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第4篇 热 学 研究对象 研究目的 研究方法 热力学和统计物理学的优缺点 热力学和统计物理学方法的局限性 2.研究目的 3.研究方法 4.热力学和统计物理学的优缺点 第14章 温度和气体动理论 1.热力学系统与其平衡态 1)热力学系统的分类 2)热力学平衡态及其描述 3)热力学平衡态的变化 2.热力学第零定律与温度 1)热力学第零定律 2)温度 3)状态方程 3.理想气体的状态方程 1. 热力学系统及其平衡态 另外，热力学系统还有其它的分类方法。 2）热力学平衡态及其描述 （2）热力学平衡态的描述 Notice: 另外，均匀系统的热力学量还存在物理量的另一种分类： 均匀系统的热力学量按其与系统的质量或物质的量的关系可以分为两类： （3）热力学平衡态的变化 2. 热力学第零定律与温度 但，因经验温标的温度读数与测温物质的测温特性有关，即使都用同一测温物质，用其不同的测温属性的温度计来测同一热力学系统的温度，其读数除固定点外，并不严格一致。 理想气体的温标 定义：当温度计中气体的压强为 p 时，理想气体温度计的温 度为 3) 状态方程 数学上，方程(6)也可写成, （2） 与状态方程有关的三个物质系数 另外，β 在实验上不易测量，它可利用 p、V 和 T 偏导数间存 在的关系： 几种常见物质的状态方程 2.实际气体 从微观上看，理想气体没有考虑气体分子间的作用力。如果考虑气体分子间的相互作用，有以下两种形式的实际气体的状态方程 * 关于物质热运动的理论 引言 研究对象 研究对象的复杂性 大量微粒： ? 1023 微粒速度：102?103ms-1 微粒线度：10-10m 微粒质量：10-26kg 微粒每秒碰撞次数：? 109 热运动：构成物质的大量微观粒子始终不停的无规则运动 热力学系统 由不停地做无规则热运动的大量微观粒子组成的宏观物质系统 研究热力学系统的热运动的本质和运动规律 温度、内能、熵等以及它们与系统的力学、电磁学等性质的关系 过程进行的方向和限度 系统的凝聚状态 …… 如: 关于物质的热运动，有宏观的热力学和微观的统计物学两种理论 热力学 通过对热现象的观测、实验和分析，提出关于热现象的基本定律，再运用演绎的方法构建整个热力学理论体系 统计物理学 考虑宏观物质系统是由大量微观粒子构成的这一事实，认为宏观物理量是微观态相应物理量的统计平均值 热力学 优点：普遍性 缺点：不能研究系统的特性，不能解释涨落 统计 物理学 优点：可研究系统特性，可解释涨落 缺点：结果近似 只考虑系统变化前后的净结果；不考虑其变化的机理 能判断系统变化能否发生以及进行到什么程度；但不考虑变化所需要的时间，不知道变化的速率 如: 合成氨的工业生产 金刚石到石墨的转变 …… 除需要热力学（Thermodynamics），统计物理学（Statistical Mechanics）理论外，还需要动力学（Kinetics）方面的理论 5.热力学和统计物理学方法的局限性 热力学系统 （1）孤立系：无能量交换，无物质交换 （2）封闭系：有能量交换，无物质交换 （3）开放系：有能量交换，有物质交换 Notice： 1）热力学系统的分类 依据系统与环境相互作用的情况不同， 孤立系是个理想化的概念、且不是力学中的孤立系！ 孤立系在热力学及统计物理中具有非常重要的地位！ 依据系统各部分性质是否完全一样， 热力学系统 （1）单相系 （2）复相系 依据系统化学成份是否单一， …… 热力学系统 （1）单元系 （2）多元系 例： （1）热力学平衡态 关于热力学平衡态的几点说明： 驰豫时间：初态到平衡态所需时间 热动平衡：从微观上看 存在涨落：但热力学忽略了它 非孤立系亦有平衡态：非孤立系+环境=大孤立系 一个孤立系，不论其初态如何，在经过足够长的时间后，都会达到其各种宏观性质都不随时间发生变化的状态--热力学平衡态。 描述平衡态 的宏观物理量 处在平衡态的热力学系统，其所有宏观量都具有确定值。但要确定一个平衡态，并不需要指定所有宏观量的值。 (这些宏观量之间存在着一定的内在联系，使得它们不会是完全独立的。) 状态参量：相互独立，且能完备地描述系统平衡态的最少的一组宏观量 态函数：其它所有可表示为状态参量的函数的宏观量 1）状态参量 2）态函数 （1）几何参量：V （2）力学参量：p （3）化学参量：ni T、U、S 等 （4）电磁参量： 在实际处理问题时，常常依数学上的方便来选状态参量和态函数。 上面关于平衡态的描述是对均匀单相系而言的。对于复相系，各相都要用这四类参量来描述，但各相的参量不完全是独立的。 只需压强（p）和体积（V）两个状态参量就可确定系统的状态，这样的系统称简单系统（或pV系统）。本课程以后主要以这种系统为例来讨论问题。