华中科技大学热力学统计物理省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。感谢,专业：电子科学与技术,讲课课时：16,主讲教师：孙 华 军,shj,Thermodynamics and Statistical Physics,固体电子学基础,热力学,统计物理,1/59,教学用书,热力学与统计物理学汪志诚,高等教育出版社,参考用书,热力学王竹溪人民教育出版社,统计物理导论王竹溪高等教育出版社,2/59,本课程相关基础内容,概率论,普通物理学中热学,分子运动论,原子物理学,量子力学,3/59,本课程主要内容,第一部分,热力学基础知识,1平衡与状态量,1.系统、相及状态量,2.平衡与温度热力学第零定律,3.功、化学势、热量,2 热力学定律,1.热力学第一定律,2.Carnot循环,3.热力学第二定律,4.自由能与Gibbs函数,小结,第二部分 统计物理基础（近独立粒子系平衡分布）,1 粒子、系统微观状态,1.粒子运动状态经典描述,2.粒子运动状态量子描述,3.系统微观运动状态描述,2 近独立子系平衡分布,1.微观状态数,2.等几率原理,3.玻尔兹曼(Boltzmann)分布,4.玻色（Bose）分布,5.费米（Fermi）分布,6.去简并条件,3 玻尔兹曼分布下热力学公式,4 玻色分布与费米分布下热力学公式,1玻色分布热力学公式,2费米分布热力学公式,小结,4/59,1研究对象：有限范围（或给定范围内）由大量微观粒子组成宏观物体及物体系。,固体、液体、气体等离子体、辐射场（特殊物质，一光子气体）,2任务：研究热运动规律及热运动对物质宏观性质影响。,热运动,一、研究对象与任务,热运动对物质宏观性质影响,5/59,二、研究方法,6/59,2 统计物理,3相辅相成，互为补充，有机统一体，缺一不可。,7/59,微观粒子,观察和试验,出 发 点,热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质,二者关系,无法自我验证,不深刻,缺 点,揭露本质,普遍，可靠,优 点,统计平均方法,力学规律,总结归纳,逻辑推理,方 法,微观量,宏观量,物 理 量,热现象,热现象,研究对象,微观理论,（统计物理学）,宏观理论,（热力学）,8/59,三、学习意义,热力学与统计物理学是一门基础科学。它是固体、液体、气体、等离子体理论和激光理论基础之一。她概念和方法在原子核和基本粒子中也有许多应用，而且日益广泛地渗透到化学、生物学等学科中去。尤其是近年来，出现许多鼓舞人心进展。各态历经理论、非线性化学物理、随机理论、量子流体、临界现象、流体力学以及输运理论等方面新结果，使这门学科发生了革命性改变。能够预言，伴随科学技术快速发展，热力学与统计物理学这门学科将愈加生机勃勃。,9/59,第一章,热力学基本规律,热力学是研究热现象宏观理论依据试验总结出来热力学定律，用严密逻辑推理方法，研究宏观物体热力学性质。,热力学不包括物质微观结构，它主要理论基础是热力学三条定律。,本章主要内容是热力学第一定律和热力学第二定律。,10/59,11 热力学系统平衡态及其描述,基本定义,1、系统与外界,热力学系统（简称系统）,在热力学中，把所要研究对象，即由大量微观粒子组成物体或物体系称为,热力学系统,。,系统外界（简称外界）,能够与所研究热力学系统发生相互作用其它物体，称为,外界,。,11/59,热力学系统分类,孤立系,闭 系,开 系,能量交换,无,有,有,物质交换,无,无,有,热力学研究对象是由大量微观粒子组成宏观系统，它们与外界,相互作用,表现为能量交换和物质（粒子）交换。由此分为三个系统：,12/59,2、气体物态参量,把用来描述系统宏观状态物理量称为,状态参量,。,气体宏观状态能够用,V,、,P,、,T,描述,体积,V,几何参量,压强,p,力学参量,温度,T,热力学参量,3、说明,(1)气体,p、V、T,是描述大量分子热运动集体特征物理量，是,宏观量,，而气体分子质量、速度等是描述个别分子运动物理量，是,微观量,。