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第一章导论§1.1宏观描述方法与微观描述方法§1.1.1热学的研究对象及其特点（一）热物理学（thermalphysics）热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学及光学一起共同被称为经典物理四大柱石。宏观物质，由大量微观粒子组成，微观粒子（例如分子、原子等）都处于永不停息的无规热运动中。正是大量微观粒子的无规热运动，才决定了宏观物质的热学性质。热物理学渗透到自然科学各部门，所有与热相联系的现象都可用热学来研究。（二）热学研究对象的特征：热物理学研究的是由数量很大很大的大数微观粒子所组成的系统。从力学可知，若方形刚性箱的光滑底面上有n个弹性刚球。任一球在任一时刻的位置与速度可列出6个方程。n个球就有6n个方程。可是容器中的气体分子是如此之多，例如1mol物质中就有6×1023个分子。因而有6×6×1023个方程。我们知道，宇宙现今年龄为1010年数量级而1年=365×86400秒∽107秒.1010年∽1017秒.假如有一个“超人”，他从宇宙大爆炸那一刻起与宇宙同时诞生，并与宇宙的年龄相同，假如该超人一秒数10个分子，则他数到现今才1017个(相当于10-6摩尔)分子。显然，人类不可能造出一部能计算1023个粒子的运动方程的计算机。即使能做到，对我们也意义不大，因为我们所关心的是气体的宏观性质，即相应微观量的统计平均值。热物理学研究对象的这一特点决定了它有宏观的与微观的两种不同的描述方法。§1.1.2宏观描述方法与微观描述方法（一）宏观与微观的两种不同描述方法。在粒子数足够多的情况下，大数粒子作为一个整体，存在着统计相关性，这种相关性迫使这个集体要遵从一定的统计规律。对大数粒子统计所得的平均值就是平衡态系统的宏观可测定的物理量。系统的粒子数越多，统计规律的正确程度也越高。相反，粒子数少的系统的统计平均值与宏观可测定量之间的偏差较大，有时甚至失去它的实际意义。正因为如此，热学有宏观描述方法（热力学方法）与微观描述方法（统计物理学的方法）之分。它们分别从不同角度去研究问题，自成独立体系，相互间又存在千丝万缕的联系。（二）热力学（thermodynamics）热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发，应用数学方法，通过逻辑推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。对于任何宏观的物质系统。不管它是天文的、化学的、生物的……系统，也不管它涉及的是力学现象、电学现象……只要与热运动有关，总应遵循热力学规律。爱因斯坦（Einstein）晚年时（1949年）说过：“一个理论，如果它的前提越简单，而且能说明各种类型的问题越多，适用的范围越广，那么它给人的印象就越深刻。因此，经典热力学给我留下了深刻的印象。经典热力学是具有普遍内容的唯一的物理理论，我深信，在其基本概念适用的范围内是绝对不会被推翻的。”热力学是具有最大普遍性的一门科学，，它不同于力学、电磁学，因为它不提出任何一个特殊模型，但它又可应用于任何的宏观的物质系统。热力学的局限性：（1）（1）它只适用于粒子数很多的宏观系统；（2）（2）它主要研究物质在平衡态下的性质，它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程；（3）（3）它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。（4）（4）它只能说明应该有怎样的关系，而不能解释为什么有这种基本关系。要解释原因，须从物质微观模型出发，利用分子动理论或统计物理方法予以解决。（三）统计物理学（Statisticalphysics）统计物理学则是热物理学的微观描述方法，它从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定,由此找出微观量与宏观量之间的关系。微观描述方法的局限性在于它在数学上常遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得到的理论结果常与实验不能完全符合。热物理学涉及的内容很多，本课程主要讨论以下三部分内容：（1）热力学基础；（2）统计物理学的初步知识（以分子动理论的内容为主）；（3）液体、固体、相变等物性学方面的基本知识。以后在“热力学与统计物理”、“固体物理”等课程中还要对热物理学的相关内容作更深入的讨论。§1.2热力学系统的平衡态§1.2.1热力学系统（一）（一）系统与媒质热学所研究的对象称为热力学系统（简称系统System）。与系统存在密切联系（这种联系可理解为存在作功、热量传递和粒子数交换）的系统以外的部分称为外界或媒质（medium）。（二）（二）热力学与力学的区别热物理学研究方法不同于其它学科（例如力学）的宏观描述方法。我们若把位置、时间、质量及这三者的组合（如速度、动量、角速度、角动量等）中的某几个独立参数称为物体的力学坐标。利用力学坐标可描述物体任一时刻的整体的运动状态。经典力学的目的就在于找出与牛顿定律相一致的、存在于各力学坐标之间的一般关系。但是，热力学的注意力却指向系统内部，我们把与系统内部状态有关的宏观物理量（诸如压强、体积、温度等）称为热力学的参量，也称热力学坐标。热力学的目的就是要求出与热力学各个基本定律相一致的、存在于各热力学参量间的一般关系。热物理学中一般不考虑系统作为一个整体的宏观的机械运动。若系统在作整体运动，则常把坐标系建立在运动的物体上。例如，对于在作旋转运动的系统，其坐标系取在旋转轴上。§1.2.2平衡态与非平衡态（equilibriumstateandnon-equilibriumstate）系统的状态由系统的热力学参量（压强、温度等）来描述。一般它隐含着这样的假定——系统的各个部分的压强与温度都是处处相等的。下面举两个例子例1：自由膨胀实验，容器被隔板把它分隔为相等的两部分，左边充有压强0p的理想气体，右边为真空。把隔板打开，气体就自发地流入到右边真空器中，这一现象称为自由膨胀，所谓“自由”是指气体向真空膨胀时不受阻碍。在发生自由膨胀时容器中各处压强都不同，且随时间变化。