热力学基础-熵与概率

第七章热力学基础熵与概率

统计规律性已讨论的寻找物理学规律的线索：从宏观物体到微观粒子的运动规律；电磁场和波的运动规律；最终在“波粒二象性”上统一起来。第三条线索：从单粒子的研究发展到

由大量粒子组成的复杂体系的研究12021§7.1热的本质热功当量热学是研究物质热性质和热运动的

规律及其应用的科学热是什么？1667年，德国化学家贝歇尔提出“燃素”理论：

可燃物中含有燃素（无色无味无质量），

在燃烧时释放出来；德国化学家斯塔耳做了进一步发展，认为“燃素”

是一种气体，燃烧时从可燃物放出，与空气结合，

发出光与热。法国科学家拉瓦锡发现，燃烧时需要氧气，过程违反了质量守恒定律。提出了“热质”说：热质可以从高温物体流向低温物体，总热质守恒。22021热的动力说“热质说”比起“燃素说”来，进步有限。1798年，伦姆福伯爵发现，在炮膛钻孔时，热量似乎可以通过摩擦无限产生。因此热的来源不是热质，而是一种运动。随着原子论的兴起，热的动力说逐渐占据主流，认为“热”可能与和原子或者分子动能相联系的“机械功”之间有互相对应关系。热量与功一样，

是能量的一种传递方式。两者之间，可能存在

一种当量关系。32021焦耳实验热功当量的测量“热质说”比起“燃素说”来，进步有限。J＝4.186焦／卡W＝JQ42021§7.2温度热力学温标

理想气体状态方程热学的两种研究方法：热力学（宏观理论）

以实验事实为基础，整个理论完全建立在两个基本定律（热力学第一定律和热力学第二定律）的基础上并通过严密的逻辑推理得到一些重要的结论。分子动理论（微观理论）

从构成物质的大量分子所遵从的统计规律出发，讨论物质的宏观热现象。52021一、热力学第零定律——测温原理热平衡：

两个物体互相热接触，经过一段时间后它们的宏观性质不再变化，我们说它们达到了热平衡状态。ABABAB热平衡热接触

表征系统热平衡的宏观性质的物理量为温度62021热力学第零定律：

在不受外界影响的条件下，如果处于确定状态下的物体C分别与物体A、B达到热平衡，则物体A和B也必相互热平衡。一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。Thermalequilibrium热平衡72021温度的宏观定义：表征系统热平衡的宏观性质的物理量。如何标定温度？摄氏温标：压强1atm下，冰点时温度为0摄氏度,沸点为100摄氏度;华氏温标：压强1atm下，冰点温度定为32华氏度,沸点为212华氏度。热力学中，可以通过理想气体，定义一种自然的温标。理想气体：忽略气体分子的自身体积，看成是质点；假设分子间没有相互吸引和排斥，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞是完全弹性的，不造成动能损失。82021二、热力学温标与理想气体状态方程在1662年，玻意耳（Boyle）根据实验结果提出：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。”这是人类历史上第一个被发现的“定律”。92021热力学温标的确立：为了结束温标上的混乱局面，开尔文(即W·汤姆逊)创立了一种不依赖任何测温质(当然也就不依赖任何测温质的任何物理性质)的绝对真实的绝对温标，也叫开氏温标或者热力学温标。102021理想气体温标绝对温度气体泡真空水银贮管液体样品软管112021已有的温度定义：单位为K热力学温度（T）：单位为℃摄氏温度（t）：水的气、液、固三相点为0℃。华氏温度℉=9×℃/5+32单位为℉

华氏温度（F）：12202113202110510610710810910101011101210131015……103810391014大爆炸后的温度强子--夸克相变宇宙He合成热核聚变温度10-910-810-710-610-510-410-310-210-11011021031041太阳表面温度室温氢的液化稀释制冷核自旋制冷温度大观142021100多亿年前，宇宙在大爆炸中诞生时，其温度在1039K以上。

大爆炸后10-43秒，宇宙温度为1032K。

几十万年后，当温度降到4000K时，随着中性原子的有效复合，宇宙变得透明了，今日的宇宙温度已冷却到2.735K，称为微波背景辐射温度。

当代科学实验室里能产生的最高温度是108K，最低温度是10-8K，上下跨越了16个数量级。

人体温度为37℃，室温为20℃--30℃，即300K左右，我们生活的环境温度的起伏上下不过几十度。152021绝对零度的探索：

从18世纪末到19世纪中降温压缩氨、氯、硫化氢、二氧化硫、乙炔、二氧化碳等气体的液化1863年气液转换“临界点”1875至1880年德国工程师林德（K.Linde）焦耳-汤姆孙效应“循环对流冷却法”气体压缩式致冷机氧、氢液化1877年盖勒特（Gailletet）液化了氮和氧。1902年法国工程师乔治·克劳德（GeorgesClaude）液化了空气。1620211908年7月9日，荷兰物理学家昂纳斯（H.K.Onnes，1853-1926）在莱顿大学他所建立的低温实验室里实现了1.15K的低温后，才将氦气液化了，从而消除了最后一种“永久气体”。1933年，磁冷却成功，用顺磁盐绝热去磁方法获得了0.25K的低温，1950年又获得了10-3K的低温。1956年，牛津大学弗兰西斯·西蒙与柯蒂等，原子核绝热去磁法获得