热力学统计物理_课件.ppt

1、06:34，1，热力学和统计物理，06:34，2，教材：热力学，统计物理王志成，甲骨文：热，甲骨文：火，钻木为火，瓦特早期蒸汽机，早期燃料发动机，在高温，高压和高速下稳定运行是现代航空涡轮发动机对涡轮性能的最基本要求。为了确保涡轮材料在高温气体中的可靠运行，涡轮通常采用复杂的冷却方法，如薄膜冷却，冲击冷却和对流冷却。这些冷却装置通过从中空涡轮内部释放的冷空气来实现。需要铸造具有复杂空气动力学形状的空心涡轮叶片已经成为各国航空工业面临的一个大问题。这项技术被称为“工业皇冠上的宝石”。空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合系统工程，航空发动机的空气动力学、热学和结构材料特

2、性是如此复杂，到目前为止，在理论上还不能详细准确地描述，只能依靠实际的发动机试验。06336034，8。热运动是自然界中普遍存在的运动现象。对于单个粒子，热运动是混沌的，但是对于整个宏观物体，在一定的外部条件下，大量粒子相互作用的结果显示出一定的宏观规律性。在一定的宏观条件下，系统的演化方向一般具有一定的规律性。研究热运动规律和热运动对物质宏观性质影响的理论统称为热运动理论。根据不同的研究方法，它可以分为热力学和统计物理学。其中，热力学是热学的宏观理论，统计物理是热学的微观理论。06:34，9，热力学理论的发展1。经典热力学1。1824年，卡诺：卡诺定理2。19世纪40年代，迈尔，焦耳：第一定

3、律(能量守恒定律)3。19世纪50年代，克劳修斯，(1850)开尔文，(1851):第二定律熵增原理4。1906年，能斯特定理的绝对零不可达原则(1912)经典热力学第三定律的特征：一、它不涉及时间和空间；b、以平衡态、准静态过程和可逆过程为模型。因此，在经典热力学中，2)状态的稳定性与时间无关；3)自发过程的终点；4)热力学平衡(不同于力平衡)，2020年8月10日，28日，3。状态参数，定义：当系统处于平衡状态时能够表征和描述系统状态的变量，几何参数：体积，电磁参数：电场强度，极化强度，磁场强度，磁化强度，机械参数：压力，热参数：2020/8/10，29，表征系统宏观特性的物理量，如体积v

4、、压力p、温度t，可直接测量，并可分为累积的延伸量和强度延伸量；诸如质量m、体积v、内能e的强度量是非累积的；描述单个微观粒子运动状态的物理量，如压力p，温度t，是通用的。2020/8/10/30，气体状态参数及其单位(宏观量)，标准大气压：纬度和海平面气压，3温度：气体冷热度测量(热描述)，单位：(开尔文)，2020/8/10/31，简单系统：一般单相系统：多相系统：2020/8/10，32。第一，热力学第零定律，热交换：没有交换粒子的系统之间的热传递，热平衡：两个系统在热交换条件下达到共同的平衡状态。经验表明，如果两个系统A和B同时与第三个系统C达到热平衡，那么这两个系统A和B也处于热平衡

5、。它被称为热力学第零定律(热平衡定律)，1.2热平衡和温度定律，2020/8/10，33，2020/8/10，34，状态函数的温度，2020/8/10，35，热力学第零定律的物理意义，必须有相互处于热平衡的系统第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判断两个系统是否处于热平衡以测量温度是否相同的方法。系统c(温度计)，系统a，系统b，热平衡？热接触，热接触，2020/8/10/36，2。温标，定义：温度的数值表达式称为温标，以液体摄氏温标为例，(1)水银测量温度体积随温度的变化，(2)1大气压水的冰点是0摄氏度；气体点100摄氏度(3)确定温度测量属性和温度之间的关系，以及温度标度的三个要素：

