热力学与统计物理学课件.ppt
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- 热力学 统计物理学 课件
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1、导导 言言一一.热力学与统计物理学的研究任务是什么热力学与统计物理学的研究任务是什么?研究热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响。研究热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响。二二.热力学与统计物理学的研究方法有什么特点?热力学与统计物理学的研究方法有什么特点?热力学不考虑物质的微观结构,而是从实验总结热力学不考虑物质的微观结构,而是从实验总结的定律出发经过严密的逻辑推理得到物体宏观热性质的定律出发经过严密的逻辑推理得到物体宏观热性质间的联系,从而揭示热现象的有关规律。间的联系,从而揭示热现象的有关规律。统计物理认为,热现象是微观粒子热运动的宏观统计物理认为,热现象是微观粒子热运动的宏观表现
2、,而实际观测到的宏观热力学量则是相应微观力表现,而实际观测到的宏观热力学量则是相应微观力学量的统计平均值。学量的统计平均值。两种研究方法存在着各自的优缺点,在实际研究中,需要两种研究方法存在着各自的优缺点,在实际研究中,需要互为补充,相辅相成。互为补充,相辅相成。三三.本课程的特点和要求本课程的特点和要求 作为作为宏观理论宏观理论与与微观理论微观理论的结合,热力学与统计物的结合,热力学与统计物理学是一个比较好的例子。其中统计物理的部分与当代理学是一个比较好的例子。其中统计物理的部分与当代物理学前沿的很多内容结合较紧。物理学前沿的很多内容结合较紧。数学上不是太难,但是需要补充一些数学上不是太难,
3、但是需要补充一些概率论概率论方面的方面的知识,重要的是把握好物理模型的构建,以及概念之间知识,重要的是把握好物理模型的构建,以及概念之间的相互关系,学习中重点领会其中的物理思想和物理方的相互关系,学习中重点领会其中的物理思想和物理方法。法。第一章第一章 热力学基本定律热力学基本定律1.1平衡态及其描述平衡态及其描述一、系统的分类一、系统的分类(孤立系、闭系、开系)(孤立系、闭系、开系)有无能量交换有无能量交换有无物质交换有无物质交换系统种类系统种类无无无无孤立系孤立系有有无无闭系闭系有有有有开系开系二、热力学平衡态二、热力学平衡态 在不受外界影响的条件下,系统的性质不随时间变在不受外界影响的条
4、件下,系统的性质不随时间变化的状态为热力学平衡态。化的状态为热力学平衡态。1.驰豫过程与驰豫时间;驰豫过程与驰豫时间;2.不受外界影响条件;不受外界影响条件;3.热动平衡热动平衡4.非孤立系的平衡态。非孤立系的平衡态。.状态参量状态参量 2.状态函数状态函数 3.非热学特有参量(四类基本参量)非热学特有参量(四类基本参量)4.热学特有参量热学特有参量 5.简单系统简单系统三、状态函数三、状态函数四、相四、相五、非平衡态的描述五、非平衡态的描述 一个物理性质均匀的系统称为一个相。根据相的数量,一个物理性质均匀的系统称为一个相。根据相的数量,可以分为单相系和复相系。可以分为单相系和复相系。1.2热
5、平衡定律及温度热平衡定律及温度一、热平衡定律一、热平衡定律(热力学第零定律)热力学第零定律)二、态函数温度二、态函数温度 如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡,它们如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡,它们彼此也处在热平衡彼此也处在热平衡.cabcab若若A与与B平衡,则有:平衡,则有:),(0),(CAAACCCCAAACVVpFpVpVpfB与与C平衡,有:平衡,有:),(0),(CBBBCCCCBBBCVVpFpVpVpf),(),(CBBBCCAAACVVpFVVpF由若平衡定律,由若平衡定律,A与与B平衡,平衡,0),(BBAAABVpVpf故:故:),(),(BBBAAAVpg
