物理学热学167;宏观与微观描述方法.ppt

普通物理教程普通物理教程 热学热学杨远贵杨远贵淮北师范大学淮北师范大学E-mail:热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉。热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉。恩格斯恩格斯教材内容教材内容o第一章第一章导论导论o第二章第二章分子动理学理论的平衡态理论分子动理学理论的平衡态理论o第三章第三章输运现象与分子动理学理论的非平输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论衡态理论 o第四章第四章热力学第一定律热力学第一定律o第五章第五章热力学第二定律热力学第二定律o第六章第六章物态与相变物态与相变 基本框架基本框架热力学热力学第零定律第零定律热平衡热平衡温度温度热力学热力学第一定律第一定律能量守恒能量守恒内能、功内能、功热量、焓热量、焓热力学热力学第二定律第二定律过程方向过程方向熵熵热力学热力学第三定律第三定律温度极限温度极限绝对零度绝对零度 本课程主要讨论以下三部分内容：本课程主要讨论以下三部分内容：（1 1）热力学基础；）热力学基础；（2 2）统统计计物物理理学学的的初初步步知知识识（以以分分子子动动理理论论的的内容为主）；内容为主）；（3 3）气体、液体、固体、相变等物性学方面的）气体、液体、固体、相变等物性学方面的基本知识。基本知识。以后在以后在“热力学与统计物理热力学与统计物理”、“固体物固体物理理”等课程中还要对热物理学的相关内容作等课程中还要对热物理学的相关内容作更深入的讨论。更深入的讨论。课程要求课程要求o上课不可迟到、早退上课不可迟到、早退o课堂不可接打电话课堂不可接打电话o按时并独立地完成作业按时并独立地完成作业o平时成绩：出勤、作业、课堂学习状态、回平时成绩：出勤、作业、课堂学习状态、回答问题等占答问题等占30%o期末考试：期末考试：70%热学简史热学简史o早期发展简述早期发展简述 o热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立o分子运动论的发展分子运动论的发展早期发展简述：早期发展简述：温度的定义和热机的研制温度的定义和热机的研制o1.对温度的研究对温度的研究15931593年，伽利略年，伽利略利用空气热胀冷利用空气热胀冷缩的性质，制成缩的性质，制成了温度计的雏形。了温度计的雏形。2.热机的发展 o“蒸汽机是一个真正的国际发明，而这个事实又证实了蒸汽机是一个真正的国际发明，而这个事实又证实了一个巨大的历史进步。一个巨大的历史进步。”o16951695年，法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作不便，年，法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作不便，不安全。不安全。o17051705年，钮科门和科里制造了新蒸汽机，有一定实用价年，钮科门和科里制造了新蒸汽机，有一定实用价值，但用水冷却气缸，能量损失很大。值，但用水冷却气缸，能量损失很大。o17691769年，英国技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，年，英国技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的工业革命。提高，导致了欧洲的工业革命。o17851785年，热机被应用于纺织。年，热机被应用于纺织。o18071807年，热机被美国人富尔顿应用于轮船，年，热机被美国人富尔顿应用于轮船，18251825年被用年被用于火车和铁路。于火车和铁路。萨维里的蒸汽机萨维里的蒸汽机托马斯托马斯纽可门的蒸汽机纽可门的蒸汽机瓦瓦特特像像瓦特发明的蒸汽机瓦特发明的蒸汽机18071807年年3.3.量热学和热传导理论的建立量热学和热传导理论的建立o在在1818世纪前半叶，人们对什么是温度，什么世纪前半叶，人们对什么是温度，什么是热量的概念含糊不清，热学要发展，有关是热量的概念含糊不清，热学要发展，有关热学的一系列概念就需要有科学的定义。热学的一系列概念就需要有科学的定义。o经彼得堡院士里赫曼于经彼得堡院士里赫曼于17441744年开始，英国人年开始，英国人布拉克和他的学生伊尔文等逐步工作，终于布拉克和他的学生伊尔文等逐步工作，终于在在17801780年前后，温度、热量、热容量、潜热年前后，温度、热量、热容量、潜热等一系列概念都已形成。等一系列概念都已形成。4.热本性说的争论热本性说的争论 o1）认为热是一种物质，即热质说。认为热是一种物质，即热质说。代表人物：伊壁鸠鲁、付里叶、卡诺。代表人物：伊壁鸠鲁、付里叶、卡诺。o2 2）认为热是物体粒子的内部运动。）认为热是物体粒子的内部运动。