,(2)依据系统性质，,几何参量、力学参量,、,化学参量,、,电磁参量,。,13/59,p、V、T 单位,1、气体体积,V,气体体积,V,是指气体分子无规则热运动所能抵达空间。,对于密闭容器中气体，容器体积就是气体体积。,单位：,m,3,2、压强,p,压强,P,是大量分子与容器壁相碰撞而产生，它等于容器壁上单位面积所受到正压力。,p=F/S,单位：,1Pa=1N.m,-2,标准大气压,1atm=76cm.Hg=1.01310,5,Pa,3、温度,T,温度高低反应分子热运动激烈程度。,(1)热力学温标T，单位：K,(2)摄氏温标t，单位：,0,C,0,0,C水三相点温度,100,0,C水沸腾点温度,(3)华氏温标F，单位,0,F,32,0,F 水三相点温度,212,0,F水沸腾点温度,关系：,T=273.15+t,F=9t/5+32,14/59,平衡态,一个系统与外界之间没有能量和物质传递，系统能量也没有转化为其它形式能量，系统组成及其质量均不随时间而改变，这么状态叫做,热力学平衡态,。,1、定义,2、说明,（1）平衡态是一个理想状态；,（2）平衡态是一个动态平衡；,（3）对于平衡态，能够用,pV,图上一个点来表示。,p,V,15/59,假如两个系统分别与处于确定状态第三个系统到达热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡,。,12,热力学第零定律或热平衡定律,热力学第零定律表明，处于同一平衡态全部热力学系统都有一个共同宏观性质，这个决定系统热平衡宏观性质物理量能够定义为,温度,。,16/59,假如任何两个系统同时与第三个系统处于热平衡，则这两个系统必定处于热平衡。这种热平衡传递性被称为热力学第零定律。,一、热力学第零定律,温度是热力学系统特有状态参量,二、温度,(、系统到达热平衡),(、系统处于热平衡,),(、系统处于热平衡),、都与到达热平衡,函数t就表示系统温度,温度是表征一系统与另一相互接触系统是否处于热平衡物理量,图1-2,若,且,则,.,(表示处于热平衡如图1-2),17/59,热力学第零定律两个主要意义,1.它是定义温度理论基础-给出了温度概念；,2.它为设计温度计和科学计量温度提供了理论依 据-指明了比较温度方法。,18/59,温度与温标,温度,：本质与物质分子热运动有亲密关系。温度高低反应分子热运动激烈程度。在宏观上，我们能够用温度来表示物体冷热程度，并要求较热物体有较高温度。对普通系统来说，温度是表征系统状态一个宏观物理量。温度数值表示方法叫作,温标,。,定容气体温标：,要求：纯水三相点下温度（水、冰、蒸气三相平衡共存温度）为273.16,.,(1)理想气体温标,:,试验表明,在压强趋于零时,各种气体所确定,趋于共同极限温标,这个温标就叫,理想气体温标,.,19/59,（2）,经验温标,：,以测温物质测温特征随温度改变为依据而确定温标。试验表明，选择不一样测温物质或不一样测温特征而确定经验温标，除标准点外，其它温度并不完全一致。,水 冰点 沸点,摄氏温标（1742年，瑞典）：,华氏温标（1714年，德国）：,以上两种测温物质都是水银温度计。它们之间关系为,20/59,热力学温标,：,不依赖任何详细物质特征温标。它能够由卡诺定理导出。而且热力学温标与理想气体温标是一致。,1968年，第13届国际计量大会统一要求：,温度基准点：T,0,=273.15 K,（水冰点热力学温度）,分 度：,（水三相点热力学温度）,关系式：T=t+T,0,（这里t为摄氏温标）,21/59,1.3 物态方程,平衡态下热力学系统存在状态函数温度。物态方程给出温度与状态参量之间函数关系(简单系统)。