热力学统计物理-完整ppt课件

2021/1/31.1热力学与统计物理学ThermodynamicsandStatisticalPhysics2021/1/31.2使用教材：热力学.统计物理汪志诚.3甲骨文：热手持火把甲骨文：火我国殷商时期五行学说：金、木、水、火、土是构成世界万物的五种基本元素，称为五行。古希腊四元素说：万物是由土、水、火、气四种元素在数量上不同比例的配合组成的。.4钻木取火伽利略温度计16世纪(明)从远古到十八世纪以前（系统的热学没有建立）青铜器.5瓦特早期蒸汽机从十八世纪开始，热机发展极大的促进了热学的发展。.6早期燃油发动机燃油发动机的出现更是促进了现代交通的发展。.7能在高温、高压和高速条件下稳定工作是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。为了保证制造涡轮的材料能够在高温燃气中可靠工作，涡轮通常都要采取复杂的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题，这项技术被称为“工业王冠上的宝石”。空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程，航空发动机内部的气动、热力和结构材料特性是如此复杂，以至于到目前为止，仍然不能够从理论上给予详尽而准确的描述，只能依靠实际发动机试验.2021/1/31.8热运动是自然界普遍存在的一种运动现象。热运动对于单个粒子来说杂乱无章，但对于整个宏观物体来说，在外界条件一定的情况下，大量微粒互相影响的结果却表象现出具有确定的宏观规律性。在一定的宏观条件下，系统演化方向一般具有确定的规律性。研究热运动的规律性以及热运动对物质宏观性质影响的理论统称为热学理论。按研究方法的不同可分为热力学与统计物理等。其中，热力学是热学的宏观理论，统计物理是热学的微观理论。2021/1/31.9热力学理论的发展DevelopmentofThermodynamics一.经典热力学1.1824年，卡诺（Carnot）：卡诺定理2.1840’s，迈尔（Mayer）,焦耳(Joule)：第一定律（能量守恒定律）3.1850’s，克劳修斯（Clausius）,（1850）开尔文（Kelvin）（1851）：第二定律熵增加原理4.1906年，能斯特（Nernst）定理绝对零度不可达到原理（1912）第三定律经典热力学特点：A.不涉及时间与空间；B.以平衡态、准静态过程、可逆过程为模型。因而，经典热力学&静热力学。.10焦耳开尔文卡诺克劳修斯普朗克玻尔兹曼2021/1/31.11二.非平衡态热力学1.翁萨格（Onsager），线性非平衡态热力学，诺贝尔奖（1968）2.普里高津（Prigogine）非线性非平衡态热力学，诺贝尔奖（1977）3.近年来•有限时间热力学•工程热力学•••OnsagerPrigogine.12十九世纪，随着气体分子运动论的发展使人们对物质的认识从宏观领域进入到微观领域。从而开辟了新的科学部门———统计物理学。热学的发展二十世纪以来，量子力学的发展使得热学由经典统计物理学发展成为量子统计物理学。量子统计物理学对固体、液体和等离子体中各种物理性质的研究，起着主导作用。.13热力学方法与统计物理描述方法1.热力学方法（宏观描述方法）是直接通过观察和实验去总结热运动的规律性的方法。热力学方法的优点：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。与热运动有关的宏观物质系统，总应遵循热力学规律.14“经典热力学给我留下了深刻的印象，它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。”爱因斯坦晚年说过：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.15热力学的局限性：3、它把物质看成为连续体，不考虑物质的微观结构；1、它只适用于粒子数很多的宏观系统；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；.162.统计物理方法（微观描述方法）是从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观物质看作由微观粒子热运动的平均值所决定，由此找出微观量与宏观量之间的关系的方法。该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。.17本课程主要讨论以下两个部分内容：（1）热力学部分（1-4章）；（2）统计物理学的知识（6-8章）；2021/1/31.18预备知识Preliminaries1.数学①多元复合函数的微分（附录A）a)偏导数与全微分b)隐函数、复合函数c)雅克比行列式d)完整微分条件和积分因子②概率基础知识（附录B）统计物理学常用的积分形式（附录C）2.物理学①热学②分子运动论③原子物理学④量子力学.19参考书目1.秦允豪，《热学》（第二版），高等教育出版社，2006热学课程教材：统计物理参考教材：1.苏汝铿《统计物理学》学习资料：1.费曼，《费曼物理学讲义》，上海科技出版社，20042.别莱利曼，《趣味物理学》，湖南教育出版，1999.20特别推荐▲费曼，《费曼物理学讲义》由诺贝尔物理学奖得主R.F.Feynmen等所著的《TheFeynmanLecturesonPhysics》汉文译本名为《费曼物理学讲义》，是迄今在世界上被引用得最多的一部物理学教材，堪称基础物理学的权威著作。从长远眼光来看，我认为我对物理学最重要的贡献不是量子电动力学，不是液氦或极化子或旋子的理论，我真正的记功碑将是我的《费曼物理学讲义》！——理查德·费曼.211.教与学是相互促进的过程，关于教学、教材等，要多提宝贵意见附：对同学的要求课程考核方式及成绩评定本课程考核方式为闭卷考试。考核由平时作业、期中考试及期末考试三部分组成，评定学期成绩还将结合平时得出综合成绩为该门课成绩。