代表人物：笛卡尔、胡克、罗蒙诺索夫，代表人物：笛卡尔、胡克、罗蒙诺索夫，伦福德。伦福德。他们认为：他们认为：“尽管看不到，也不能否定分尽管看不到，也不能否定分子运动是存在的。子运动是存在的。”热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立 o一、定律诞生的背景一、定律诞生的背景o1）为蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究）为蒸汽机的进一步发展，迫切需要研究热和功的关系，以提高热机效率，适应生产热和功的关系，以提高热机效率，适应生产力发展的需要。力发展的需要。o2）能量转化与守恒思想的萌发）能量转化与守恒思想的萌发o二、确立能量转化与二、确立能量转化与守恒定律的三位科学家守恒定律的三位科学家o迈尔曾是一位随船医生，在一次驶往印度尼西亚的航行中，给迈尔曾是一位随船医生，在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮，生病的船员做手术时，发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮，这引起了迈尔的沉思。这引起了迈尔的沉思。o他认为，食物中含有的化学能，可转化为热能，在热带情况下，他认为，食物中含有的化学能，可转化为热能，在热带情况下，机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的氧。迈尔的结论是：机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的氧。迈尔的结论是：“因此力（能量）是不灭的，而是可转化的，不可称量的客体因此力（能量）是不灭的，而是可转化的，不可称量的客体”。o迈尔在迈尔在18411841年、年、18421842年撰文发表了他的观点，在年撰文发表了他的观点，在18451845年的论文年的论文中，更明确写道：中，更明确写道：“无不能生有，有不能变无。无不能生有，有不能变无。”o“在死的或活的自然界中，这个力（能）永远处于循环和转化在死的或活的自然界中，这个力（能）永远处于循环和转化之中。之中。”o迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。o恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。德国的迈尔德国的迈尔(1814-1878)亥姆霍兹亥姆霍兹 o德国科学家，他认为，德国科学家，他认为，大自然是统一的，自然大自然是统一的，自然力力(即能量即能量)是守恒的。是守恒的。o1847年，发表著名论年，发表著名论文力的守恒，把能文力的守恒，把能量概念从机械运动推广量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒到普遍的能量守恒。焦耳的实验研究焦耳的实验研究 o焦耳是英国著名的实验物理学家，家境富裕。焦耳是英国著名的实验物理学家，家境富裕。1616岁在名家岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。o当时电机刚出现，焦耳在当时电机刚出现，焦耳在18411841年发表文章指出年发表文章指出:“:“热量与热量与导体电阻和电流平方成正比。导体电阻和电流平方成正比。”这就是著名的焦耳这就是著名的焦耳楞楞次定律。次定律。o探求热和得到的或失去的机械功之间是否存在一个恒定的探求热和得到的或失去的机械功之间是否存在一个恒定的比值，又成了焦耳感兴趣的问题。比值，又成了焦耳感兴趣的问题。18451845年，焦耳为测定机年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。并反复改进，反复实验。o18491849年发表论热功当量。年发表论热功当量。o18781878年发表热功当量的新测定，最后得到的数值为年发表热功当量的新测定，最后得到的数值为423.85423.85公斤公斤米米/千卡。千卡。o焦耳测热功当量用了三十多年，实验了焦耳测热功当量用了三十多年，实验了400400多次，付出大多次，付出大量的辛勤劳动。量的辛勤劳动。焦尔测量热功当量的一种实验装置焦尔测量热功当量的一种实验装置-浆叶浆叶实验实验焦焦耳耳像像分子运动论的发展分子运动论的发展 o1 1、早期的分子运动论、早期的分子运动论 1 1）德莫克里特（公元前）德莫克里特（公元前460-460-前前371371）：）：认为物质皆由各种不同微粒组成。认为物质皆由各种不同微粒组成。2 2）16581658年，伽桑狄提出，物质是由分年，伽桑狄提出，物质是由分子构成的。子构成的。2、克劳修斯的理想气体分子模型、克劳修斯的理想气体分子模型 o1857年发表论热年发表论热运动的类型的文章，运动的类型的文章，以十分明晰和信服，以十分明晰和信服的推理，建立了理想的推理，建立了理想气体分子模型和压强气体分子模型和压强公式，引入了平均自公式，引入了平均自由程的概念由程的概念。