《统计热力学》教学课件.ppt

*****************引言：统计热力学的研究对象和任务研究对象统计热力学以宏观体系为研究对象，关注物质的热力学性质，例如温度、压强、体积和熵。它研究这些性质随时间和条件的变化规律。研究任务统计热力学的主要任务是将微观粒子的运动与宏观热力学性质建立起联系。它解释热力学定律的统计物理基础，并为物质的热力学性质提供微观解释。术语与概念回顾：系统、状态、能量等11.系统统计热力学研究的对象，一个由大量微观粒子组成的宏观系统。22.状态系统的宏观性质，包括温度、压强、体积等。33.能量系统中所有微观粒子动能和势能的总和。44.热力学平衡系统处于稳定状态，不再发生宏观变化。微观状态与宏观状态微观状态描述系统中每个粒子的具体位置和动量。例如，一个包含三个粒子的理想气体，每个粒子都有自己的坐标和速度，这些信息构成了该系统的微观状态。宏观状态描述系统整体的性质，例如温度、压力、体积等。例如，我们可以用温度、压力和体积来描述一个理想气体的宏观状态，而无需关注每个粒子的详细信息。关系一个宏观状态通常对应着许多不同的微观状态。例如，一个给定温度的理想气体可以由许多不同的粒子位置和动量组合来实现，这些组合都对应于相同的宏观状态。热力学概率热力学概率是指系统处于某一特定宏观状态的微观状态数目。它反映了系统在宏观状态下所有可能的微观排列方式的数量，是统计热力学中的一个重要概念。例如，一个理想气体系统，其宏观状态由温度、体积和压强决定，而微观状态则对应于气体分子在空间中的位置和动量。热力学概率越大，系统处于该宏观状态的可能性就越大。它与系统熵的大小成正比，即熵越大，热力学概率越大，系统越混乱无序。熵的定义与表达式熵的定义熵是热力学系统无序程度的量度，它描述了系统内部微观状态的混乱程度。熵的表达式熵可以用统计热力学公式来表达，它与系统微观状态的数目有关。微观状态与熵熵的定义与系统微观状态的数目密切相关。微观状态越多，熵越大，系统越无序。熵增加原理孤立系统的熵总是随着时间推移而增加，直到达到平衡状态。热力学第一定律能量守恒定律热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的体现。能量转换该定律表明，能量不能凭空产生或消失，只能从一种形式转化为另一种形式。应用范围热力学第一定律在各种物理、化学和生物过程中的应用，例如热机、制冷剂和能量存储。内能的表达式内能定义内能是一个热力学系统所包含的总能量。表达式内能可以用微观状态的统计平均值表示。统计平均值计算系统所有可能微观状态的能量，并根据概率加权平均。关键因素内能取决于系统温度、体积和物质组成。热力学第二定律热力学第二定律孤立系统趋向于最大熵状态。热量不能自发地从低温物体流向高温物体。熵描述系统混乱程度的物理量。熵增原理：孤立系统熵值总是在增加，达到最大熵状态时达到平衡。不可逆过程热力学第二定律的核心内容是不可逆过程。自然界发生的绝大多数过程都是不可逆的，例如热量传递、摩擦生热等。效率热机效率受热力学第二定律限制。不可能制造出效率为100%的热机。卡诺循环及其效率卡诺循环是热力学中一个理想的循环过程，由四个可逆过程组成，分别为等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。1卡诺循环由四个可逆过程组成2效率最大热效率3应用热机设计卡诺循环的效率是所有工作在相同温度热源和冷源之间的热机中最高的，称为卡诺效率。卡诺效率只与热源和冷源的温度有关，而与工作物质无关。卡诺循环在实际应用中具有重要的意义，因为它为热机设计提供了理论依据。焦耳-汤姆森效应气体绝热膨胀当气体通过节流阀或多孔塞时，气体压力会下降，温度也会随之变化。温度变化焦耳-汤姆森系数决定了温度变化，它取决于气体的性质和初始状态。应用该效应在气体液化和制冷系统中有着重要的应用，例如液氮和液氦的制备。自由能及其应用化学反应自由能用于判断化学反应的自发性，最小化自由能对应平衡状态。蛋白质折叠自由能可以预测蛋白质折叠的稳定性，最小自由能对应蛋白质的天然状态。相变自由能的变化决定相变的发生，不同相对应不同的自由能最小值。玻尔兹曼分布1微观状态概率描述处于特定能级的粒子数与其总粒子数的比例。2能量分布遵循指数函数关系，温度越高，高能级粒子越多。3统计热力学基础解释了热力学性质，如内能、熵和热容。4应用广泛例如，解释理想气体、固体、液体等物质的性质。理想气体的统计热力学描述微观状态计算理想气体模型假设分子之间没有相互作用力，只考虑动能。可以根据气体分子的动量和位置来计算微观状态数，并推导出理想气体的热力学性质。配分函数配分函数