6、温度测量物质、固定点、温度测量特性和温度之间的关系。1、经验温度标度：根据物质性质随温度的变化，用经验公式分级，统称为经验温度标度，有三种温度标度：2020/8/10，37，V0不变，Ptr为气体温度计在水的三点温度下的压力，(体积不变)，2、理想气体温度标度，以气体为测温物质。 在理想气体的状态方程中，当体积(压力)为常数时，由压力(体积)和温度之间的比例关系所确定的温标称为理想气体温标，定容气体温度计、2020/8/10，38，气体温度计所确定的温标称为理想气体温标，它不依赖于任何气体的特性。 当Ptr较低时，不同气体定容温标之间的差异较小。恒压气体温度计：2020/8/10，39，3。热

7、力学温标，一种独立于测温物质及其物理性质的温标，可以从卡诺定理导出。单位：K(开尔文):T3=273.16K，理想气体温标与有效范围内的热力学温标一致(温度高于液化点，低于1000)。开尔文，摄氏温标和热力学温度的关系：2020/8/10，40，热力学温度温标，摄氏温标，华氏温标和朗廷温标，2020/8/10，41，状态方程，简单系统的平衡状态，平衡状态下物质的热力学参数(如压力、体积和温度)是满足的。在热力学中，状态方程的具体形式一般由实验确定。有几个与状态方程密切相关的重要物理量：膨胀系数、压力系数和等温压缩系数，它们之间的关系是：2020/8/10，42，2020/8/10，43，2，理

8、想气体状态方程，1，理想气体状态方程，1，玻意耳定律。当温度改变时，常数也会改变。(2)当P不太大，T不太低时适用；P值越低，观察效果越好。根据玻意耳定律，理想气体温度标度，首先保持体积不变，然后保持温度不变，然后，同时，在2020年8月44日相同的温度和压力下，得到1摩尔气体的体积是相同的。3.通用气体常数r，1摩尔理想气体，当压力为1atm，温度为冰点T0=273.15K时，(实验测量值)，2020年8月10日，46，4。混合理想气体的状态方程，注：(1)它是在相同的温度和体积下，各混合气体组分独立贡献的压力；(2)适用于气体压力相对较低的情况。M :平均摩尔质量，2020/8/10，47

9、，2。非理想气体的状态方程，范德瓦尔斯方程：1摩尔正常气体(a，b是某些气体的常数，由实验确定)，范德瓦尔斯方程3360，安妮斯方程：(1摩尔范德瓦尔斯气体)。势能系数，2020/8/10，48，3。简单固体(各向同性)和液体的状态方程，4。顺磁固体的状态方程，居里定律：经验公式(也可以推导出来):m是磁化强度，c是常数，t是温度，h是外磁场强度，2020/8/。在机械相互作用的过程中，系统与外界之间传递的能量就是功。热力学认为力是广义力，所以功也是广义功。1)只有在系统状态变化的过程中才有能量传递。2)只有在广义位移(如体积变化、电量迁移等)后才做功。)是在广义力(如压力、电动势等)的作用下

10、产生的。)。3)在非准静态过程中，很难计算系统的外部功。4)有正面和负面的优点。2020/8/10，52，52，完成的总功为：2，体积膨胀功，1。气体的外部功是：2020/8/10，53，53，这三个过程所做的功是不同的，表明这个功与变化的路径有关，它不是2020/8/10，55，55，55，1，表面张力功，2，可逆电池所做的功是表面张力系数，3，其他形式的功，电介质，磁介质等。2020/8/10，56，56，3。功的一般表达式，X是广义坐标，它是一个推广。延伸的特征是，如果系统的质量在相同条件下加倍，延伸也加倍。y是一个广义力，它是一个强度量。强度量的特点是当系统质量在相同条件下加倍时，强度

11、量保持不变。2020/8/10，57，能量守恒和转换定律的内容是自然界中所有的物体都有能量，能量有各种形式，可以从一种形式转换成另一种形式，从一个物体转换到另一个物体，在转换和转换过程中能量的值保持不变。1.5热力学第一定律1。能量守恒和转换定律(热力学第一定律)，2020/8/10，58，第一种永动机：在历史上，许多人都有过这样一个美好的愿望：制造一台没有动力的机器，它可以不断地向外界做功，这样它就可以从无到有地创造巨大的财富，并且永远不会有一台永动机在科学史上获得成功。因此，永动机根本无法制造。它违背热力学第一定律：物体内部能量的增加等于物体从外部吸收的热量和物体向外部做功的总和。热力学第

