大学热学第一讲

1、谢 尊物理科学与信息工程学院材料模拟设计实验室Z. Xie Lab. Of Mater. Sim. & Design,College of Physics,Hebei Normal University.1. To be confident2. To be yourself3. To enjoy yourself -90 高中 河北辛集一中9094 本科 河北师大物理系9497 硕士 河北师大物理系9702 任教 河北师大职技学院0205 博士 河北工业大学05 副教授 河北师大 物理科学与信息工程学院 硕导 凝聚态物理(理论)学习和工作经历1. 1998年首届青年教师课堂技能大赛一等奖2.

2、2008年度河北师范大学汇华学院教学优秀奖3. 2010-2011学年本科教学质量评估优秀教师校教字20119号 4. 2010年度校级优秀普通物理学教学团队成员 教学和科研成果 * 获2006年度河北省自然科学二等奖（第三完成人） *获2011年度河北省自然科学三等奖（第四完成人） *过渡金属碳化物Met-cars团簇的DFT 获2011年度河北省科学技术成果(国内先进) 研究室： 理科群2号楼C404E-mail: Bi90topbottomBi30(As30)Bi40(As40)Bi60(As60)Bi80Bi50(As50)Bi70Bi20(As20)Repeat unite研究方向：

3、“低维系统结构和特性的第一原理计算”研究。 1.合金纳米团簇的结构和电磁特性； 2.过渡金属链在纳米管中的一维磁特性. 省自然基金05-07 基于从头计算的CNT及其衍生物的参研国家自然基金06-08有机光电器件中元激发的动力学特性研究 参研国家自然基金06-06 纳米管及其衍生物的分子力场及应用 参研省教育厅科研基金07-10过渡金属碳化物Met-cars团簇的DFT研究主持省自然基金08-11低维过渡金属系统结构和磁性的DFT研究参研省自然基金09-11纳米管内一维限制过渡金属线的结构、.主持国家自然基金09-11金、硼和过渡金属硅纳米管的结构与参研国家自然基金11-11半金属表面上分子手

4、性的构筑和传递 参研省教育厅科研基金11-153d过渡金属准一维纳米体系的稳定性和电磁主持 热学 物理学作为一门最没有功利的学科却为人类带来了最大的功利！Thermoal Physics伽利略Galileo Galilei温度计的发明*热学在物理学中的地位： 初中：传热学中的热现象 温度，热量，传热方向及方式 高中：温标，气体分子运动论简介NA， 内能，热一律，热二律简介，永动机热学应用范围之广：宇宙天体，纳米体系， 超导体，半导体超晶格 现代通信，集成电路， 噪声等等与温度有关系的领域都离不开热学。 大学： 热学 （大一）热力学与统计物理（大三）固体物理（大四）量子统计 格林函数（研） 1.

5、普通物理学教程热学 秦允豪. 高等教育出版社. 2004年6月.2. 新概念物理教程第二卷热学. 赵凯华, 罗蔚茵. 高等教育出版社. 1998年2月热学课程的参考书冷热的感觉绪论热学研究的内容与方法1.热学研究的内容：与温度有关的宏观物体物理性质的变化 热现象-*热现象实质： 组成物体的大量粒子热运动的统计平均效果！(热胀冷缩、淬火、退火等)热学-是研究热运动以及与热相联系 的各种规律的科学。 热运动-(物质存在的多种运动形式之一) 宏观物体内部诸微观粒子所做的一种永不停息的无规则运动，是宏观物体的基本运动形式之一。热物理学渗透到自然科学各部门，所有与热相联系的现象都可用热学来研究。 容器中

6、的气体分子 1mol物质中就有6.021023个分子, 缺乏感性认识。热学是研究宏观物体的热现象规律的科学。热物理学研究的对象是由数量很大很大的微观粒子所组成的系统大数粒子系统。宇宙现今年龄为1010年数量级，确切些说是160亿年。 1年 = 36586400秒107秒, 1010年 1017秒 。 假如有一个“超人”，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， 1秒数10个分子，从宇宙诞生时刻数到现今才数了 101017 = 1018个分子, 差不多相当于 10-5 摩尔分子。1mol物质中就有6.021023个分子, 大数粒子系统有了感性认识。热力学方法宏观量宏观描述宏观理

7、论研究路线：它从能量的观点出发，以热力学实验 阿 定律为基础，应用数学方法，通过逻辑推阿 理和演绎， 来研究宏观物体的热性质。2. 热学的两大研究方法:热力学：由观察和实验总结出来的热现象规律， 俄 构成热现象的宏观理论，叫做热力学。 对于任何宏观的物质系统。 不管它是天文的、化学的、生物的系统，也不管它涉及的是力学现象、电学现象,只要与热运动有关，总应遵循热力学规律。热力学基本定律是自然界中的普适规律， 只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。热力学的局限性：（1）它只适用于粒子数很多的宏观系统；（2）它主要研究物质在平衡态下的性质. 它不能解答系统如何从非平

