等物理性质趋于均匀，且不随时间变化，它已处于平衡态。平衡态是最简单、最基本的。但在自然界中，平衡态是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不

7、平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。非平衡现象千姿百态、丰富多彩，但也复杂得多，不易精确地予以描述或解析。在远离平衡态的非平衡系统中，常常会出现一些意想不到的有趣现象。对非平衡系统的研究是目前最热门的课题之一。2．准静态过程若外界对系统有一定的影响，系统的状态会从某一初始的平衡态，经过一系列中间状态，变化到另一平衡态，我们把这种状态变化的过程叫作热力学过程。若此热力学过程进行的足够缓慢，使得每一个中间状态都可近似看成是平衡态，则称该过程为一个准静态过程。可以用P－V图上的一条曲线来表示。PVO3．热力学第零定律在不受外界影