大学物理演示热学1赵概要.pptx

热的本质（热是什么？）热的本质（热是什么？）一、热质学说一、热质学说热是无质量的某种特殊物质。热是无质量的某种特殊物质。热质说成功地解释了温度变化、热传导。改进蒸汽热质说成功地解释了温度变化、热传导。改进蒸汽机、建立傅立叶热传导理论、卡诺定理等等。机、建立傅立叶热传导理论、卡诺定理等等。在某一时期是成功的在某一时期是成功的！法国科学家伽桑狄法国科学家伽桑狄-“热原子热原子”、“冷原子冷原子”。17891789年化学家拉瓦西将年化学家拉瓦西将“热质热质”和和“光光”列为无机界列为无机界2323种元素之中种元素之中绪论绪论二、热质说的否定二、热质说的否定热质说是错误的！热质说是错误的！三、热的本质三、热的本质-热运动说（热动说）热运动说（热动说）热是组成物质的微观粒子运动的表现热是组成物质的微观粒子运动的表现。“热质说热质说”和和“热动说热动说”，经历了近两百年的争论。，经历了近两百年的争论。19世纪热力学第一定律建立，世纪热力学第一定律建立，“热动说热动说”取得决定性取得决定性胜利胜利磨擦生热试验否定热质说磨擦生热试验否定热质说英国伦福得（英国伦福得（Count.RumfordCount.Rumford），用钻头钻炮筒试验），用钻头钻炮筒试验英国的戴维（英国的戴维（Humphrey DavyHumphrey Davy），真空中的两块冰摩擦试验），真空中的两块冰摩擦试验从从1515世纪，对热的本质就存在另一种说法世纪，对热的本质就存在另一种说法-热的运动说热的运动说波义尔、胡克、牛顿都从各方面论述了热动说波义尔、胡克、牛顿都从各方面论述了热动说一、中国古代热学成就一、中国古代热学成就 火的发明和利用是人类认识和掌握热学最早知识萌芽。火的发明和利用是人类认识和掌握热学最早知识萌芽。170170万年前，元谋人开始用火，世界最早。万年前，元谋人开始用火，世界最早。6000 6000年前，年前，仰韶文化（陕西半坡村出土）火应用于生产，仰韶文化（陕西半坡村出土）火应用于生产，烧制陶器。烧制陶器。古代测量热分为冰、寒、凉、温、热几个等级。（温度概古代测量热分为冰、寒、凉、温、热几个等级。（温度概 念还没出现）。念还没出现）。“炉火纯青炉火纯青”-1200-1200，（在铸青铜）。，（在铸青铜）。东汉王允东汉王允论衡论衡 热传导，蒸发、液化、凝固。热传导，蒸发、液化、凝固。热的本质：五行说，热是一种基本物质元素。热的本质：五行说，热是一种基本物质元素。木性藏火木性藏火钻木而生火（北宋刘昼）钻木而生火（北宋刘昼）热是能量，可以做功，走马灯，（秦代发明）热是能量，可以做功，走马灯，（秦代发明）热学的发展史热学的发展史二、近代热学的开端 18世纪世纪70年代年代19世纪世纪30年代，在欧洲第一次工年代，在欧洲第一次工业革命，以蒸汽机等机器代替人力为标志。业革命，以蒸汽机等机器代替人力为标志。瓦特（瓦特（Watt，17361819），用五年时间在），用五年时间在1768年制成实用蒸汽机年制成实用蒸汽机 1785年，蒸汽机用于纺织业，年，蒸汽机用于纺织业，1807年用于轮船，年用于轮船，1825年用于火车和铁路。年用于火车和铁路。提高蒸汽机的效率的研究，推动了热学的发展，提高蒸汽机的效率的研究，推动了热学的发展，形成了计温学、量热学、热本质研究、热力学、分子形成了计温学、量热学、热本质研究、热力学、分子运动学和统计力学等等，构成了近代物理学中的热学。运动学和统计力学等等，构成了近代物理学中的热学。我们的课程将讲授这些内容我们的课程将讲授这些内容神州飞船系列中热学的重要性神州飞船系列中热学的重要性 热学的基本内容热学的基本内容一个系统一个系统两个方面两个方面两种途径两种途径两种方法两种方法若干规律若干规律热系统（气体系统）热系统（气体系统）系统的状态系统的状态系统的过程系统的过程宏观宏观微观微观热力学方法热力学方法统计力学方法统计力学方法宏观宏观微观微观热力学方法热力学方法统计力学方法统计力学方法热学是研究物质热现象规律的学科热学是研究物质热现象规律的学科热学热学 李椿李椿热力学热力学统计物理统计物理 汪志诚汪志诚新概念物理教程新概念物理教程 热学热学 赵凯华赵凯华物理学物理学(Physics)第一卷第一卷 R.Resnick,D.Halliday 主要参考书主要参考书物质的微观模型物质的微观模型1.1.