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电子科学与技术、微电子学专业必修课程 热力学与统计物理学 教学内容 热力学 第一章 热力学的基本规律 (1~18) 第二章 均匀物质的热力学性质(1~5) 第三章 单元系的相变 (1~7) 统计物理学 第六章 近独立粒子的最概然分布(1~8) 第七章 玻耳兹曼统计(1~6) 第八章 玻色统计和费米统计(1~4) 例1 关于热的“争论” 古希腊时代，有两种对立的学说 1. 热素(质)说： 热是无重量的流体，可透入一切物体中，不生不灭；热物体热质多，冷物体少，冷热物体接触时，热持从热到冷，从而可以解释很多自然现象。但后来人们发现它解释不了的现象是： “磨擦生热” 2. 热动说 体现了物质的运动，是一种能量， 焦耳花了四十年的时间使人们相信热能和机械能可以相互转化， 结论：热 是能量、是分子的运动、可以转化为功和其它形式的能量。 ----------这些是热力学研究内容的出发点。 例2 玻璃瓶中装无色透明的水，加入“红色墨滴”后，由于分子的扩散运动，水变成了均匀的红色。 统计物理学主要研究气体分子(理想气体分子)的统计规律。 Using the laws governing the behavior of the particles of a particular system to establish the laws governing the behavior of macroscopic quantities of substance. 宏观 量 物质(matter) 1.状态参量——几何参量、力学参量、 电磁参量、化学参量 2.状态函数 3.简单系统 三.温度计与温标 1.经验温标：凡是以某物质的某一属性随冷热程度的变化 为依据而确定的温标称为经验温标。 实验表明，选择不同的测温物质或不同的测温特性而确定 的经验温标，除标准点外，其他温度并不完全一致。 §1.3 物态方程 一.物态方程是温度与状态参量之间的函数关系。 对于简单系统：有 f (P,V,T)＝0 二.常用物理量 §1.5热力学第一定律 一.焦耳实验 绝热过程：在系统和外界之间没有热量交换的过程.系统状态变 化完全是机械作用或电磁作用的结果而没有受到其他影响。 重力作功,水温上升 电源作功,水温上升 结论: 1.用各种绝热过程是物体升高一定的温度,所需的功在实验 误差范围内是相等的. 2.功的大小取决于系统的初态和终态,与过程无关. 存在态函数U 二.态函数内能 内能是状态函数。当系统的初态A和终态B给定后，内能之差就有确定值，与系统由A到达B所经历的过程无关; 而功和热量则是在过程中传送的能量，是与过程有关。 内能显然是一个广延量。内能的单位与功的单位相同，也是J(焦耳)。 三.热量 如果系统经历的过程不是绝热过程，在过程中外界对系统所作的功W自然不等于过程前后内能的变化，二者之差就是系统在过程中以热量的形式从外界吸取的能量： Q= UB- UA -W Q为热量的定义。热量的单位也是J。热量还有一个常用的单位，名为cal(卡) 1cal＝4.184J 四.热力学第一定律(能量守恒定律) 对于无穷小过程，有： 五.第一类永动机不可能造成。 能量可以通过某些形式（比如做功）从一种形式转换成另一种形式，但在转换过程中能量的数量保持不变。 第一类永动机：不需要任何动力的，不断自动做功的机器。 上式为热力学第一定律的数学表达式。它的意义是，系统在终态B和初态A的内能之差等于在过程中外界对系统所作的功与系统从外界吸收的热量之和。 §1.6热容量与焓 定容热容量： 定压热容量： (广延量,单位:J·K-1) 一、热容量、摩尔热容量、比热容 热容量：一个物体在某一过程中温度升高1K所吸收的热量。 摩尔热容量： 比热容： 单位质量的物质在某一过程的热容量. 与过程有关 3.焓： 由热力学第一定律定压过程中， 表示在等压过程中系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加值。这是态函数焓的重要特性。 一. 焦耳定律: 焦耳在1845年,绝热自由膨胀实验来研究气体的内能。 测量过程前后水温的变化。实验结果是水温不变。 §1.7 理想气体内能 W＝0; 水温没有变化,说明气体与水(外界)没有热量交换， 气体是向真空膨胀的，膨胀时不受外界阻力，所以气体 不对外作功， Q