大学物理-多媒体课件 -1 温度(自学提纲).ppt

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1、1 热热学学研研究究宏宏观观物物体体（大大量量分分子子原原子子系系统统，热热力学系统力学系统）与热现象有关的性质和规律。与热现象有关的性质和规律。如何描述和研究？如何描述和研究？系统系统外界外界热现象的本质？热现象的本质？大量粒子无规则热运动。大量粒子无规则热运动。热力学热力学 统计力学统计力学核心概念：核心概念：温度温度一、关于热学一、关于热学2一个不受外界影响的系统，称为孤立系统。一个不受外界影响的系统，称为孤立系统。二、热力学的研究方法二、热力学的研究方法m孤立系统孤立系统例：例：研究理想气体的压强研究理想气体的压强研究系统的宏观性质。研究系统的宏观性质。m孤立系统的平衡态孤立系统的平衡

2、态 在在不不受受外外界界影影响响的的条条件件下下，系系统统的的宏宏观观性性质不随时间变化的状态质不随时间变化的状态 平衡态。平衡态。3 严严格格定定义义：对对于于一一个个孤孤立立系系统统，系系统统的的无无序序程度最大程度最大（最混乱最混乱）的状态，称为平衡态。的状态，称为平衡态。例例.平衡态和稳定态平衡态和稳定态平衡态平衡态T1 T1稳定态稳定态 T1 T2稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。稳定态可以划分成一系列近似的平衡态。哪个是平衡态？哪个是平衡态？平衡态判据：平衡态判据：系统内部温度均匀、压强均匀。系统内部温度均匀、压强均匀。T1T24p,V,Tm平衡态可以用平衡态可以用宏观参量宏观参

3、量描述描述“准静态过程准静态过程”平衡态平衡态准准静静态态过过程程：每每一一时时刻刻系系统统都都无无限限接接近近于于平平衡衡态的过程。态的过程。对对 “无限缓慢无限缓慢”的实际过程的近似描述。的实际过程的近似描述。5p,V,T1、热力学、热力学（thermodynamics）例例.理想气体状态方程理想气体状态方程l用宏观参量描述系统用宏观参量描述系统l实验实验宏观量间基本关系宏观量间基本关系分子数密度分子数密度 玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量6热力学如何定义温度热力学如何定义温度？m热热平平衡衡态态：由由导导热热板板隔隔开开（或或直直接接接接触触）的两个系统，达到的共同平衡态。的两个系统，达到的共同

4、平衡态。m热平衡定律热平衡定律（热力学第零定律热力学第零定律）分分别别与与第第三三个个系系统统处处于于同同一一热热平平衡衡态态的的两个系统必然也处于热平衡。两个系统必然也处于热平衡。AB绝热壁绝热壁导热板导热板绝热壁绝热壁7m定义温度：定义温度：两个（或多个）热力学系统处于同一热平衡两个（或多个）热力学系统处于同一热平衡态时，它们必然具有某种共同的宏观性质。态时，它们必然具有某种共同的宏观性质。处于热平衡的多个系统有相同的温度。处于热平衡的多个系统有相同的温度。这一共同的宏观性质，称为系统的这一共同的宏观性质，称为系统的温度。温度。“冷热程度冷热程度”日常对温度的理解日常对温度的理解给出了测温

5、（温标）的原理。给出了测温（温标）的原理。m热力学特点热力学特点：普遍、可靠。普遍、可靠。但微观本质揭示不够。但微观本质揭示不够。8 对对粒粒子子的的微微观观量量，例例如如位位置置、速速度度、动动量量、转转动动、振振动动等等，通通过过统统计计平平均均推推导导系系统统的的热热力力学学性性质质，将将系系统统的的微微观观性性质质与与宏宏观观性性质质联联系系起起来，这就是统计热力学的研究方法来，这就是统计热力学的研究方法。物物质质的的宏宏观观性性质质决决定定于于微微观观粒粒子子的的不不停停运运动动。虽虽然然每每个个粒粒子子都都遵遵守守力力学学定定律律，但但无无法法用用力力学学中的微分方程去描述系统整体

6、运动状态。中的微分方程去描述系统整体运动状态。2、统计力学、统计力学（statistical mechanics）9对器壁单位面积受力作统计平均得对器壁单位面积受力作统计平均得平动动能的统计平均值平动动能的统计平均值【演示演示】气体压强模拟气体压强模拟例例.理想气体的压强理想气体的压强10（统计力学）（统计力学）（热力学）（热力学）揭示了温度的微观意义：揭示了温度的微观意义：温度反映了物体内温度反映了物体内部分子无规则运动的激烈程度。部分子无规则运动的激烈程度。统计力学统计力学 揭示微观本质，揭示微观本质，但与模型相关。但与模型相关。按粒子遵循经典力学规律统计按粒子遵循经典力学规律统计 经典统

7、计经典统计按粒子遵循量子力学规律统计按粒子遵循量子力学规律统计 量子统计量子统计11 一一个个小小球球落落在在哪哪里里有有偶偶然然性性；少少量量小小球球的的分分布布每每次次都都可可能能不不同同；大大量量小小球球的的分分布布却是稳定的。却是稳定的。统统计计规规律律：对对大大量量偶偶然然事事件件整整体体起起作作用用的的稳稳定的规律定的规律 。【演示演示】伽尔顿板伽尔顿板三、统计规律三、统计规律12Monte Carlo方法介绍方法介绍例例1.湖水面积湖水面积 A 的测量的测量A A0 NnN随机随机试验点数试验点数n落入湖内落入湖内试验点数试验点数N 涨落涨落 涨落涨落（fluctuation）：

8、）：相对统计平均值的差相对统计平均值的差A0已知面积已知面积13D Dxxixf(x)ab1、数值方法、数值方法例例2.计算积分计算积分格点数格点数 n 100，对三重积分，对三重积分 n 1003占用空间大占用空间大142、Monte Carlo方法方法累加计算，占用空间小累加计算，占用空间小误差误差 1/n：随机数：随机数：随机实验点数：随机实验点数xf(x)abxi15例例3.可裂变材料可裂变材料中子粒子输运过程中子粒子输运过程计算计算 依依据据物物理理规规律律，用用01间间的的随随机机数数表表示示何何种种反反应应及及在在何何处处发发生生。统统计计每每一一步步反反应应所所产产生生的的中中子子，g-g-光光子子等等粒粒子子数数，再再现现中中子子粒粒子子的的输输运过程。运过程。161.n碰撞碰撞 g g2.裂变裂变 g g3.n捕获捕获4.n逃逸逃逸5.g g 碰撞碰撞6.g g 逃逸逃逸7.g g 捕获捕获1234567中子中子(n)可裂变材料可裂变材料17Monte Carlo 中子粒子传输程序中子粒子传输程序（MCNP）Monte Carlo NParticle Transport Code SystemOak Ridge National Laboratory