12、一定律的另一种表述是：制造第一种永动机是不可能的。2020/8/10/59，第二种永动机：有人曾经设计了一种机器，希望它能从高温蓄热器(如锅炉)中吸收热量，然后用它来做功，而不是把热量排放到低温蓄热器中。这台机器的效率不是100%吗？这种机器没有违反能量守恒定律，但它没有成功。人们称这种永动机为第二种永动机，它只从一个单独的储热器中吸收热量并持续工作。这种永动机是不能制造的，因为机械能和内能之间的转换是定向的：机械能可以转换成内能，但是内能不能在不引起其他变化的情况下完全转换成机械能。2020/8/10，60，2。内能状态函数，内能是所有微观粒子(如分子和原子等)的微观无序运动能和相互作用势能

13、的总和。)在系统中。内能是一个状态函数，处于平衡状态的系统的内能是确定的。内能和系统状态之间是一一对应的。大量实验已经证明，在所有绝热过程中将水加热到相同温度所需的功是相等的。w绝热=U2-U1，从能量守恒定理：系统吸收热量，内部能量应该增加；当外界对系统起作用时，内部能量也会增加。如果系统吸收热量，外部世界对系统起作用，内部能量的增量应该等于两者之和。2020/8/10，61，61，1。内能是宏观热力学观点，没有考虑微观本质。内能是一个相对量。热能中的内能不包括物体整体运动的机械能。4.内能的概念可以推广到非平衡系统。在一些书中，热能本质上是指物体的内能。2020/8/10，62。第三，热力

14、学第一定律的数学表达式，在一定过程中，系统从外部吸热，外部对系统做功，系统内部能量从初始状态U1变为U2，这时能量守恒：Q0，系统吸热；Q0，外面的世界是积极的热力学第一定律的一般形式，2020/8/10/63，对于无穷小过程和准静态过程，如果系统的外部功是通过体积的变化实现的，那么热力学第一定律的一般形式，从内能的广泛性来看，表明如果系统没有达到平衡，它可以被认为是由许多局部平衡的小部分组成，所以系统的总内能等于每个小部分2020/8/10，64，64，1。热容量的定义，热容量是一个延伸，引入摩尔热容量Cm，C=nCm。系统与外界之间交换的热量q与T0对应的温度变化t之比的极限被定义为该过程

15、中系统的热容量。热容量是广泛的，引入摩尔热容量Cm，有C=nCm。等容热容：2020/8/10，65，65。第二，引入焓，等压热容，热容是广泛的，引入摩尔热容Cm，有C=nCm。等容热容引入状态函数h，称为焓，那么在等压过程中吸收的热量等于焓的增量。2020/8/10，66，1.7理想气体的内能，1。焦耳实验中，焦耳发现气体膨胀前后温度没有变化，Q=0，W=0，所以U2=U1，所以气体的内能只是温度的函数，与体积无关： U=U (t)，2020/8/。理想气体严格遵守，理想气体内能的积分表达式，理想气体焓，2020/8/10，68，68，那么，压力和热容的设定比：2020/8/10，69，69

16、，1.8理想气体绝热过程，1。绝热过程方程，根据热力学第一定律，绝热，1.8通过积分，我们可以得到同样的理由。2.牛顿声速公式，声速是纵波，传播过程是绝热过程，2020/8/10/71，结合绝热过程，我们可以得到P26液体声速公式的推导，课后阅读。2020/8/10，72，72，1.9理想气体的卡诺循环，即循环过程，一个系统从某一平衡状态开始，经过任意一系列过程后回到原始平衡状态的整个变化过程称为循环过程。顺时针-正周期；逆时针-反向循环。第二，正循环热机及其效率，由ABCD包围的面积是正循环所做的净功w。热机效率：作业成本法吸收热量，对外做功；根据热力学第一定律，2020/8/10，73，73，CBA释放热量并在外部做负功：3。卡诺热机，循环由两条等温线和两条绝热线组成，2020/8/10，74，萨迪卡诺1796-1832