材料力学第一章2

1热学部分主要内容第一章 热力学系统的平衡态及状态方程第二章 热平衡态的统计分布律第三章 近平衡态中的输运过程第四章 热力学第一定律第五章 热力学第二定律和第三定律第六章 单元系的相变与复相平衡基础物理学2每个班级都依次写在一张表上，由各系大学委或大班长汇总后 9月 16日以前必须选完发回给谢晓慧老师。联系方式如下：email: ，有问题，电话或实验楼3-105室大课间找。3概 论概 论研究热力学系统的热现象和热运动规律。热力学系统 ： 包含 大量 分子、原子的 宏观 系统，简称 系统 。系统以外的物体称为 外界 。热现象 : 大量 分子 无规则 运动的集体表现(1mol: NA = 6.022 1023; 布朗运动 ) 分子热运动 层次不同 ! 层次观 ：各层次以 次层次 为基础，又有本层次的规律4概 论热学的两种研究方法 两种理论 1. 宏观方法 宏观理论 (热力学 ) 引入描述热力学系统宏观性质的 宏观物理量 (如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等) 大量观测和实验 + 逻辑推理 (运用数学 ) 热力学定律（ 0， 1， 2， 3） 优点： 精确可靠、普遍 缺点：不追究微观机制， 未揭示微观本质5概 论2. 微观方法 微观理论 (统计物理 ) 对热力学系统内的微粒的行为作出 假设(单个粒子遵从牛顿定律 , 整体服从无序假设等 ) 引入描述热力学系统微观性质的 微观物理量如质量、速度、能量、动量等物质的微观结构和假设 + 统计平均方法 微观理论： 统计物理 (统计力学 )其初级理论 (气体 )： 气体动理论 (气体分子运动论 )优点： 揭示了热现象的微观本质 。缺点： 可靠性、普遍性差 （与模型近似有关） 两种方法 相辅相成 。如何联系？ 6概 论宏观量 : 表征 大量 分子 集体特征 的物理量 , 如温度等微观量 : 描述 单一 分子的物理量 , 如分子速度等二者的关系 : 宏观量是微观量的 统计平均 统计平均 : 一个宏观状态可以对应不同微观状态 , 若N次测量中测得 NA次 MA值 , NB次 MB值 , 则 实际测量中每次测量结果与之差值称为 涨落 或 起伏 .7概 论微观粒子观察和实验出 发 点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质二者关系无法自我验证不深刻缺 点揭露本质普遍，可靠优 点统计平均方法力学规律总结归纳逻辑推理方 法微观量宏观量物 理 量热现象热现象研究对象微观理论（统计物理学）宏观理论（热力学）8参考书 ：1、张三慧 热学 （工科，清华） 2、赵凯华 热学 （理科，北大）3、秦允豪 普通物理学教程 热学 第二版，高等 教育出版社 . 2004年 6月 .4、包科达 热物理学基础 高等教育出版社 . 2001年 12月5、常树人 热学 南开大学出版社 . 2001年 7月 .6、李洪芳 热学 第二版，高等教育出版社 . 2001年 1月7、张玉民 基础物理教程丛书 热学 科学出版社 中国科学技术大学出版社 . 2000年 5月 . 概 论9第一章 热力学系统的平衡态及状态方程1-1. 物质结构的基本图像1-2. 热力学系统及其状态参量 1-3. 平衡态的概念 1-4. 温度与温标 1-5. 状态方程的一般讨论1-6. 气体的状态方程 101-1. 物质结构的基本图像第一章 热力学系统的平衡态及状态方程一 .物质由分子、原子等微观粒子组成， 微观粒子 之间存在一定的空隙；二 .物质分子处于永不停顿的无规则状态运动 ；三 .分子之间存在相互作用113. 石墨与硅单晶材料表面的 STM图像2. 水和酒精的混合1. 1cm3的空气中包含有 2.71019 个分子石墨的表面原子结构硅的 77表面原子结构纳米硅体内的原子结构第一章 热力学系统的平衡态及状态方程121. 气体、液体、固体的扩散水和墨水的混合 相互压紧的金属板2. 布郎运动第一章 热力学系统的平衡态及状态方程13假定分子间的相互作用力有球对称性时 ，分子间的相互作用 (分子力 )可近似地表示为式中 r表示两个分子中心的距离 , 、 、 s 、 t 都是正数 , 其值由实验确定。分子力表现为斥力 分子力表现为引力 由 分子力与分子距离的关系，有( 平衡位置 )斥力引力(分子力与分子间距离的关系 )第一章 热力学系统的平衡态及状态方程14一切宏观物体都是由大量分子组成的，分子都在永不停息地作无序热运动，分子之间有相互作用的分子力。 分子运动论的基本概念 :第一章 热力学系统的平衡态及状态方程15一 .系统和外界1. 热力学系统热力学所研究的具体对象，简称系统。系统由大量存在互作用的分子组成 ,如气缸内气体2. 外界 :系统以外的物体1-2. 热力学系统及其状态参量系统第一章 热力学系统的平衡态及状态方程3. 系统与外界可以有相互作用例如：热传递、质量交换等16 开放系统 (open system)系统与外界之间 ,既有 物质 交换 ,又有 能量 交换。二 .热力学 系统的分类1. 根据 系统与外界的关系 封闭系统 (closed system)系统与外界之间 ,没有物质交换 ,只有 能量 交换。 