,在,p,、,V,、,T,三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一个状态参量是其它两个状态参量函数，如,T=T(P,V),1,物态方程相关几个物理量,：,体胀系数在压强不变时，温度升高1K所引发物体体积相对改变,22/59,压强系数,：,体积不变下，温度升高1K所引发物体压强相对改变。,等温压缩系数,：温度不变时，增加单位压强所引发物体体积相对改变。,由 得：,23/59,24/59,例1 试验测得某一气体系统定压膨胀系数和等温压缩系数分别为,其中a为常数，试求此气体物态方程。,解 取,T、P,为自变量，则,V=V(T、p,),两边同乘以p,而且整理得,两边积分得,与理想气体状态方程比较可得,25/59,26/59,2、理想气体,在温度不太低(与室温相比)和压强不太大(与大气压相比)时，,Boyle-Mariotte定律,（1662）等温过程中,pVconst,Avogadro定律（1811年）：,在一样温度和压强下，相同体积气体含有相同数量分子。在标准状态下，1摩尔任何气体所占有体积为22.4升。,对任意两个平衡态,由玻马定律及理想气体温标定义可得：,27/59,理想气体物态方程,形式1,m,气体质量,M,气体摩尔质量,R,=8.31Jmol,-1,K,-1,摩尔气体常量,形式2,理想气体定义：,在任何情况下都恪守玻马定律，阿伏加德罗定律及焦耳定律气体称为,理想气体,。（热,力学温标与理想气体温标是一致）,28/59,实际气体,范氏气体,考虑分子之间斥力及分子之间引力,a,b 取值见表1.1。,29/59,广延量和强度量,广延量,与系统质量或物质量成正比。如 m,V。,强度量,与与系统质量或物质量无关。如P，T。,广延量除物质量或体积，成为强度量。,有限,30/59,1-4 准静态过程 功 热量,一、准静态过程,1、热力学过程,当系统状态随时间改变时，我们就说系统在经历一个,热力学过程,，简称,过程,。,推进活塞压缩汽缸内气体时，气体体积、密度、温度或压强都将改变,2、非静态过程,在热力学过程发生时，系统往往由一个平衡状态经过一系列状态改变后抵达另一平衡态。假如中间状态为非平衡态，则此过程称,非静态过程,。,为从平衡态破坏到新平衡态建立所需时间称为,弛豫时间,。,31/59,3.过程量与态函数,过程量,与系统改变过程相关物理量。比如：系统对外界所做功（或外界对系统所做功）、系统传给外界热量（或外界传给系统热量）。,态函数,由系统平衡态状态参量单值地确定物理量。比如：系统内能、焓、熵等，它们都是由系统状态单值地确定，而与系统所经历过程无关。,32/59,3、准静态过程,假如一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历之中间状态，能够近似看成平衡态，则此过程为,准静态过程,。,准静态过程只有在进行“无限迟缓”条件下才可能实现。,对于实际过程则要求系统状态发生改变特征时间远远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。,说明：,系统准静态改变过程可用,pV,图上一条曲线表示，称之为,过程曲线,。,33/59,二、功,1、体积改变当气体作无摩擦准静态膨胀或压缩时，为了维持气体平衡态，外界压强必定等于气体压强。,系统对外界所作,功等于pV,图上过,程曲线下面面积,说明,系统所作功与系统始末状态相关，而且还与路径相关，是一个过程量。,气体膨胀时，系统对外界作功,气体压缩时，外界对系统作功,作功是改变系统内能一个方法,本质：经过宏观位移来完成：机械运动,分子热运动,V,O,P,dV,V,1,V,2,34/59,2、液体表面薄膜面积改变所做功,如图1-5，液体表面薄膜张于金属框上，长为,l,金属丝能够自由移动，液体膜表面张力系数为,金属丝,准静态地移动d,x,时，外界对液体表面薄膜所做功为,3、磁介质被磁化所做功,如图1-6，设磁介质长度为,l,截面积为S，绕有N匝线圈，且认为磁介质长度比直径大很多.,接通电源，当改变电流大小以改变磁介质中磁场时，