宏观物体由大量微粒宏观物体由大量微粒分子分子(原子原子)组成的组成的2.2.物质的分子在永不停息地做无序热运动物质的分子在永不停息地做无序热运动3.3.物质的分子存在相互作用力物质的分子存在相互作用力扩散扩散布朗运动布朗运动合力合力斥力斥力引力引力O20.1 20.1 统计规律与概率理论统计规律与概率理论20 统计物理学基础统计物理学基础 统计方法的一般概念统计方法的一般概念20.1.1.20.1.1.伽尔顿板实验伽尔顿板实验:-大量偶然事件整体所遵从的规律大量偶然事件整体所遵从的规律.伽尔顿板实验伽尔顿板实验:单个粒子运动单个粒子运动-偶然事件偶然事件 (落入那个槽落入那个槽)大量粒子运动大量粒子运动-统计规律统计规律(粒子在槽中的分布粒子在槽中的分布)气体系统的特点：大量，气体系统的特点：大量，杂乱无章（布朗运动），杂乱无章（布朗运动），无法建立动力学方程无法建立动力学方程实验发现，大量分子运动符合统计规律实验发现，大量分子运动符合统计规律统计规律特点统计规律特点:(2)(2)是与单个粒子遵循的动力学规律有本质区别的新规律是与单个粒子遵循的动力学规律有本质区别的新规律.(3)(3)与系统所处宏观条件有关与系统所处宏观条件有关.(4)(4)存在起伏存在起伏(涨落涨落).).（涨落是一个学科方向）（涨落是一个学科方向）20.1.2 20.1.2 概率（几率）的基本性质概率（几率）的基本性质 实验总观测次数为实验总观测次数为N N,其中出现结果其中出现结果 A A 的次数为的次数为 N NA A 事件事件A A 出现的概率出现的概率 (1)(1)对大量偶然事件有效对大量偶然事件有效,对少量事件不适用。对少量事件不适用。概率是用来衡量偶然事件出现可能性大小的量概率是用来衡量偶然事件出现可能性大小的量概率的基本性质概率的基本性质(1)(1)W=0W=0为不可能事件为不可能事件;W=1;W=1为必然事件为必然事件.(2)A,B(2)A,B为互斥事件为互斥事件,不可能同时出现不可能同时出现,则出现则出现A A或或B B的总概率的总概率:-概率叠加原理概率叠加原理（3 3）归一化条件）归一化条件:对所有可能发生的事件的概率之和必为对所有可能发生的事件的概率之和必为1.1.或或(4)J,K(4)J,K为相容事件为相容事件(可同时出现可同时出现 ），则同时发生），则同时发生J J和和K K的概率的概率.-概率乘法定理概率乘法定理20.1.3 20.1.3 统计平均统计平均 系统的宏观量是在测量时间内系统的宏观量是在测量时间内,系统所有系统所有微观状态中相应的微观量的统计平均值微观状态中相应的微观量的统计平均值!统计平均值统计平均值对物理量对物理量M M进行进行N N次测量，其统计平均值为次测量，其统计平均值为W W是是M Mi i的概率的概率热学的研究对象：热学的研究对象：大量大量微观粒子微观粒子组成的宏观体系组成的宏观体系热力学系统热力学系统 或简称或简称系统系统宏观量宏观量:如如:气体的气体的 V,P,T.V,P,T.描述系统整体特征的物理量描述系统整体特征的物理量.微观量微观量:如如:粒子的粒子的系统中描述单个粒子特征的物理量系统中描述单个粒子特征的物理量.宏观状态参量宏观状态参量 阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数 N NA A=6.023 10=6.023 10 2323/mol/mol20.2.1 20.2.1 微观量与宏观量微观量与宏观量20.2 统计物理学基础统计物理学基础平衡态：平衡态：在不受外界影响的条件下，一个系统的在不受外界影响的条件下，一个系统的宏观性质宏观性质不随时间改变不随时间改变的状态。