6、Vpg存在着态函数存在着态函数g(P,V)用来表征系统热平衡状态下的特征,用来表征系统热平衡状态下的特征,经验表明,这就是系统的温度。经验表明,这就是系统的温度。三三.温度计与温标温度计与温标1.经验温标:凡是以某物质的某一属性随冷热程度的变经验温标:凡是以某物质的某一属性随冷热程度的变化为依据而确定的温标称为经验温标。化为依据而确定的温标称为经验温标。2.理想气体温标:理想气体温标:)(lim16.2730tpppKTt 3.热力学温标:不依赖任何具体物质特性的温标。热力学温标:不依赖任何具体物质特性的温标。在理想气体可以使用的范围内,理想气体温标与热在理想气体可以使用的范围内,理想气体温标
7、与热力学温标是一致的。力学温标是一致的。1.3物态方程物态方程 一一.物态方程是温度与状态参量之间的函数关系。对于物态方程是温度与状态参量之间的函数关系。对于简单系统:有简单系统:有f(P,V,T)0 二二.常用物理量常用物理量 TTVpTVVTppTVV)(1.3)(1.2)(1:.1等温压缩系数:压强系数:体积膨胀系数三者之间存在关系:pT 三三.物态方程的具体形式:物态方程的具体形式:1.气体的物态方程气体的物态方程.a.玻马定律与阿氏定律玻马定律与阿氏定律 b.理想气体状态方程理想气体状态方程:C.实际气体的状态方程实际气体的状态方程:nRTnbVVanp)(22范德华尔斯方程:范德华
8、尔斯方程:昂尼斯方程:昂尼斯方程:3232 VDVCVBApVDpCpBpApV或:位力系数位力系数2.简单的固体和液体(已知:简单的固体和液体(已知:、T)V=V01+(T-T0)-T(p-p0)3.顺磁介质:顺磁介质:M=CH/T(实验公式)实验公式)4.5液体表面薄膜液体表面薄膜 0(1-/)四四.广延量和强度量广延量和强度量1.4准静态过程与功准静态过程与功一一.准静态过程准静态过程1.系统从一个状态(平衡态或非平衡态)变化到另一个状态的过系统从一个状态(平衡态或非平衡态)变化到另一个状态的过程叫程叫热力学过程热力学过程2.准静态过程:过程又无限靠近的平衡态组成,过程进行的每一准静态过
9、程:过程又无限靠近的平衡态组成,过程进行的每一步,系统都处于平衡态步,系统都处于平衡态3.近似的准静态过程近似的准静态过程4.准静态过程的判据和重要性质准静态过程的判据和重要性质 a驰豫时间判据驰豫时间判据 b对于无摩擦阻力系统,外界作用力可用平衡态状态参量来表示对于无摩擦阻力系统,外界作用力可用平衡态状态参量来表示PV0二.准静态过程的功1.体积变化功2.液体表面膜面积变化功3.电介质的极化功VEdPEVddW)2(20dAdWAdxdW4.磁介质的磁化功5.一般情况下,准静态中,外界对系统做功iiidyYdWVHdmHVddW020)2(1.5热力学第一定律热力学第一定律一一.焦耳实验焦耳
10、实验绝热过程:系统状态的变化完全是机械作用或电磁作用绝热过程:系统状态的变化完全是机械作用或电磁作用 的结果而没有受到其他影响。的结果而没有受到其他影响。二二.态函数内能态函数内能SABWUU三三.热力学第一定律热力学第一定律QWUUAB对于无穷小过程,有:对于无穷小过程,有:dWdQdU四四.第一类永动机不可能造成。第一类永动机不可能造成。1.6热容量与焓热容量与焓 一一.热容量定义:系统在热力学过程中,升高热容量定义:系统在热力学过程中,升高1K所吸收的所吸收的热量热量 1.定容热容量:定容热容量:2.定压热容量:定压热容量:3.焓:焓:由热力学第一定律定压过程中,由热力学第一定律定压过程
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