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热学讲义 2007年 目 录 第1章 热学导论 1 §1.1 热学 1 §1.2 热学的研究方法 2 第2章 平衡态和状态方程 4 §2.1 平衡态 状态参量 4 §2.2 温度和温标 热力学第零定律 8 §2.3 状态方程 11 §2.3.1 理想气体 12 §2.3.2 实际气体---范德瓦耳斯气体 14 §2.3.3 纯物质 15 第3章 气体分子动理论 16 §3.1 物质的微观理论 16 §3.2 理想气体的初步微观理论 17 §3.2.1 微观模型 17 §3.2.2 压强的统计解释 17 §3.2.3 温度的统计解释 19 §3.2.4 道尔顿分压定律 20 §3.3 近独立子系的麦克斯韦—玻尔兹曼分布 20 §3.3.1 微观模型与微观描述 20 §3.3.2 最概然分布 23 §3.3.3 平衡态的微观理解 25 §3.3.4 玻尔兹曼熵 26 §3.4 麦克斯韦速度分布律和速率分布律 26 §3.4.1 速度分布律与速率分布律 26 §3.4.2 速率分布律的实验验证 28 §3.5 玻尔兹曼分布律 29 §3.5.1 玻尔兹曼分布律 29 §3.5.2 重力场中微粒按高度的分布 30 §3.6 能均分定理 31 §3.6.1 能量按自由度均分定理 31 §3.6.2 理想气体的内能和定容热容量 32 §3.6.3 经典理论的缺陷 33 §3.7 气体分子碰撞和平均自由程 34 §3.7.1 碰撞及其描述 34 §3.7.2 分子随自由程的概率分布 36 §3.8 气体中的输运过程 36 §3.8.1 宏观规律 36 §3.8.2 微观规律 38 第4章 热力学第一定律 41 §4.1 热力学过程 41 §4.2 热量 功 内能 42 §4.2.1 热量 42 §4.2.2 功 42 §4.2.3 内能 43 §4.3 热力学第一定律 44 §4.4 热力学第一定律对理想气体的应用 45 §4.4.1 理想气体做功 45 §4.4.2 理想气体的内能和焓 45 §4.4.3 理想气体的热容 46 §4.4.4 热力学过程 46 第5章 热力学第二定律 47 §5.1 卡诺循环及其效率 47 §5.2 第二定律的两种表述及其等价性 49 §5.3 卡诺定理 50 §5.4 克劳修斯不等式和熵 50 §5.5 热力学微分方程 53 §5.5.1 热力学基本微分方程 53 §5.5.2 热力学势与Maxwell关系 54 §5.5.3 特性函数 56 §5.6 热力学第二定律的再讨论 57 §5.6.1 热力学第二定律的各种表述 57 §5.6.2 平衡判据、平衡条件和稳定性条件 58 第6章 相变热力学 62 §6.1 相图 62 §6.2 克拉珀龙方程 相变理论 64 §6.3 范德瓦耳斯气体 66 索引………………………………………………………………………………………………..69 参考文献…………………………………………………………………………………………..74 热学导论 物理研究的基本框架是在一定的背景知识下提出问题，分析问题，解决问题，解决问题之后得到的知识又成为新的背景知识。热学课程也不例外，请大家在学习时注意这一点。 热学 首先，我们要提出一个最基本的问题，即什么是热学？ 这是一个定义，一个学科的定义，正如化学、生物等学科将自己定义成关于某个领域的研究，热学将自己定义成关于热现象的研究。 那么什么是热现象呢？ 这是个很大的问题，因为这涉及到什么是热？即热的本质是什么？ 对热的认识最初来自我们身体的感觉，火、太阳会让我们感到温暖，冰雪会让我们感到寒冷，看到火就会想起热，但到底什么是热呢？让我们来看看人类对热本质的认识历程。 公元前300年，战国时代的驺衍提出五行说，认为水、火、木、金、土一起构成万物，公元前500年，赫拉克利特（Heraclitus）认为火、水、土、气是自然界的四种独立元素，构成万物。这样我们看到古代人们将火（即热）理解为物质的构成元素。 大约在18世纪左右，关于热的本质有两种看法：热质说和热动说。热质说认为热是一种特殊的物质，称之为caloric---热质，热质由没有重量的微细粒子组成，可以从一个物体流向另一个物体，其数量守恒；而热动说认为热是组成物质的微观粒子运动的表现，可以由物体的机械运动转化而来。培根、胡克、牛顿、笛卡尔主张或倾向于热动说，伽利略、伽桑狄主张或倾向于热质说，玻意耳则动摇于两者之间。 大约在1788年，英国的化学兼物理学家布莱克(J.Black）提出两个概念，热的强度---温度、热的数量---热量，从而推动了量热学的完善。量热学中一个重要的结论是“热量守恒”，比如1千克80摄氏度的水与1千克20摄氏度的水混合变成2千克50摄氏度的水，