线圈中将产生反电动势,V,，外界电源必须克服此反电动势做功为,能够近似认为介质中磁场和磁化强度都是均匀,35/59,由电磁感应定律有,由安培环路定律有,m为磁化强度，,0,是真空磁导率,若以磁介质为研究对象，则在准静态磁化过程,中，外界对磁介质磁化功为,式中M=Vm是磁介质总磁矩.,36/59,4、电介质极化所做功,当外电场E使电介质极化时,如图1-3，伴随外电场E改变，电介质总电矩P也发生改变，设增量为dP，,若仅以电介质为研究对象，这时外电场对电介质做,功为,广义功:,外界对系统所作功等于广义位移与对应广义力乘积,式中求和号表示，若外界对系统做功形式不止一个，比如对磁介质来说，若现有体积功，又有磁化功和其它形式功，则外界对系统做功为各种形式功之和。,37/59,设图1-3中两板距离为,L,电容器内充满了电介质，两板电位差为v，电场强度为,，板面积为A，面电荷密度为,，若电量增加为dq，则外界所做功为：,d,W,=,v,d,q,，但,v,=,L,，d,q,=,A.d,d,W,=,LA,d,=,V,d,上式中，,V,是电介质体积。另外，我们由高斯定律可知 =,D,（电位移），且,D,=,+,P,，这里，是真空介电常数，,P,是电极化强度。最终可得：,dW=V+V,d,P,上式右边第一项为激发电场功，第二项为使介质极化功。,38/59,三、热量,1、例子,外界向系统传递热量，系统内能增大：加热水,系统向外界传递热量，系统内能减小。,2、定义,系统与外界之间因为存在,温度差,而传递能量叫做,热量,。,3、本质,外界与系统相互交换热量。分子热运动分子热运动,说明,热量传递多少与其传递方式相关,热量单位：,焦耳,39/59,1-5 热力学第一定律,一、内能,热力学系统能量取决于系统状态,内能,。,说明,1、理想气体内能仅是温度函数,2、热力学系统内能改变是经过系统与外界交换热量或外界对系统作功来实现,3、系统内能增量只与系统起始与终了位置相关，而与系统所经历过程无关,40/59,二、热力学第一定律,1、内容,系统在终态B和初态A内能差等于过程中外界对系统所作功与系统从外界所吸收热量之和.,2、本质,热力学第一定律是包含,热现象在内能量守恒定律,，对任何物质任何过程都成立。,对于微小过程,41/59,3、说明,符号要求：,热量Q：正号系统从外界吸收热量,负号系统向外界放出热量,功 W：正号外界对系统作功,负号系统对外界作功,内能,U,：正号系统能量增加,负号系统能量减小,计算中，各物理量单位是相同，在SI制中为J,三、热力学第一定律另一个表述,1、第一类永动机,不需要外界提供能量，也不需要消耗系统内能，但能够对外界作功。,2、热力学第一定律另一个表述,第一类永动机是不可能造成,。,第一类永动机违反了能量守恒定律，因而是不可能实现,42/59,1-6 热容量和焓,热容量:,系统在某一过程中温度升高1K所吸收热量,.,特征：,系统对外界不作功，系统吸收热量全部用来增加系统内能。,等容过程：,43/59,二、等压过程 定压摩尔热容,1、等压过程,特点：,理想气体压强保持不变，,p,=const,过程曲线：,在,PV,图上是一条平行于,V,轴直线，叫,等压线,。,内能、功和热量改变,特征：,系统吸收热量一部分用来增加系统内能，另一部分使系统对外界作功。,过程方程：,44/59,2、定压摩尔热容,定义,1mol理想气体在等压过程中，温度升高1K,时所吸收热量，称为该物质,定压摩尔热容,。,等压过程热量公式,系统吸收热量,系统放出热量,气体内能增量,45/59,3、关于摩尔热容讨论,Mayer公式,推导,理想气体定压摩尔热容比定体摩尔热容大一个恒量R,在等体过程中，气体吸收热量全部用来增加系统内能,等压过程中，气体吸收热量，一部分用来增加系统内能，还有一部分用于气体膨胀时对外界作功,气体升高相同温度，在等压过程吸收热量要比在等温过程中吸收热量多。