物理学热学宏观与微观描述方法精品文稿.ppt
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1、物理学热学宏观与微观描述方法第1页,本讲稿共34页教材内容教材内容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衡输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论态理论 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 第2页,本讲稿共34页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
2、第三定律第三定律温度极限温度极限绝对零度绝对零度第3页,本讲稿共34页 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。第4页,本讲稿共34页课程要求课程要求o上课不可迟到、早退
3、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%第5页,本讲稿共34页热学简史热学简史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第6页,本讲稿共34页早期发展简述: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。
4、了温度计的雏形。第7页,本讲稿共34页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一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。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,不安年,法国人巴本第一个发明蒸汽机,但操作不便,不安全。全。o17051705年,钮科门和科里制造了新蒸汽机,有一定实用价值,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。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,使机年,英国技工瓦特改进了钮科门机,加了冷凝器,使
5、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。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年被用于年被用于火车和铁路。火车和铁路。第8页,本讲稿共34页萨维里的蒸汽机萨维里的蒸汽机第9页,本讲稿共34页托马斯托马斯 纽可门的蒸汽机纽可门的蒸汽机第10页,本讲稿共34页瓦瓦特特像像瓦特发明的蒸汽机瓦特发明的蒸汽机第11页,本讲稿共34页18071807年年第12页,本讲稿共34页
6、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。第13页,本讲稿共34页
7、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。”第14页,本讲稿共34页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
8、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第15页,本讲稿共34页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,给生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,这引病的船员做手术时,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。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,机体中燃他认为,
9、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: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)因此力(能量)是不灭的,而是可转化的,不可称量的客体是不灭的,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年的论文中,更明年的论文中,更明确写道: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之中。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。”o
10、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)第16页,本讲稿共34页亥姆霍兹亥姆霍兹 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,发表著名论文文力的守恒力的守恒,把能,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。第17页,本讲稿共34页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。
11、焦耳是英国著名的实验物理学家,家境富裕。1616岁在名家道岁在名家道尔顿处学习,使他对科学浓厚兴趣。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:“热量与导体电阻热量与导体电阻和电流平方成正比。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次定律。楞次定律。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比值,又成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。了焦耳感兴趣的问题。18451845年,焦耳为测定机械功和热之间的年,焦耳为测定机械功和热之间的转换关系,设计了转
12、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,并反复改进,反复实验。实验。o18491849年发表年发表论热功当量论热功当量。o18781878年发表年发表热功当量的新测定热功当量的新测定,最后得到的数值为,最后得到的数值为423.85423.85公公斤斤米米/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,付出大量的辛多次,付出大量的辛勤劳动。勤劳动。第18页,本讲稿共34页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 -浆叶实验浆叶实验焦焦耳耳像像第19页,本讲稿共34页分子运动论的发展分子运动论的发展
13、 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):认为物质皆由各种不同微粒组成。为物质皆由各种不同微粒组成。2 2)16581658年,伽桑狄提出,物质是由分子年,伽桑狄提出,物质是由分子构成的。构成的。第20页,本讲稿共34页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年发表年发表论热论热运动的类型运动的类型的文章,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
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