大学物理(第三版)热学-第一章

1、2021/6/71 B 2021/6/72 目目 录录 概述概述 第第1章章 理想气体状态方程理想气体状态方程 第第2章章 分子动理论分子动理论 第第3章章 热力学第一定律热力学第一定律 第第4章章 热力学第二定律热力学第二定律 2021/6/73 1. 对象：热力学系统对象：热力学系统 由大量分子或原子组成大量分子或原子组成 系统外的物体称系统外的物体称外界外界 热学研究对象及内容热学研究对象及内容 2. 内容：与热现象有关的性质和规律内容：与热现象有关的性质和规律 热现象：物质中大量分子热运动的集体表现。热现象：物质中大量分子热运动的集体表现。 概概 述述 2021/6/74 热学的研究方

2、法热学的研究方法 1. 宏观描述方法宏观描述方法-热力学方法热力学方法 由实验确定的基本规律，研究热现象的宏观特性和规律。由实验确定的基本规律，研究热现象的宏观特性和规律。 对系统进行整体描述。对系统进行整体描述。 2. 微观描述方法微观描述方法-统计物理方法统计物理方法 从物质的微观结构出发，用从物质的微观结构出发，用统计平均统计平均的方法，研究热的方法，研究热 现象及规律的微观本质。现象及规律的微观本质。 2021/6/75 统计物理的基本思想统计物理的基本思想- 宏观上的一些物理量是组宏观上的一些物理量是组 成系统的大量分子进行无规运动的一些微观量的统成系统的大量分子进行无规运动的一些微

3、观量的统 计平均值计平均值 宏观量宏观量-表征系统整体性质的物理量表征系统整体性质的物理量 可以实际的物理量可以实际的物理量 如如 P T E 等等 微观量微观量描写单个微观粒子运动状态的物理量描写单个微观粒子运动状态的物理量 组成系统的粒子组成系统的粒子(分子、原子、或其它分子、原子、或其它) 的质量、动量、的质量、动量、 能量等等能量等等 无法直接测量的量无法直接测量的量 第一第一 气体分子系统的统计分布气体分子系统的统计分布 2021/6/76 解决问题的一般思路解决问题的一般思路 从单个粒子的行为出发从单个粒子的行为出发 大量粒子的行为大量粒子的行为- 统计规律统计规律 统计的方法统计

4、的方法 例如：微观认为宏观量例如：微观认为宏观量P 是大量粒子碰壁的平均作用力是大量粒子碰壁的平均作用力 先看一个先看一个 碰一次碰一次 t i I i f d d 再看再看 集体集体 A f P i i 2021/6/77 统计方法：统计方法： 一个粒子的多次行为一个粒子的多次行为 多个粒子的一次行为多个粒子的一次行为 结果相同结果相同 如：掷硬币如：掷硬币 看正反面出现的比例看正反面出现的比例 比例接近比例接近1/2 统计规律性：统计规律性： 大量随机事件从整体上表现出来的规律性大量随机事件从整体上表现出来的规律性 量必须很大量必须很大 统计规律性具有涨落性质统计规律性具有涨落性质( (伽

5、耳顿板演示伽耳顿板演示） 2021/6/78 分布曲线分布曲线 飞镖飞镖 2021/6/79 xx 小球落入其中一小球落入其中一 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 分布服从分布服从统计规律统计规律 大量小球在空间的大量小球在空间的 格是一个偶然事件格是一个偶然事件 小球数按空间小球数按空间 位置位置 x 分布曲线分布曲线 伽耳顿板演示伽耳顿板演示 2021/6/710 2021/6/711 什么叫统计规

6、律？什么叫统计规律？ 在一定的在一定的宏观条件宏观条件下下 大量偶然大量偶然事件在整体上事件在整体上 表现出表现出确定的规律确定的规律 统计规律必然伴随着统计规律必然伴随着涨落涨落 什么叫涨落？什么叫涨落？ 对统计规律的偏离现象对统计规律的偏离现象 涨落有时大涨落有时大 有时小有时小 有时正有时正 有时负有时负 例如：例如：伽耳顿板实验中伽耳顿板实验中 2021/6/712 第二第二 热力学基础热力学基础 从实验归纳总结从实验归纳总结 定律定律 热力学第一定律热力学第一定律 热力学第二定律热力学第二定律 基础定律基础定律 地位：地位： 相当于力学中的牛顿定律相当于力学中的牛顿定律 -能量转化能