,46/59,摩尔热容比-,引入表示定压热容量与定容热容量比值,气体,理论值,试验值,C,V,m,C,P,m,C,V,m,C,P,m,He,12.47,20.78,1.67,12.61,20.95,1.66,Ne,12.53,20.90,1.67,H,2,20.78,20.09,1.40,20.47,28.83,1.41,N,2,20.56,28.88,1.40,O,2,21.16,29.61,1.40,H,2,O,24.93,33.24,1.33,27.8,36.2,1.31,CH,4,27.2,35.2,1.30,CHCl,3,63.7,72.0,1.13,47/59,三、比热容,1、热容：,使物质温度升高1K所需要热量称为该物质,热容,。,2、比热容：,单位质量热容称为,比热容,。,48/59,小 结,热学研究对象及其分类,气体物态参量,平衡态与准静态过程,理想气体物态方程,功,热量,内能,热力学第一定律,热力学第一定律在理想气体等体和等压过程应用,摩尔热容,49/59,1-7 绝热过程与气体内能,因为过程是准静态，外界对气体所作功为,热力学第一定律,数学表示式是,在绝热过程中,气体与外界没有热量交换，,50/59,理想气体,，,由焦耳定律,内能,理想气体物态方程 全式进行微分，得,在普通问题中,理想气体温度在过程中改变不大，能够,把 看作常数。,理想气体在准静态绝热过程中所经历各个状态，其压力与体积,次方乘积是不变。,51/59,因为,故与等温线相比，绝热线更陡些，,与理想气体物态方程联立能够求得在准静绝热过程中理想气体体积与温度及压力与温度关系：,52/59,热机作用在于经过工作物质所进行过程,不停地把吸收热量转化为机械功。,当工作物质从某一状态出发，经过一系列过程，又回到原来状态,我们说工作物质进行了一个,循环过程,。,卡诺循环过程由两个等温过程和两个绝热过程组成。,设有,1mol,理想气体,进行准静态等温过程,。,在等温过程中，理想气体压力与体积乘积是一个恒量：,pV=RT,体积由 变到 时,外界所作功是,理想气体内能,53/59,依据焦耳定律，在等温过程中理想气体内能不变，由第一定律知，气体在过程中从热源吸收热量Q为:,在等温膨胀过程中，理想气体从外界吸收热量,这热量全部转化为气体对外所作功;在等温压缩过程中，外界对气体作功，这功经过气体转化为热量而放出。,准静态绝热过程中理想气体压力和体积满足以下关系,:,当理想气体在这过程中体积由 变到 时,外界所作,功是,54/59,终态,B,和初态,A,内能之差,在绝热膨胀过程中，外界对气体所作功为负值，实际上是气体对外界作功，这功是由气体在过程中降低内能转化而来。气体内能既然降低,其温度就下降。,理想气体卡诺循环。,考虑,1mol,理想气体,进行以下四个准静态过程：,55/59,气体与温度为 高温热源保持热接触，状态I()等温膨胀到II()。,在这过程中气体吸收热量为,(二)绝热膨胀过程,II(绝热膨胀而达状态III()。,在这过程中气体吸收热量为零。,（三）等温压缩过程,气体与温度 为低温热源保持热接触，由状态III(),等温压缩而达状态,IV(,)。在这过程中气体放出热量为,(四)绝热压缩过程,气体由状态,IV,(),绝热压缩而达状态,I,().,在这过程中气体吸收热量为零。,(一)等温膨胀过程,56/59,内能作为状态函数改变为零。由第一定律知道,在整个循环中气体对外所作净功W应等于气体在循环中所吸收净热量 。,因为过程,(,二,),和过程,(,四,),是准静态过程,在整个循环中，气体从高温热源吸收了热量 ,对外作了W功,故热功转化效率为,57/59,气体只把它从高温热源所吸收热量一部分转化为机械功，其余热量在低温热源放出去了,。,58/59,1、写出状态函数焓定义,2、写出理想气体等温过程和绝热过程中体积和压强改变关系?,3、在温度为,T,时，气体由,V,膨胀到,2V,，试问做功情况？若气体由,V,压缩到,V/2,做功情况又怎样？,4、热机效率与温度关系？,课堂测试,59/59,