高等化工热力学-第二章(统计热力学)ppt课件.ppt

《高等化工热力学-第二章(统计热力学)ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、Chapter2ElementsofStatisticalThermodynamics统计热力学基础热力学研究的对象是含有大量粒子的平衡系统。热力学第一、第二和第三定律研究平衡系统各宏观性质之间的关系，进而计算过程的能量转换以及判断过程的方向和限度。热力学这一研究方法注重系统的宏观性质，不涉及系统的微观性质，因而无法计算热力学性质U、H、S、A和G的绝对值，只能计算当系统状态发生变化时，热力学性质的变化量。任何系统的宏观性质都决定于系统的微观状态，是大量粒子运动的统计平均结果。如果能在系统的微观状态和宏观性质之间建立一种数学意义上的联系，就能从微观

2、状态计算宏观性质。统计热力学就担负了这样的任务。能否计算系统在给定状态下热力学性质的绝对值？统计热力学的研究对象和经典热力学一样，都是由大量微观粒子组成的宏观体系，但研究的方法不同。统计热力学是用统计力学的方法处理热力学的平衡态问题。而统计力学是应用量子力学的结果从构成体系的粒子（原子、分子、电子等）的微观性质来阐明和计算体系的宏观性质。由于体系所含的粒子数相当多，如6.02×1023，因而统计力学的计算必定具有统计性质，所得结果都只代表统计平均，即统计力学的方法就是求大量粒子平均性质的方法。从上述介绍可以看出，统计热力学是经典热力学、量子力学和统

3、计力学三门学科的交叉和综合。学习统计热力学除了具备三门学科的基础知识，还要具备深厚的数学基础，具有很强的挑战性。PartA量子力学基础ElementsofQuantumMechanicsA-1量子力学的建立经典力学发展到19世纪末，已形成一个相当完善的体系，它包括机械力学方面的Newton三大定律，热力学方面的Gibbs理论，电磁学方面的Maxwell理论以及统计方面的Boltzmann力学。但19世纪末二十世纪初的出现的极少数实验现象，无法用经典力学加以解释。为了克服困难，人们必须发展新的理论。在这一过程中，黑体辐射、光电效应和原子光谱三个实验实

4、现的发现及其相应理论的提出，对量子力学的建立起到了至关重要的作用。(1)、黑体辐射一个几乎吸收全部外来电磁波的物体称为黑体。当黑体被加热时所吸收的电磁波被辐射出来，称为黑体辐射。黑体辐射的实验结果表明，辐射能量按频率分布的曲线只与黑体的绝对温度有关，而与黑体表面的形状及组成的物质无关。许多人企图用经典物理学来说明这种能量分布的规律，推导与实验结果符合的能量分布公式，但都未成功。1、重要实验到了十九世纪末，人们已认识到热辐射与光辐射都是电磁波。于是，开始研究辐射能量在不同频率范围中的分布问题，特别是对黑体辐射进行了较深入的理论和实验研究。1900年1

5、2月14日，Planck在德国物理学的一次会议上，提出了黑体辐射定律的推导。在推导辐射能量作为波长和温度函数的理论表达式时，Planck作了一个背离经典力学的特别基本假定：一个自然频率为v的振子只能够取得或释放成包的能量，每包的大小为E=hv，h是自然界新的基本常数。即物体吸收或发射电磁辐射，只能以“量子”(Quantum)的方式进行，每个“量子”的能量为hv。这个假定的本质就是能量是不连续的。这是量子力学发展史上的伟大发现。依据粒子能量量子化的假定，Planck推导出黑体辐射定律：式中，k是Boltzmann常数，c是光速，h=6.626×10-

6、34J·s，称为Planck常数。尽管从量子假设可以导出与观测极为符合的Planck公式，但此工作相当长一段时间里未引起人们的重视。(2)、光电效应光照射在金属表面，某些时候有电子从金属表面逸出。但逸出电子的动能与光的强度无关，却以非常简单的方式依赖于频率。增大光的强度，只增加单位时间内逸出的电子数，不会增加电子的能量。这一现象无法用经典力学解释。首先注意到Planck量子假设有可能解决经典物理学所碰到的其它困难的是年轻的A.Einstein。1905年，他试图用量子假设去说明光电效应中碰到的疑难，提出了光量子(lightquantum)概念。即光

7、的行为是一束粒子流，每个光子具有能量hv(v为频率)。这就是光子学说，即光具有波粒二象性。Planck黑体辐射与Einstein光电效应联系起来，称为Planck–Einstein关系式：采用光量子概念后，光电效应中出现的困难立即迎刃而解。光量子概念及理论在后来的康普顿(1923年)散射实验中得到了直接的证实。Einstein因此而获得1922年度的诺贝尔物理学奖。另外，Einstein与Debye还进一步将能量不连续的概念应用与固体中原子的振动，成功地解决了当温度T→0K时，固体比热趋于0的现象。到此，Planck提出的能量不连续的概念才普遍引起

8、物理学家的注意。于是一些人开始用它来思考经典物理学碰到的其它重大疑难问题。其中最突出的就是关于原子结构与原子光谱的问题(有