7、量转化 -过程方向性过程方向性 2021/6/713 三、三、 本课程中研究对象的理想特征本课程中研究对象的理想特征 1.对象对象 理想气体理想气体 宏观定义：宏观定义： 严格遵守玻意耳定律严格遵守玻意耳定律 实际气体理想化：实际气体理想化： P 不太高不太高 T 不太低不太低 1) ) 在理想气体理论基础上加以修正在理想气体理论基础上加以修正 2) ) 经验经验 若高压若高压 低温？低温？ 2021/6/714 理想气体理想气体-是一种假想的、在任何情况下都能严是一种假想的、在任何情况下都能严 格遵循气体定律格遵循气体定律PV/T=R的气体。的气体。 从微观上考虑，理想气体有两点不同于实际气

8、体：从微观上考虑，理想气体有两点不同于实际气体： (1)气体分子本身的体积可以忽略；气体分子本身的体积可以忽略； (2)在任何情况下，理想气体的分子之间不具有相互作用。在任何情况下，理想气体的分子之间不具有相互作用。 理想气体是一个科学的抽象概念，客观上并不存在理想理想气体是一个科学的抽象概念，客观上并不存在理想 气体，它只能看作是实际气体在气体，它只能看作是实际气体在压力很低压力很低时的一种时的一种极限极限 情况。情况。 2021/6/715 2.状态状态平衡态平衡态 定义：在不受外界影响的条件下定义：在不受外界影响的条件下 对一个孤立系对一个孤立系 统统 经过足够长的时间后经过足够长的时间

9、后 系统达到一个宏观系统达到一个宏观 性质不随时间变化的状态性质不随时间变化的状态 -宏观上的寂静状态宏观上的寂静状态 微观上系统并不是静止的微观上系统并不是静止的-动态平衡动态平衡 用一组宏观量描述某时的状态用一组宏观量描述某时的状态 11 TP 22 TP TP 非平衡态非平衡态 2021/6/716 l每一时刻系统都处于平衡态每一时刻系统都处于平衡态 l实际过程的理想化实际过程的理想化-无限缓慢无限缓慢(准准) l“无限缓慢无限缓慢”：系统变化的过程时间：系统变化的过程时间驰豫时驰豫时 间间 例例1 气体的准静态压缩气体的准静态压缩 过程时间过程时间 1 秒秒 3.过程过程准静态过程准静

10、态过程 s10 3 驰豫驰豫 时间时间 分子截面面积分子截面面积 第第1步：一个分子碰壁步：一个分子碰壁 对对dA的冲量的冲量 设该分子速度为设该分子速度为 i 冲量是冲量是 ix m2 t ixd )(2(AtnmI ixiixi dddAtmn ixi dd 2 2 i 第第2步：步：dt时间内所有时间内所有 分子对分子对dA的冲量的冲量 i 2021/6/734 第第3步：步：dt时间内所有分子对时间内所有分子对dA的冲量的冲量 i i Id 2 1 Atmn i ixi dd 2 第第4步：由压强的定义得出结果步：由压强的定义得出结果 A F P d d At I dd d i ixi

11、m n 2 0 ix i II dd Ad i t ixd Atmn I ixi i dd d 2 2 2021/6/735 i ix i m V N 2 i ixi N V m 2 N N i ixi x 2 2 2 x nmP A F P d d At I dd d i ixim n 2 2 3 1 mnP 或或 2021/6/736 2 3 1 mnP t nP 3 2 2 2 1 m t 分子的平均分子的平均 平动动能平动动能 压强公式指出压强公式指出: :有两个途径可以增加压强有两个途径可以增加压强 1)增加分子数密度增加分子数密度n 即增加碰壁的个数即增加碰壁的个数 2)增加分子运动的平均平动能增加分子运动的平均平动能 即增加每次碰壁的强度即增加每次碰壁的强度 还可表示成还可表示成 t 2021/6/737 四、四、 温度的统计意义温度的统计意义 t nP 3 2 nkTP kT t 2 3 1. 温度温度 是大量分子的集体行为是大量分子的集体行为 是统计的结果是统计的结果 ( (N- 数目少无意义数目少无意义) ) 2. 物理意义物理意义 温度是分子热运动剧烈程度的量度温度是分子热运动剧烈程度的量度 2021/6/738 kT t 2 3 在温度在温度T的情况下的情况下 分子的分子的平均平动动能平均平动动能 与与分子种类无关分子种类无关 如如在相同温