[工学]理论物理基础CHAPTER15.pptVIP

热力学与统计物理学 Thermodynamics statistical physics 热力学的主要内容 热力学是专门探讨能量内涵、能量转换以及能量与物质间交互作用的科学，尤其专注在系统与外在环境间能量的交互作用，是结合工程、物理与化学的一门学问。 早期物理中，把研究热现象的部分称为热物理，后来称为热学，近代则称之为热力学，被许多理工相关科系列为必修的基础课程。 许多工程科学都是由热力学所衍生的或与其有密切关联，例如热传学、流体力学、材料科学等。 热力学的应用 主要包括： 引擎、涡轮机、压缩机、发电机、推进器、燃烧系统、冷冻空调系统、能源替代系统、生命支援系统及人工器官等 热力学的由来 1、热运动 热运动是与机械、电磁等运动不同的一种运动，它是构成宏观物体的大量微粒子（分子、原子与电子等）的一种永不停息的无规则运动。 普通物理学中的热学与理论物理学的热力学都是以热运动作为研究对象的，二者的区别在于：前者着眼于有关热现象本身的研究，而后者则更多地探讨与热现象有关的普遍规律，并上升为系统的理论。 热运动可以从两个方面来研究： 热力学--从宏观方面：热现象以及由热引起的物体的许多性质变化都是宏观现象，研究表征这些宏观现象的物理量（例如温度、压力与热量）和它们之间的关系以及普遍规律的理论，是宏观理论，称为热力学。 热力学和「热」有关，和「力」也有关。 Thermo+dynamic=Thermodynamic 爱因斯坦对热力学评价 热力学是一门最靠近真实的学科。是完全建立在实验基础上的学科。 它们使用的是分析方法，而不是综合方法，形成它们的基础和出发点的元素，不是用假说构造出来的，而是在经验中发现得到的。 热力学就是力图用分析方法，从永动机不可能这一普遍经验得到的事实出发，推导出一些为各个事件都必须满足的必要条件 统计物理学--从微观方面：考虑到热的本质是大量微粒子的无规则运动，因而可以对微粒子的运动及其相互作用进行研究，不过要注意的是，微观量不是直接可测的，而且最终也是要用宏观物理量来表示结果的，因此，我们应设法建立起微观量与宏观物理量之间的联系（即宏观物理量是相应的微观量的统计平均值），这种从微观出发，通过统计方法来研究热运动的理论，称为统计物理学。 李政道对统计物理学评价 统计力学是理论物理中最完美的科目之一，因为它的假设是简单的，但它的应用却十分广泛。 物理学的研究目的是探求自然界的基本原理，这种基本原理是简单的，其数学表达式也不一定复杂，但其应用的领域一定很广泛，统计力学就具备这一特点。 热力学-统计物理的关联 热力学的发展 热力学其主要基石如下： 热力学第零定律——如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。 热力学第一定律——能量守恒定律在热学形式的表现。 热力学第二定律——力学能可全部转换成热能， 但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功 (热机不可得)。 热力学第三定律——绝对零度不可达到但可以无限趋近。 热力学的发展 第一个阶段：十七世纪末到十九世纪中叶 实质上是热学的早期史，开始于十七世纪末到十九世纪中叶，这个时期累积了大量的实验和观察，并制造出蒸汽机，关于「热」的本质展开了研究和争论，为热力学理论的建立做了准备。 另一类的人如虎克，认为热是物质各部分激烈的运动，牛顿也认为热是粒子的运动。 一七四○年左右，俄国圣彼得堡科学院院士克拉夫特（Baron Richard von Krafft-Ebing）提出冷水、热水混合的公式。 一七五○年由德国移民到圣彼得堡的理奇蒙（Richmann）院士也做了一系列热量的研究，他将不同温度的水混合，研究热量的损失，并改进克拉夫特的公式。 此公式虽不正确，但他却指出混合前后，热量要相等的概念。 一七五五年，兰勃特（Johann Heinrich Lambert）院士才将热量与温度的概念加以区别和澄清。 一七八九年出生于美国后到德国而受封的伦福伯爵（Count Rumford）在慕尼黑兵工厂监督大炮钻孔，发现热是因摩擦而产生，因而断言，热不是物质而是来自运动。 一七九九年英国化学家戴维（Sir Humphry Davy）在维持冰点的真空容器中进行摩擦的实验，发现即使是两块冰相互摩擦也有些冰熔化成水，所以他认为摩擦引起物体微粒的振动，而这种振动就是热。 第二个阶段：十九世纪中到十九世纪七○年代末 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。 卡诺（1796.6.1-1832.8.24）法国物理学家 卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代，他看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超过自己国家生产的