3、麦克斯韦的贡献、麦克斯韦的贡献o18601860年，麦克斯韦发年，麦克斯韦发表了气体动力论的表了气体动力论的说明，第一次用概说明，第一次用概率的思想，建立了麦率的思想，建立了麦克斯韦分子速率分布克斯韦分子速率分布律。律。4、玻尔兹曼的工作、玻尔兹曼的工作o在麦氏速率分布率的在麦氏速率分布率的基础上，第一次考虑基础上，第一次考虑了重力对分子运动的了重力对分子运动的影响，建立了更全面影响，建立了更全面的玻尔兹曼分布律，的玻尔兹曼分布律，建立了知名过程方向建立了知名过程方向性的玻尔兹曼性的玻尔兹曼H H定理，定理，建立了玻尔兹曼熵公建立了玻尔兹曼熵公式。式。5、统计物理学的创立、统计物理学的创立o在克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼研究的基础上，吉布斯提出：“热力学的发现基础建立在力学的一个分支上”，吉布斯由此建立了统计力学。o1902年发表了统计力学的基本理论，建立了完整的“系综理论”。普通物理教程普通物理教程 热学热学1.1 1.1 宏观描述方法与微观描述方法宏观描述方法与微观描述方法1.1.1 1.1.1 热学的研究对象及其特点热学的研究对象及其特点1.1.2 1.1.2 宏观描述方法与微观描述方法宏观描述方法与微观描述方法1.1.1 1.1.1 热学的研究对象及其特点热学的研究对象及其特点（一）热物理学（一）热物理学（thermal physicsthermal physics）o热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相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。联系的各种规律的科学。宏宏观观物物质质，由由大大量量微微观观粒粒子子组组成成，微微观观粒粒子子（例例如如分分子子、原原子子等等）都都处处于于永永不不停停息息的的无无规规热热运运动中。动中。o正正是是大大量量微微观观粒粒子子的的无无规规热热运运动动，才才决决定定了了宏宏观物质的热学性质。观物质的热学性质。o热热物物理理学学渗渗透透到到自自然然科科学学各各部部门门，所所有有与与热热相相联系的现象都可用热学来研究。联系的现象都可用热学来研究。（二）热学研究对象的特征（二）热学研究对象的特征o热热物物理理学学研研究究的的是是由由数数量量很很大大很很大大的的大大数数微微观观粒粒子子所组成的系统所组成的系统。o若若光光滑滑底底面面上上有有N N 个个弹弹性性刚刚球球,确确定定一一个个球球的的运运动动情况需要情况需要x,y,vx,y,vx x,v,vy y 4 4个独立坐标个独立坐标,o需要列出需要列出4 4个独立方程。个独立方程。oN N 个弹性刚球需要个弹性刚球需要 4 4n n 个独立方程。个独立方程。o 可是容器中的气体分子是如此之多可是容器中的气体分子是如此之多,例如例如:o 1mol 1mol物质中就有物质中就有6106102323个分子个分子,o 因而需要有因而需要有641064102323个方程。个方程。o 对于这个数量的大小我们缺乏感性认识。对于这个数量的大小我们缺乏感性认识。如何理解宇宙年龄的数量级的大小？如何理解宇宙年龄的数量级的大小？o我们知道宇宙现今年龄为我们知道宇宙现今年龄为10101010年数量级，年数量级，o确切些说是确切些说是137137亿年。亿年。o1 1年年=36586400=36586400秒秒10107 7秒秒,o10101010年年10101717秒秒。o解解微微分分方方程程组组首首先先要要写写出出微微分分方方程程，还还要要写写出出已已知知条条件件。简简单单些些，我我们们不不要要求求写写了了，只只要要求求数数出出所所必必须须解解出出的的微微分分方方程程的的个个数数。因因为为微微分分方方程程的的个个数数是是和和弹弹性性刚刚球球的的数数量量级级相同的。相同的。o假如有一个假如有一个“超人超人”，他从宇宙大爆炸那一刻起，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，若他与宇宙同时诞生，并与宇宙的年龄相同，若他1 1秒数秒数1010个分子，则他数到现今才数了个分子，则他数到现今才数了10101717个分子个分子,差不多相当于差不多相当于1010-6-6摩尔分子。显然，人类不可能摩尔分子。显然，人类不可能造出一部能计算造出一部能计算10102323个粒子的运动方程的计算机。个粒子的运动方程的计算机。o即即使使能能做做到到，对对我我们们也也意意义义不不大大，因因为为我我们们所所关关心心的的是是气气体体的的宏宏观观性性质质，即即相相应应微微观观量量的的统统计计平平均值。均值。o热热物物理理学学研研究究对对象象的的这这一一特特点点决决定定了了它它有有宏宏观观的的与微观的两种不同的描述方法与微观的两种不同的描述方法。