8、衡态进入平衡态的过程；（3）它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。 热力学只能说明应该有怎样的关系，而不能解释为什么有这种基本关系。 要解释原因，须从物质微观模型出发，利用分子动理论或统计物理方法予以解决。 统计方法微观量微观描述微观理论=统计物理学统计物理学:从物质的微观结构出发研究热运 动的规律，构成热现象的微观理论。研究路线： 从“物质是由大量微观粒子组成的”这阿 一基本事实出发，认为物质的宏观性质是阿 大量微观粒子热运动的集体表现（平均效阿阿 果），宏观量是微观量的统计平均值。优点：阐明了热力学定律的统计意义；缺点：由于对物质的微观结构作出简化的模型假设，因而所得的理论结果往往只是

9、近似的。热学有宏观描述方法（热力学方法)与微观描述方法（统计物理学的方法）之分。它们分别从不同角度去研究问题，自成独立体系，相互间又存在千丝万缕的联系。2.热学的两大研究方法:热学-研究热运动以及与热相联系的各种规律。热物理学研究对象：大数粒子系统两种不同的描述方法：宏观的热力学方法 微观的统计物理学方法。描写热力学系统的宏观量与系统内部微观粒子的某些微观量的 相联系. 温度、气体动理学理论的基本概念、气体分子热运动速率和能量的统计分布律、气体内的输运现象、热力学第一定律、热力学第二定律、固体、液体、相变。3.“热学”课程的内容包括: （1）热力学基础； （2）统计物理学的初步知识（分子动理论

10、）； （3）物性学方面的基本知识。绪论 热学研究的内容与方法 热学发展简介在远古时代，人们在生产和生活上就接触到许多热现象：钻木取火 且用火制造出铜器、铁器和陶器 。热力学的发展史商周的青铜器 热力学的发展史1.官窑:南宋2.定窑:宋,河北曲阳3.汝窑:宋,河南宝丰4.哥窑:南宋,浙江龙泉5.均窑:宋,河南禹县宋代五大名窑热力学的发展史清初嘉庆12年同治18年(仿哥窑五彩)道光3年 但由于古代和中世纪的生产发展缓慢，十八世纪初之前，热学还不能作为一门科学建立起来。 热学的早期史，开始于18世纪初直到19世纪中叶，这个时期积累了大量的实验和观察事实。关于热的本性展开了研究和争论，为热力学理论的建

11、立作了准备，在19世纪前半叶出现的热机理论和热功相当原理已经包含了热力学的基本思想。 热是什么 ？焦 耳 James Prescott Joule能量瓦特 J. Watt蒸汽机瓦特早期蒸汽机19世纪广泛的使用蒸汽机是第一次工业革命的主要标志，这是人类自使用火以后，在改造自然方面取得的重大胜利。用热做功存在限制否？卡 诺Sadi Carnot卡诺循环1807年，热机被美国人富尔顿应用于轮船. 1823年被用于火车和铁路。1892年 第二时期从19世纪中叶到19世纪70年代末。这个时期发展了唯象热力学。这些理论的诞生直接与热功相当原理有关。热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础。它和卡诺理论结合，

12、导致了热力学第二定律的形成。熵的引入克劳修斯R. Clausius热的微观图象 ？ 热功相当原理跟微粒说（唯动说）结合则导致了分子运动论的建立。而在这段时期内唯象热力学和分子运动论的发展还是彼此隔绝的。 麦克斯韦James Clerk Maxwell分子速度分布律玻耳兹曼Ludwig Boltzmann统计物理 第三时期是唯象热力学的概念和分子运动论的概念结合的结果，最终导致了统计热力学的产生。它开始于19世纪70年代末玻尔兹曼的经典工作，止于20世纪初。这时出现了吉布斯在统计力学方面的基础工作。 从20世纪30年代起，热力学和统计物理学进入了第四个时期，这个时期内出现了量子统计物理学和非平衡

13、态理论，形成了现代理论物理学最重要的一个部门。 绪论 热学研究的内容与方法 热学发展简介温度第一章冷热的感觉1.1 平衡态 状态参量1.2 温度1.3 气体状态方程第一章 温度二、平衡态一、热力学系统1.1 平衡态 状态参量三、状态参量(非平衡态) 被确定为研究对象的大数粒子所构成的物体(系)。一、热力学系统 说明： a. 系统划分是相对的，保证宏观有限； b. 外界(环境)； c.系统和外界之间的贸易。热力系/系统/工质力学研究对象？ 热力学系统在不受外界影响条件下， 谔谔谔谔谔 宏观性质不随时间变化的状态； 这时称系统处于热力学平衡。系统分类：a. 孤立系统-与外界既无物质交换又无能量交换