孤立系统 (isolated system)系统与外界之间 ,既无物质交换 ,又无能量交换。 绝热系统 (adiabatic system)系统与外界之间 ,可能 有物质 ,机械 ,电磁等能量交换。第一章 热力学系统的平衡态及状态方程172. 根据 系统的组成成分 单元系统 由一种化学成分组成的系统。如氧气、氮气、纯金属、水、 CO2等。 多元系统 由多种化学成分组成的系统。如空气、盐水、合金等。3. 根据 系统组成的均匀性 单相系统 复相系统只有一种物相组成的系统。（ 均匀系统 ）（非 均匀系统 ） 有多种物相组成的系统。如处于气相，或通常的液相或固相的系统。如处于水和水蒸气共存状态的系统。第一章 热力学系统的平衡态及状态方程18三 .状态量与过程量 用来确定系统状态的物理量 ,称为系统的 状态 (参 )量 。 如果物理量受到系统达到某一状态前的过程影响，(随不同过程而异 )，则是 过程量 。如 A， Q等系统的 状态参量 (几何、力学、电磁、化学、热学 ):体积 (V); 第一章 热力学系统的平衡态及状态方程也可以称为系统的热力学坐标。如 T, p, E内 等。压强 (p); 电磁学基本物理量 (如 P、 M)；摩尔数 ()； 温度 (T)1mol: NA = 6.022 1023mol-119一 .平衡态 1-3. 平衡态的概念 第一章 热力学系统的平衡态及状态方程 不受外界影响 的系统必达到 平衡 (状 )态 ； 系统的 宏观状态参量 不随 时间 改变 ; 系统内 微观的热运动 达到 最无序 的状态 .在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。例：气体的自由膨胀二 .平衡态的性质20(1) 不受外界影响 指系统与外界 不通过作功或传热的方式交换能量，但可处于均匀的外力场中；处于重力场中气体系统的 粒子数密度随高度变化，低温高温两头 处于冰水、沸水中的金属棒如：说明：是一种 稳定态 ，而 不是平衡态 ；但它 是 平衡态 。(2) 平衡是 热动平衡 ，是 微观运动的平均效果不变。第一章 热力学系统的平衡态及状态方程21其宏观性质只用 几个 称为 状态参量 的宏观量描写。 系统内微粒的运动的 统计规律 简单 . 特别有： 平衡态的气体 系统宏观量可用一组确定的值 (p,V,T)表示。除特别说明，以后只讨论平衡态。 对一定质量的气体 , 可用 p,V,T中任两个为坐标轴 , 坐标系中 每个点都对应一个平衡态 .(3) 平衡态是 最简单 的状态：第一章 热力学系统的平衡态及状态方程若两系统发生热接触后能继续处于原来的平衡态而不发生变化 , 则称这两个系统处于 热平衡 .三 .系统间的热平衡221-4. 温度与温标宏观上： 物体的冷热程度； 微观上： 反映物质内部分子运动剧烈程度；温度： 与 分子热运动 的 剧烈程度 有关的物理量。一 .热力学第零定律分别与第三个系统处于热平衡的两个系统，它们彼此也必定处于热平衡 . 热平衡的互通性 设 A系统和 B系统、 B系统和 C系统分别热平衡，则 A系统和 C系统一定热平衡。 热力学第零定律处于热平衡的两个系统，它们的温度必定相等。23二 . 温标 温标：(国际规定 :水的三相点温度为 273.16 K；理想气体温标：水的三相点温度为 273.15 K)第一章 热力学系统的平衡态及状态方程-经验温标，理想气体温标，热力学温标，国际实用温标温度 (高低的数值标定 )的 数值 表示方法。 温标的三要素：测温物质、测温属性、固定标准点 常见 温标24 华氏温标 摄氏温标 t（ ）经验温标理想气体温标 T(K)热力学温标 T(K)国际实用温标 (ITS) ITS-90第一章 热力学系统的平衡态及状态方程251-5. 状态方程的一般讨论第一章 热力学系统的平衡态及状态方程一 .状态方程的基本概念V,P,T是常见的描述系统宏观状态及性质的状态参量平衡态热力学系统状态参量之间的函数关系： 热力学系统状态方程 ,简称 状态方程态函数 ：可由独立变化的状态参量完全确定的状态参量或其他物理量 . 如p-V-T三维曲面 , 不便观察分析 . 通常投影成 p-V图 , p-T图， V-T图26第一章 热力学系统的平衡态及状态方程二 .描述物质状态变化性质的物理量根据测量的可行性，引入如下物理量描述热力学系统状态变化的基本性质 .(1)体膨胀系数 :(2)等温压缩系数 :(3)等体压强系数 :可以证明：中只有两个可以独立变化。即27第一章 热力学系统的平衡态及状态方程一 .理想气体理想模型，宏观特征：严格遵守 Bolye定律 、 Charles定律 、 Gay-Lussac定律 ，且其压强温度系数和体膨胀系数严格相等。温度越高、压强越低，近似越好或： 严格遵守 Clabeyron方程的气体实际气体多数情况下可近似为理想气体，1-5. 气体的状态方程28二 .理想气体状态方程混合气体时：表观摩尔质量 :气体系统处于平衡态时，可用 P、 V、 T之间的函数关系表示，称为 状态方程 压强不太大，温度不太低时，气体遵从 理想气体状态方程 (Clapeyron方程 ):第一章 热力学系统的平衡态及状态方程29 Dalton分压定律混合气体的总压强等于各气体的分压强之和。