熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理

1、熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理,2004. 2,研究對象和目的,宏觀物質(zhì)系統(tǒng)：,由大數(shù)微觀粒子組成；,無規(guī)則運(yùn)動(dòng)——熱運(yùn)動(dòng)，決定熱現(xiàn)象（物性和物態(tài)）。,研究方法,宏觀唯象理論——熱力學(xué),微觀本質(zhì)理論——統(tǒng)計(jì)物理,導(dǎo)言,熱力學(xué),以可測宏觀物理量描述系統(tǒng)狀態(tài)；,氣體：壓強(qiáng)、體積和溫度,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,熱力學(xué)基本定律,宏觀物性，,結(jié)論可靠普適；,結(jié)合實(shí)驗(yàn)才能得到具體物性；,物質(zhì)看成連續(xù)體系，不能解釋宏觀物理量漲落。,統(tǒng)計(jì)物理,從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，深入熱運(yùn)動(dòng)

2、本質(zhì)，認(rèn)為宏觀物性是大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的集體表現(xiàn)；,微觀粒子力學(xué)量,宏觀物理量,熱力學(xué)基本定律歸結(jié)為一條基本統(tǒng)計(jì)原理，闡明其統(tǒng)計(jì)意義，可解釋漲落；,借助微觀模型，近似導(dǎo)出具體物性。,第一章 熱力學(xué)的基本規(guī)律,熱力學(xué)基本概念,熱力學(xué)第一定律,熱力學(xué)第二定律,熵和熵增加原理,熱力學(xué)基本方程,§1.1 熱力學(xué)基本概念,熱力學(xué)系統(tǒng),由大數(shù)微觀粒子組成的宏觀物質(zhì)系統(tǒng),外界,與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其他物質(zhì),系統(tǒng)與外界,平衡態(tài)及其描述,

3、平衡態(tài),孤立系經(jīng)過足夠長時(shí)間（弛豫時(shí)間）后必定自發(fā)到達(dá)的狀態(tài)，宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變。,熱動(dòng)平衡——一切宏觀流動(dòng)停止，熱運(yùn)動(dòng)未停止，只是平均效果不變。,漲落——宏觀物理量圍繞平均值的微小起伏，在熱力學(xué)中忽略。,非孤立系平衡態(tài)：系統(tǒng)+外界=孤立系統(tǒng),系統(tǒng)的穩(wěn)恒態(tài)不一定是平衡態(tài)。,狀態(tài)參量,平衡態(tài)系統(tǒng)具有確定的宏觀物理量，這些量不全部獨(dú)立?？扇我膺x取一組獨(dú)立宏觀量確定平衡態(tài)。,態(tài)函數(shù),表示為狀態(tài)參量函數(shù)的其他宏觀量。,氣體：壓強(qiáng)和體積可獨(dú)立改

4、變， 為狀態(tài)參量。平衡態(tài)對應(yīng) 圖上的一點(diǎn)。,溫度與物態(tài)方程,溫度,物體的冷熱程度，,微觀上反映熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。,溫度決定于系統(tǒng)內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是態(tài)函數(shù)。,溫度概念的建立基于熱力學(xué)第零（熱平衡）定律。,理想氣體,物態(tài)方程,給出溫度與狀態(tài)參量間函數(shù)關(guān)系的方程，由實(shí)驗(yàn)測定。,氣體,可任選其中之二為狀態(tài)參量，第三個(gè)作為態(tài)函數(shù)。,準(zhǔn)靜態(tài)過程,過程,熱力學(xué)狀態(tài)變化的經(jīng)歷。實(shí)際過程必定經(jīng)歷非平衡態(tài)。,準(zhǔn)靜態(tài)

5、過程,無限緩慢進(jìn)行的理想過程，經(jīng)歷的每個(gè)狀態(tài)可視為平衡態(tài)。,氣體的緩慢膨脹和壓縮，,表示為 圖上的過程曲線。,功,系統(tǒng)與外界交換能量的宏觀方式，通過機(jī)械作用或電磁作用實(shí)現(xiàn)。,準(zhǔn)靜態(tài)過程的體脹功：,系統(tǒng)對外界,功是過程量，不是態(tài)函數(shù)增量。,熱,系統(tǒng)與外界交換能量的微觀方式，通過粒子間的相互作用實(shí)現(xiàn)，必須存在溫度差。,§1.2 熱力學(xué)第一定律,內(nèi)能和熱力學(xué)第一定律,內(nèi)能,物質(zhì)內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)總能量，包括分子無規(guī)運(yùn)

6、動(dòng)動(dòng)能，分子間相互作用勢能和分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)能量。也可包括分子在外場中的勢能。,內(nèi)能決定于系統(tǒng)內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是態(tài)函數(shù)。,通常溫度下的理想氣體,熱力學(xué)第一定律,包括熱運(yùn)動(dòng)形式的普遍能量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移守恒定律,內(nèi)能變化由初末態(tài)決定，與具體過程無關(guān)；功和熱都是過程量。,第一類永動(dòng)機(jī)不可制造。,熱容量和焓,熱容量,系統(tǒng)升高單位溫度所吸收的熱量。,熱容量決定于物質(zhì)屬性，并依賴于過程。,廣延量：正比于物質(zhì)量，具有可加性。,定容熱容量,定壓熱容量,焓,焓是態(tài)

7、函數(shù),在理想氣體中的應(yīng)用,內(nèi)能,實(shí)驗(yàn)表明，理想氣體向真空自由絕熱膨脹后，溫度不變。內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，與體積無關(guān)。,焓,熱容量,溫度變化范圍不大， 可視為常數(shù)。,單原子分子理想氣體 。,準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程,令,或,卡諾循環(huán),,,,,,,1,2,3,4,,,,,,,1→2等溫膨脹,2→3絕熱膨脹,3→4等溫壓縮,4→1絕熱壓縮,熱機(jī)效率,逆卡諾循環(huán),,,,,,,1,2,3,4,,,,,,