14、c. 封闭系统-与外界不交换物质但可交换能量的系统b. 开放系统-与外界既交换物质又交换能量的系统d. 绝热系统-与外界没有热交换的系统二、平衡态1、定义：真空2、平衡态举例：在不受外界影响条件下，经过足够长时间后系统必将达到一个宏观性质不随时间变化的状态气缸3、说明：c.宏观性质：温度、体积、压强、密度、质量等b.有外界影响，若某宏观性质不变也不是平衡态. 本章思考题1 ：金属杆 a.外界影响：传热、做功、电磁场等d.微观方面：分子仍在永不停息地做无规热运动 俄 分子运动的平均效果不随时间变化 热力学平衡动的平衡 热动平衡平衡态的特点a. 单一性 (T处处相等);b. 物态的稳定性(与t无关

15、)；c. 自发过程的终点；d. 热动平衡 (有别于力平衡).a.无热流b.无粒子流c.化学平衡可以用P、V、 T图来表示热力学平衡的条件三、状态参量(非平衡态)二、平衡态一、热力学系统1.1 平衡态 状态参量三、非平衡态平衡态是 相对的、特殊的、局部的与暂时的；非平衡态是绝对的、普遍的、全局的和经常的。平衡态是一理想概念！.是一把钥匙！三、状态参量 系统处于平衡态时宏观性质不变，故可用某些确定的物理量来描述系统的状态，状态参量有以下四类：力学参量：压强、表面张力等几何参量：体积、表面积等电磁参量：电场强度、电极化强度、等化学参量：质量、摩尔数等1.1 平衡态 状态参量1.2 温度1.3 气体状

16、态方程第一章 温度1.1 平衡态 状态参量1.2 温度1.3 气体状态方程第一章 温度1.2 温度一. 热力学第零定律二. 温度三. 温标一. 热力学第零定律* * * * 排序的由来： 十八世纪，随着热机的发明-改进-发展，推动了欧洲的工业革命和机械化大生产，资本家为了赢得最大限度的利润，掀起了永动机的制造热潮。在热力学第一定律问世后， 1745年，法国科学院停止了永动机的一切工作。* * * * 排序的由来： 紧接着人们转向第二永动机的研制，希望在不违背第一定律的基础上，利用巨大的海洋能源库来为人类服务，可是并非所有满足第一定律的过程都能发生，热过程具有方向性和不可逆性，这导致了第二定律的

17、建立。* * * * 排序的由来： 1939年Fowler提出了热平衡定律- 进而1913年，能斯特提出热力学第三定律！*热力学第零定律内容： 热接触为热平衡的到来创造了条件，互为热平衡的物体具有相同的性质。热力学第零定律。1.热接触：系统A,B互相接触，它们之间仅有热交换 如果两个系统发生热接触后，经过一段时间，各自的状态都不再发生变化，到达一个共同的平衡态, 称这两个系统处于热平衡。AB说明 ： a. 热平衡是系统之间的特殊状态， 各处于热力学平衡态。ABb. 热平衡系统间有一个共同的性质。2.热平衡：两个系统的热平衡AB导热板由导热板隔开的两个系统共同达到平衡态时 热平衡此时 TA=TB

18、AB绝热板导热板C与第三个系统达到热平衡的两个系统，互相之间也达到热平衡。此时 TA=TC=TB热力学第零定律如果两个热力学系统中的任何一个与第三个热力学系统处于热平衡, 那么这两个热力学系统彼此必定处于热平衡. 它的实质在于，指出了温度是表征互为热平衡的系统的共同性质。 . 定律是建立温度科学概念的实验基础.1.2 温度一. 热力学第零定律二. 温度三. 温标二. 温度温度是决定一系统与其它系统是否 处于热平衡这一宏观特性的描述！说明几句: a. 一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。 b. 热接触仅为系统间热平衡的建立创造了条件。 c. 温度是平衡态系统的一个热学独有的状态参量！温度的微观意义？ 系统平衡态的温度反映系统内分子无规 热运动的剧烈程度。 温度是分子无规热运动的平均平动能 大小的标志。二. 温度*热力学第零定律意义： 1.为建立温度的科学概念提供了实验基础。 热接触为热平衡的到来创造了条件，互为热平衡的物体具有相同的温度。小结： 2. 为建立测温方法提供了手段。1.2 温度一. 热力学第零定律二. 温度三. 温标三. Temperature Scale任何物质的任何属性，只要它随