热力学与统计物理（殷景志）绪论.pptVIP

热力学与统计物理Thermodynamics and statistical physics授课教师 殷景志yjz886666@163.com 教科书： 热力学系统理论----崔海宁 主要参考书目: 热力学与统计物理 汪志诚 热力学系统理论 ——简要和习题解答 崔海宁 等 绪论（Preface） 一、热现象与热物理学 二、经典热力学和统计热力学 三、热量、能量转换与应用 四、非平衡态热力学 一、热现象与热物理学 1. 热现象：热现象是与物体温度相关的物体性质及状态的变化。热现象与热运动密切相关。 “热运动”的两种含义： a. 宏观物体以热现象为主要标志的一种运动形态； b. 构成宏观物体的微观粒子在不停的杂乱运动。 2. 热物理学 热物理学是研究物质的热运动及其各种宏观性质规律的科学。 基本内容： 热学 热力学（经典热力学） 统计热力学（统计物理或统计力学） 非平衡态热力学 二、经典热力学和统计热力学 热力学和统计物理学是研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化的科学，这两门课程都是热物理学的重要组成发部分之一，它们相辅相成，互为补充。 热力学是热运动的宏观理论: （1）热力学理论不去追究物质的微观结构，而只考虑组成物质的大量原子、分子作为一个整体表现出来的各种宏观性质。 （2）通过对热现象的观测、实验和分析，总结出热现象的基本规律。 （3）热力学理论的一切结论都是由这些基本定律出发、应用数学方法、通过严密的逻辑演译而得到的。因此，只要在其中不加其它假设，这些结论也具有同样的可靠性和普遍性。 缺点：不能解释物体宏观性质的涨落。 统计物理是热运动的微观理论: 研究物质的微观结构，认为物质由大量的原子、分子组成。它或是用力学定律对单个粒子及其大量粒子进行统计分析，或是运用概率统计和量子统计的方法找出宏观量与原子、分子等微观量之间的关系，从而解释热现象的微观本质。 统计物理所得到的结果需要通过热力学关系和实验来验证。 优点：把热力学中的三个相互独立的基本规律归结为一个基本的统计原理，解决了有关物质的具体性质，解释了涨落现象 。 缺点：对物质的微观结构所做的假设，往往是简化的，所得的理论结果往往是近似的。 热力学四大定律发展史 18世纪，卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。 第一个阶段:十七世纪末到十九世纪中叶 该阶段累积了大量的试验与观察的结果，制造出蒸汽机，并对“热”（Heat）的本质展开研究与争论，为热力学的理论建立做好了暖身。 十九世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论（热力学第二定律的前身）和热功互换原理（热力学第一定律的基础）。 这一阶段的热力学还停留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。 标志：温度计的发展、热量概念的演进 第二个阶段：十九世纪中叶到十九世纪 七十年代末 此阶段热力学第一定律和第二定律已经完全理论化--由热功互换原理建立了热力学第一定律，由第一定律与卡诺循环的结合导致热力学第二定律的成熟。 以牛顿力学为基础的气体动力论也开始发展。 人们并不了解热力学与气体动力论之间的关联。 标志：卡诺循环、热力学第一和第二定律的形成 第三个阶段：十九世纪末到二十世纪初 由玻尔兹曼将热力学与分子动力学的理论结合，而导致统计热力学的诞生； 同时他也提出非平衡态的理论基础。 二十世纪初吉布斯（Gibbs）提出系统理论建立统计力学的基础。 标志：统计热力学发展，非平衡态理论提出 三、热量、能量转换与应用 热效率：输出净功与输入热量之比。 能量转换方式有直接和间接的，间接转换不利于提高转换效率。 能量直接转换就是指和传统方式相比减少了中间环节的能量转换方式。 能量直接转换具有较高的理论转化效率、低消耗和低的污染。 生活中的热力学： 热力学几乎是无处不在的，例如： 空调与冰箱的制冷系统（电能转为热能）； 汽车、火车中的内燃机（热能转化为机械能）； 电饭锅中的加热装置（电能转化为热能）； 微波炉的加热装置（电磁能转化为热能）； 太阳能加热装置（太阳能转化为热能）； 高压锅（通过气压调节沸点）； 天然气灶（化学能转化为热能） 一些简单的热传导； 一些保温等平衡装置也属于热力学研究范畴。 能量转换实例：1. 温差电效应和温差电制冷器-- 温差电效应 温差引起电势差现象称为温差电效应。 产生温差电动势的原因： a.两种金属接触处的接触电势差； b.两种材料有温度梯度时产生的汤姆孙电动势。 产生温差电动势的回路 温差电效应和温差电制冷器 ----温差电制冷器单元