1、热力学统计物理.2第1页研究对象和目宏观物质系统：q由大数微观粒子组成；q无规则运动热运动，决定热现象（物性和物态）。研究方法1.宏观唯象理论热力学2.微观本质理论统计物理导言第2页热力学q以可测宏观物理量描述系统状态；气体：压强、体积和温度q试验现象热力学基本定律宏观物性，结论可靠普适；q结合试验才能得到详细物性；q物质看成连续体系，不能解释宏观物理量涨落。第3页统计物理q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集体表现；微观粒子力学量宏观物理量q热力学基本定律归结为一条基本统计原理，说明其统计意义，可解释涨落；q借助微观模型，近似导出详细物性。第4页第一章 热力学
2、基本规律1.热力学基本概念2.热力学第一定律3.热力学第二定律4.熵和熵增加原理5.热力学基本方程第5页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宏观物质系统外界 与系统发生相互作用其它物质1.系统与外界第6页2.平衡态及其描述平衡态 孤立系经过足够长时间（弛豫时间）后必定自发抵达状态，宏观性质不随时间改变。q热动平衡一切宏观流动停顿，热运动未停顿，只是平均效果不变。q涨落宏观物理量围绕平均值微小起伏，在热力学中忽略。q非孤立系平衡态：系统+外界=孤立系统q系统稳恒态不一定是平衡态。第7页状态参量 平衡态系统含有确定宏观物理量，这些量不全部
3、独立。可任意选取一组独立宏观量确定平衡态。态函数表示为状态参量函数其它宏观量。气体：压强和体积可独立改变，为状态参量。平衡态对应 图上一点。3.温度与物态方程温度物体冷热程度，微观上反应热运动猛烈程度。q温度决定于系统内部热运动状态，是态函数。q温度概念建立基于热力学第零（热平衡）定律。第8页理想气体物态方程 给出温度与状态参量间函数关系方程，由试验测定。气体可任选其中之二为状态参量，第三个作为态函数。4.准静态过程过程热力学状态改变经历。实际过程必定经历非平衡态。第9页准静态过程无限迟缓进行理想过程，经历每个状态可视为平衡态。气体迟缓膨胀和压缩，表示为 图上过程曲线。功系统与外界交换能量宏观
4、方式，经过机械作用或电磁作用实现。准静态过程体胀功：系统对外界q功是过程量，不是态函数增量。热系统与外界交换能量微观方式，经过粒子间相互作用实现，必须存在温度差。第10页1.2 热力学第一定律1.内能和热力学第一定律内能 物质内部热运动总能量，包含分子无规运动动能，分子间相互作用势能和分子内部运动能量。也可包含分子在外场中势能。q内能决定于系统内部热运动状态，是态函数。通常温度下理想气体热力学第一定律包含热运动形式普遍能量转化转移守恒定律第11页q内能改变由初末态决定，与详细过程无关；功和热都是过程量。q第一类永动机不可制造。2.热容量和焓热容量 系统升高单位温度所吸收热量。q热容量决定于物质
5、属性，并依赖于过程。q广延量：正比于物质量，含有可加性。第12页定容热容量定压热容量焓q焓是态函数第13页3.在理想气体中应用内能q试验表明，理想气体向真空自由绝热膨胀后，温度不变。内能仅是温度函数，与体积无关。第14页焓热容量q温度改变范围不大，可视为常数。q单原子分子理想气体 。第15页准静态绝热过程令或第16页卡诺循环123412等温膨胀23绝热膨胀34等温压缩41绝热压缩热机效率第17页逆卡诺循环1234致冷系数第18页例例例例1 1 令令令令这里下标这里下标这里下标这里下标表示准静态绝热过程。试证表示准静态绝热过程。试证表示准静态绝热过程。试证表示准静态绝热过程。试证其中其中其中其中
6、证实：证实：证实：证实：热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律第19页第20页例例例例2 2 体积为体积为体积为体积为容器内盛有空气，压强为容器内盛有空气，压强为容器内盛有空气，压强为容器内盛有空气，压强为，低于大气压，低于大气压，低于大气压，低于大气压，温度等于大气温度，温度等于大气温度，温度等于大气温度，温度等于大气温度。打开容器上活门，直到。打开容器上活门，直到。打开容器上活门，直到。打开容器上活门，直到内外压强快速平衡后关闭。将空气视为理想气体，求内外压强快速平衡后关闭。将空气视为理想气体，求内外压强快速平衡后关闭。将空气视为理想气体，求内外压强快速平衡后关闭。将空气视为理想气体，求进入容器内大气原来体积与关闭活门时容器内气体温进入容器内大气原来体积与关闭活门时容器内气体温进入容器内大气原来体积与关闭活门时容器内气体温进入容器内大气原来体积与关闭活门时容器内气体温度。设度。设度。设度。设解：取容器内原有空气和进入空气全体为系统。解：取容器内原有空气和进入空气全体为系统。解：取容器内原有空气和进入空气全体为系统。解：取容器内原有空气和进入空气全体为系统。记记记记为所求量。为所求量。为所求量。为所求量。和和和和过程进行很快，可看作绝热。过程进行很快，可看作绝热。过程进行很快，可看作绝热。过程进行很快，可看作绝热。为常量。为常量。为常量。为常量。第21页
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