1.1.2 1.1.2 宏观描述方法与微观描述方法宏观描述方法与微观描述方法o大大数数粒粒子子作作为为一一个个整整体体，存存在在着着统统计计相相关关性性，这这种种相相关关性迫使这个集体要遵从一定的统计规律。性迫使这个集体要遵从一定的统计规律。o对对大大数数粒粒子子统统计计所所得得的的平平均均值值就就是是平平衡衡态态系系统统的的宏宏观观可可测定的物理量。测定的物理量。o系系统统的的粒粒子子数数越越多多，统统计计规规律律的的正正确确程程度度也也越越高高。相相反反，粒粒子子数数少少的的系系统统的的统统计计平平均均值值与与宏宏观观可可测测定定量量之之间间的的偏偏差较大，有时甚至失去它的实际意义。差较大，有时甚至失去它的实际意义。o正正因因为为如如此此，热热学学有有宏宏观观描描述述方方法法（热热力力学学方方法法)）与与微微观观描描述述方方法法（统统计计物物理理学学的的方方法法）之之分分。它它们们分分别别从从不不同同角角度度去去研研究究问问题题，自自成成独独立立体体系系，相相互互间间又又存存在在千千丝丝万缕的联系。万缕的联系。（一）宏观与微观的两种不同描述方法（一）宏观与微观的两种不同描述方法(二二)热力学热力学（Thermodynamics)Thermodynamics)o热热力力学学是是热热物物理理学学的的宏宏观观理理论论，它它从从对对热热现现象象的的大大量量的的直直接接观观察察和和实实验验测测量量所所总总结结出出来来的的普普适适的的基基本本定定律律出出发发，应应用用数数学学方方法法，通通过过逻逻推推理理及及演演绎绎，得得出出有有关关物物质质各各种种宏宏观观性性质质之之间间的的关关系系、宏宏观观物物理理过过程进行的方向和限度等结论。程进行的方向和限度等结论。o热热力力学学基基本本定定律律是是自自然然界界中中的的普普适适规规律律，只只要要在在数数学学推推理理过过程程中中不不加加上上其其它它假假设设，这这些些结结论论也也具具有有同同样的可靠性与普遍性。样的可靠性与普遍性。o对对于于任任何何宏宏观观的的物物质质系系统统。不不管管它它是是天天文文的的、化化学学的的、生生物物的的系系统统，也也不不管管它它涉涉及及的的是是力力学学现现象象、电电学学现现象象只只要要与与热热运运动动有有关关，总总应应遵遵循循热热力力学学规律。规律。爱因斯坦晚年（爱因斯坦晚年（19491949年年)说过：说过：o热热力力学学是是具具有有最最大大普普遍遍性性的的一一门门科科学学，它它不不同同于于力力学学、电电磁磁学学，因因为为它它不不提提出出任任何何一一个个特特殊殊模模型型，但但它又可应用于任何的宏观的物质系统它又可应用于任何的宏观的物质系统.“一一个个理理论论，如如果果它它的的前前提提越越简简单单，而而且且能能说说明明各各种种类类型型的的问问题题越越多多，适适用用的的范范围围越越广广，那那么么它它给给人人的的印印象象就就越越深深刻刻。因因此此,经经典典热热力力学学给给我我留留下下了了深深刻刻的的印印象象。经经典典热热力力学学是是具具有有普普遍遍内内容容的的唯唯一一的的物物理理理理论论，我我深深信信，在在其其基基本本概概念念适适用用的的范范围围内是绝对不会被推翻的。内是绝对不会被推翻的。”热力学的局限性：热力学的局限性：（1 1）它只适用于粒子数很多的宏观系统；）它只适用于粒子数很多的宏观系统；（2 2）它它主主要要研研究究物物质质在在平平衡衡态态下下的的性性质质.它它不不能能解解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程；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。）它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。它它只只能能说说明明应应该该有有怎怎样样的的关关系系，而而不不能能解解释释为为什什么有这种基本关系。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。子动理论或统计物理方法予以解决。（三）统计物理学（三）统计物理学（Statistical physics)Statistical physics)o统统计计物物理理学学则则是是热热物物理理学学的的微微观观描描述述方方法法，它它从从物物质质由由大大数数分分子子、原原子子组组成成的的前前提提出出发发，运运用用统统计计的的方方法法，把把宏宏观观性性质质看看作作由由微微观观粒粒子子热热运运动动的的统统计计平平均均值值所所决决定定,由由此找出微观量与宏观量之间的关系。此找出微观量与宏观量之间的关系。o微微观观描描述述方方法法的的局局限限性性在在于于它它在在数数学学上上常常遇遇到到很很大大的的困困难难，由由此此而而作作出出简简化化假假设设（微微观观模模型型）后后所所得得到到的的理理论论结结果果常常与与实实验不能完全符合。验不能完全符合。