热学导论 第一章.docVIP

导 论 现在我们知道：世界是由物质组成的，运动是物质的基本属性，物质的运动形式是多种多样的。 物理学——研究物质的基本结构和各种运动形式所遵循的基本规律的学科。 力 学——研究物体机械运动规律的科学。 机械运动——宏观物体的整体运动，位置及其变化。 力学的方法：将物质视为整体（质点或刚体），不涉及物质的内部结构和运动。 知道一个力学系统在某一时刻的状态，即初始条件，并且知道该系统与其它物体的相互作用，根据力学原理（如牛二律），就能在原则上精确地推算出力学系统在任一时刻的运动状态。 力学中的基本量： 长度、质量、时间 §1. 热学的研究对象 1．1 热现象 —— 与物质冷热有关的物理现象的统称。 Exp: 摩擦生热、热胀冷缩、物态变化、热传导、热应力 …… 物质——由大量微观粒子组成的宏观系统。（如：气体、液体、固体，天文的、化学的、生物的·······系统） 热现象渗透到自然科学的各个部门，不管是力学、电学、还是气象、气候、地质、化学、生物、······只要与冷热有关，都可以用热学的方法进行研究。 热学中的基本量： 为描述热现象，必须引入第四个基本物理量： 温 度—— 表征物体冷热程度的物理量。 1．2 热现象是有规律的Exp: Exp: 热传导和摩擦生热的方向、热胀冷缩、热应力 …… 1．3 热现象产生的原因 —— 物质分子的热运动 为什么自然界会出现形形色色的热现象呢？ 从微观上看，热现象是组成物质的粒子（原子、分子、离子……）热运动的结果。 由中学的知识知： （1）一切宏观物质都是由大量的微观粒子（原子、分子、离子……）所组成，粒子间存在着一定的间隙； （2）这些粒子处于永不停息、“杂乱无章”的运动之中； （3）这些粒子间存在着相互作用力（引力和斥力）。 热运动——宏观物体内部大量微观粒子的一种永不停息的无规则运动。 微观粒子：分子、原子、离子等。其线度小于10-6 ～ 10-7cm 。 大于该线度一般称为宏观物体。热学中由于历史的原因，都统称为分子。 由于分子在不停地热运动，分子间将不断地发生碰撞，这就使分子有向四面八方散开（无序）的趋势； 而分子间又存在着引力和斥力，这就使分子间又有相互聚集（有序）的趋势。 这两种趋势矛盾斗争的结果，就形成了物质的三态和相变及各种各样的热现象。这就是物质热现象的内部依据。 热运动与机械运动和电磁运动一样,也是自然界物质运动的基本形态之一。 能否用牛顿力学的方法来研究热运动呢？ 下面看看它们的研究对象有什么不同: 力学的研究对象： 单个的质点（滑块、单摆·······）、刚体········ 热学的研究对象： Exp.：1）气体在标准状态下有: 2.7X1019/ cm3个分子； 分子的平均速度： 几百米/S ； 分子的碰撞： 几十亿次/S 。 2）相变； 3）生物体的自组织。 1．4 热运动的特点： （1）单个粒子的运动具有极大的偶然性； （2）大量微观粒子组成的系统在整体上却遵循确定的规律。 Exp.：气体单个分子的速度、动能、对器壁施与的冲量都是不确定的， 但在一定条件下气体却具有确定的温度和压强。 对这种大量粒子组成的系统，支配粒子整体的性质和行为的规律称为统计规律。 正是这种特点，使热学成为区别于其它运动形式的一种物质的基本运动形式。 （3）热运动在一定条件下可以与其它运动形式相互转化。 Exp.： 1）摩擦生热：机械运动 → 热运动； 2）内 燃 机：化学运动 → 热运动 → 机械运动； 3）电 灯：电磁运动 → 热运动 → 光。 从微观的角度看，热现象通常是分子热运动与其它运动形态的相互转化联系在一起的。 综上所述： 热 学 —— 研究物质的热现象（热运动）的科学。 热学的研究对象： 物质的热现象（热运动）的规律、微观本质及其应用。 §2. 热学的研究方法 2．1 宏观唯象的方法 —— 热力学 （1）方法：不涉及物质的微观结构，从实验定律（热力学第0、一、二、三定律）出发，经数学演译，得出系统的宏观性质。 （2）特点：结论具有高度的可靠性和普遍性。但对热现象的本质无法了解，对一些热现象无法作出解释。 2．2 微观统计的方法 —— 统计物理学 （1）方法：从物质由大量的微观粒子所组成的观点出发，认为物质的宏观性质是这些微观粒子集体运动的平均效果。故可用数理统计的方法求出物质的宏观性质。 （2）特点：能揭露热现象的本质。但它对物质的微观结构所作的简化假设，使结论具有近似性，须用热力学来验证。 所以两种方法在研究热现象的过程中相互联系、相辅相成。 \ 研 究：