我们就说这样的系统处于非平衡态。但是经过了并不很长的时间，容器中的气体压强趋于均匀，且不随时间变化，它已处于平衡态。对平衡态的定义：在不受外界条件影响下，经过足够长时间后系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态，这种状态称为平衡态（equilibrumstate）.应注意，这里一定要加上“不受外界条件影响”的限止。下面考虑第二个例子。：热传导实验，有热流不断地从沸水端流向冰水端，开始时，杆中各点处的温度随时间变化；经足够长时间，金属棒各处温度不再随时间变化，但在水平方向，各点温度不相等。热流（单位时间流过的热量）虽然不随时间变化，但它始终存在；这种状态下的金属棒仍处于非平衡态。因为热流是由外界影响所致。只要把热流切断以排除外界影响，例如使金属棒不与沸水接触，金属棒各处温度就要变化.我们把在有热流或粒子流情况下，各处宏观状态均不随时间变化的状态称为稳恒态（steadystate）也称稳态或定（常）态，（stationalystate）。是否空间各处压强、粒子数密度等不均匀的状态就一定是非平衡态呢？未必。例如在重力场中的等温大气。又如在静电场中的带电粒子气体达平衡态时其分子数密度（或压强）沿电场方向不相等。不能单纯把是否“宏观状态不随时间变化”或是否“处处均匀一致”看作平衡态与非平衡态的判别标准。正确的判别方法应该看是否存在热流与粒子流。因为热流和粒子流都是由系统的状态变化或系统受到的外界影响引起的。在自然界中平衡是相对的、特殊的、局部的与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全局的和经常的。虽然非平衡现象千姿百态、丰富多彩，但也复杂得多，无法精确地予以描述或解析。平衡态才是最简单的、最基本的。§1.2.3热力学平衡（thermodynamicequilibrinm）系统处于平衡态时应不存在热流与粒子流。热流由系统内部温度不均匀而产生，故可把温度处处相等看作是热学平衡（thermalequilibrium）建立的标准。热学平衡条件：即系统内部的温度处处相等。粒子流有两种，一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子流。这是由气体内部存在压强差异而使粒子群受力不平衡所致。故气体不发生宏观流动的一个条件是系统内部各部分的受力应平衡。力学平衡（mechanicalequilbrium）条件，即系统内部各部分之间、系统与外界之间应达到力学平衡。在通常（例如在没有外场等）情况下，力学平衡反映为压强处处相等。第二种粒子流，它不存在由于成群粒子定向运动所导致的粒子宏观迁移。下面考虑第三个例子。扩散现象（diffusion）在扩散的整个过程中，混合气体的压强处处相等，因而力学平衡条件始终满足，但是我们却看到了氧、氮之间的相互混合，即粒子的宏观“流动”。对于非化学纯物质，仅有温度压强这两个参量不能全部反映系统的宏观物征，还应加上化学组成这一热力学参量，扩散就是因为空间各处化学组成不均匀所致（另外，若混合气体有化学反应，化学组成也要变化。）由此可见，系统要建立平衡，还需满足化学平衡（chemicalequilobrium）条件。化学平衡条件是指：在无外场作用下系统各部分的化学组成也应是处处相同的。只有在外界条件不变的情况下同时满足力学、热学、化学平衡条件的系统，才不会存在热流与粒子流，才能处于平衡态。处于平衡态的系统，可以用不含时间的宏观坐标（即热力学参量）来描述它。只有处于平衡态的物理上均匀的系统，才可能在以热力学参量为坐标轴的状态图（P-V图、P-T图）上以一个确定的点表示它的状态。处于非平衡态的系统无法用处处均匀的温度T、压强P及化学组成来描述整个系统。§1.3.1温度（temperature）热物理学中最核心的概念是温度和热量。这两个概念很易发生混诸。要对温度概念作深入理解，在宏观上应对温度建立严格的科学定义，因而必须引入热平衡的概念与热力学第零定律。在微观上，则必须说明，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的度量。另外，由于处于局域平衡的子系可出现负温度所以还必须对温度概念作出更严格的定义（见选读材料2-3）.总之，随着对热运动本质的理解逐步深入，人们对温度概念的理解也会越来越深刻。§1.3.2热力学第零定律（一）绝热壁与导热壁（二）热力学第零定律在真空容器中有A、B、C三个物体，若其中C的状态在已经确定的条件下，它仍可分别与A和B处于热平衡，则A和B必也处于热平衡。在不受外界影响的情况下，只要A和B同时与C处于热平衡，即使A和B没有热接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律被称为热平衡定律。热平衡定律是否勒（Fowler）于1939年提出的，因为它独立于热力学第一、第二、第三定律，但是它又不能被列在这三个定律之后，故称它为热力学第零定律（Zerothlawofthermodynamics）.(三)热力学第零定律的物理意义热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征——它们的温度是相同的。第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的方法。在判别两个物体温度是否相同时，不一定要两物体直接接触，而可借助一“标准”的物体分别与这两个物体热接融就行了。这个“标准”的物体就是温度计。第零定律只能判别相互接触物体是否达到热平衡，而不能判别达到热平衡的物体间温度的高低，后者需借助于另一基本定律——热力学第二定律。§1.3.3温标（tamperaturescale）（一）（一）温标的建立、经验温标(1)温标。热力学第零定律指出了利用温度计来判别温度是否相同的方法。但要定量地确定温度的数值，还必须给出温度的数值表示法——温标。(2)经验温标（empiricaltemperaturescale）例如，在固定压强下液体（或气体）的体积，在固定体积下气体的压强，以及金属丝电阻或低温下半导体的电阻等都随温度单调地、较显著地变化。任何物质的任何属性，只要它随冷热程度发生单调的、较显著的改变，就可被用来计量温度。从这一意义上