2.按时上课，认真听讲，完成作业，搞好预习和复习2021/1/3122.TheFundamentalLawsofThermodynamics2021/1/3123.目录Contents热力学系统的平衡状态及其描述热平衡定律和温度物态方程功热力学第一定律热容量和焓理想气体的内能理想气体的绝热过程理想气体的卡诺循环热力学第二定律卡诺循环热力学温标克劳修斯等式和不等式熵和热力学基本方程理想气体的熵热力学第二定律的数学表达式熵增加原理的简单应用自由能和吉布斯函数2021/1/3124.§1.1热力学系统的平衡状态及其描述定义：热力学研究的对象——宏观物质系统系统分类：⑴孤立系统：与外界没有任何相互作用的系统⑵封闭系统：与外界有能量交换，但无物质交换的系统⑶开放系统：与外界既有能量交换，又有物质交换的系统一、热力学系统（简称为系统）2021/1/3125.二、平衡状态真空孤立系统：外界对系统既不做功也不传热定义：热力学系统在不受外界条件影响下，经过足够长时间后，系统的宏观性质不随时间变化的状态),,(TVppV),,(TVp*o系统由初态达到平衡态所经历的时间称为弛豫时间。2021/1/3126.箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越界线，但两侧粒子数相同。例如：粒子数说明：处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间改变。•平衡态是一种热动平衡2021/1/3127.平衡态的特点注意1）理想化；——实际中没有绝对的孤立系统；存在微小涨落2）动态平衡。,pT1）单一性（处处相等）;2）物态的稳定性——与时间无关；3）自发过程的终点；4）热动平衡（有别于力平衡）.2021/1/3128.三、状态参量状态参量定义：系统处于平衡态时，可以表征、描述系统状态的变量几何参量：体积电磁参量：电场强度，电极化强度，磁场强度，磁化强度力学参量：压强热学参量：温度（直接表征热力学系统的冷热程度）化学参量：摩尔数，浓度，摩尔质量2021/1/3129.宏观量表征系统宏观性质的物理量如系统的体积V、压强P、温度T等，可直接测量可分为广延量和强度量广延量有累加性：如质量M、体积V、内能E等强度量无累加性：如压强P，温度T等微观量描写单个微观粒子运动状态的物理量一般只能间接测量如分子的质量m、大小d等2021/1/3130.气体的物态参量及其单位（宏观量）TVp,,1气体压强：作用于容器壁上单位面积的正压力（力学描述）.p单位：21Pa1Nm2体积:气体所能达到的最大空间（几何描述）.33331m10L10dmV单位：51atm1.01310Pa标准大气压：纬度海平面处,时的大气压.450C3温度:气体冷热程度的量度（热学描述）.T单位：（开尔文）.K2021/1/3131.简单系统：一般仅需二个参量就能确定的系统，如PVT系统。单相系：复相系：2021/1/3132.一、热力学第零定律热交换：系统之间传热但不交换粒子热平衡：两个系统在热交换的条件下达到了一个共同的平衡态。经验表明：如果两个系统A和B同时分别与第三个系统C达到热平衡，则这两个系统A和B也处于热平衡。称热力学第零定律（热平衡定律）§1.2热平衡定律和温度2021/1/3133.（1）日常生活中，常用温度来表示冷热的程度（2）在微观上，则必须说明，温度是处于热平衡系统下的微观粒子热运动强弱程度的度量温度相同是系统处于热平衡的充分且必要条件：两个处于热平衡的系统温度一定相同两个温度相同的系统一定处于热平衡为了描绘一个系统与另外一个系统处于热平衡需要一个物理量：温度2021/1/3134.态函数——温度2021/1/3135.热力学第零定律的物理意义•互为热平衡的系统之间必存在一个相同的特征，即它们的温度是相同的。•第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别两个系统是否处于热平衡的方法——测量温度是否相同。系统C（温度计）系统A系统B热平衡吗？热接触热接触2021/1/3136.二、温标定义：温度的数值表示法叫做温标以液体－摄氏温标为例（1）水银－测温度体积随温度变化－测温属性（2）1atm水冰点－0摄氏度；气点－100摄氏度（3）确定测温属性随温度的变化关系温标三要素：测温物质、固定点、测温特性与温度的关系。1经验温标：在经验上以某一物质属性随温度的变化为依据并用经验公式分度的统称经验温标三类温标：2021/1/3137.016.273VRvKptrV0不变Ptr为该气体温度计在水的三相点温度下的压强（体积不变）2、理想气体温标以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积（压强）不变时压强（体积）与温度成正比关系所确定的温标称为理想气体温标定容气体温度计trppKpT16.273)(RvpVappT0)(2021/1/3138.Ptr/mmHg373.0373.2374.02004006008001000T(p)=373.15KT(p)H2N2O2空气由气体温度计所定出的温标称为理想气体温标,它不依赖于任何气体的个性，当Ptr越低，不同气体定容温标差别越小，所指示的温度几乎完全一致。0()273.16limtrptrpTpKp定压气体温度计:trptrtrVVVKVVKVTlim16.273lim16.273)(00RvKVPtr16.2732021/1/3139.3、热力学温标一种不依赖于测温物质及其物理属性的温标,可由卡诺定理导出。单位：K(Kelvin)规定：T3=273.16K理想气体温标在有效范围内(温度在液化点之上、1000度以下)与热力学温标一致。开尔文摄氏温标与热力学温度的关系：273.15tT2021/1/3140.热力学温标、摄氏温标、华氏温标与兰氏温标汽点三相点冰点绝对零度英美等国使用671.67491.69491.670TRR兰氏温标英美等国使用21