的状态。动态平衡动态平衡20.2.2 20.2.2 平衡态与非平衡态平衡态与非平衡态真真 空空 膨膨 胀胀1）单一性单一性;2）稳定性；稳定性；3）自发过程的终点；自发过程的终点；4）热动平衡热动平衡.平衡态的特点平衡态的特点系统处于系统处于平衡态平衡态时时,系统的系统的宏观量宏观量具有具有稳定稳定值值,而单个粒而单个粒子的子的微观量微观量在不断在不断变化变化.4.4.平衡态是概率最大的状态平衡态是概率最大的状态a b c d 4a b c d 4个可分辨热运动粒子，在等容体个可分辨热运动粒子，在等容体A,BA,B两室中：两室中：（中间隔板打开）（中间隔板打开）A AB BA AB Ba b c da b c da b ca b cd da b da b dc ca c da c db bb c db c da aa b a b c dc da ca cb db db cb ca da da b a b c dc da ca cb cb cb db da da da b ca b ca b da b da c da c db c db c dd dc cb ba aa b c da b c d1 14 46 64 41 1(平衡态概率最大平衡态概率最大)20.2.3 理想气体压强公式理想气体压强公式理想气体分子模型理想气体分子模型 1）分子作完全无规则热运动。）分子作完全无规则热运动。2）分子大小可以忽略。）分子大小可以忽略。3）分子间作用力（除碰撞外）可以忽略。）分子间作用力（除碰撞外）可以忽略。4）分子间，分子与器壁间）分子间，分子与器壁间 完全弹性碰橦。完全弹性碰橦。推导中用到的统计概念和统计假设推导中用到的统计概念和统计假设:在平衡态下分子按位置的分布是均匀的在平衡态下分子按位置的分布是均匀的平衡状态下分子沿任何方向的运动都不占优势，因而有平衡状态下分子沿任何方向的运动都不占优势，因而有:V-气体分子自由活动的空间；气体分子自由活动的空间；p-分子碰撞器壁的集体表现分子碰撞器壁的集体表现速度在速度在的分子一次碰撞的分子一次碰撞dsds后的动量变化为后的动量变化为dtdt时间内时间内,凡是在底面积为凡是在底面积为ds,ds,高为高为vi ixd dt 的斜柱体内的斜柱体内,推导理想气体压强公式推导理想气体压强公式的分子都能与的分子都能与 ds ds 相碰相碰.而且速度在而且速度在这些分子作用于这些分子作用于 ds ds 冲量为冲量为dtdt内各种速度分子对内各种速度分子对ds ds 的总冲量为的总冲量为:v vdsdsxvixixdtdt因而因而 压强压强dsx xvi=2vix压强压强所以所以其中其中为分子的平均平动动能为分子的平均平动动能平衡状态下分子沿任何方向的运动都不占优势平衡状态下分子沿任何方向的运动都不占优势讨论；讨论；1）压强公式将宏观量 p p 和微观量 i的 统计平均值联系在一起 2）有一定分布（平衡态）有一定分布（平衡态）3）阐明了）阐明了p 的微观本质（定性、定量）的微观本质（定性、定量）4.4.温度温度-分子杂乱无章的热运动的平均平动动能分子杂乱无章的热运动的平均平动动能2.2.温度温度-分子热运动剧烈程度分子热运动剧烈程度1.1.温度温度-描述宏观热力学系统平衡态的一个物理量描述宏观热力学系统平衡态的一个物理量3.3.温度温度-一个统计概念，是大量分子的集体行为一个统计概念，是大量分子的集体行为5.5.温度温度-气体分子热运动的方均根速率气体分子热运动的方均根速率分子质量越小，平均运动速分子质量越小，平均运动速率越大率越大20.2.4 20.2.4 理想气体温度公式理想气体温度公式2)2)分子的平均平动动能分子的平均平动动能1)1)常温常压下，分子的数密度常温常压下，分子的数密度3)3)氧气氧气的方均根速率的方均根速率