热学课件：第1章 导论1

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1、热热 学学(thermology)绪绪 论论很高兴本学期能够和大家共同来学习很高兴本学期能够和大家共同来学习热学热学。经历了高考，升入大学以后，大家重新站在同一起跑经历了高考，升入大学以后，大家重新站在同一起跑线上了。但是由于种种原因，很快就会分化，成绩优秀者，线上了。但是由于种种原因，很快就会分化，成绩优秀者，能够出国、保送上研究生等继续深造，也会有不及格、重能够出国、保送上研究生等继续深造，也会有不及格、重修、甚至退学。当然，对于修、甚至退学。当然，对于热学热学，大家又一次站在同，大家又一次站在同一起跑线上了，不管你们高中学过多少热学知识、亦或者一起跑线上了，不管你们高中学过多少热学知识、

2、亦或者没有学过热学知识，都不会影响这门课的学习，但是，同没有学过热学知识，都不会影响这门课的学习，但是，同样也很快就会出现分化。样也很快就会出现分化。学如逆水行舟，不进则退。学如逆水行舟，不进则退。大学教学信息量大、教学节奏快、又是大班授课，希望大学教学信息量大、教学节奏快、又是大班授课，希望同学们尽快适应。大学的教学重点放在学习新知识和新方法同学们尽快适应。大学的教学重点放在学习新知识和新方法以及培养科学研究能力和素质上，同学们要全力以赴以学好以及培养科学研究能力和素质上，同学们要全力以赴以学好热学热学这门课。这门课。热热 学学研究物质热运动与热相联系的各种规律的理论研究物质热运动与热相联系

3、的各种规律的理论热力学热力学统计物理学统计物理学热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质一、热学的发展简史一、热学的发展简史 热科学的早期发展热科学的早期发展 早期人类钻木取火早期人类钻木取火 古希腊（公元前古希腊（公元前611430年）年）四元素四元素说：万物是由说：万物是由土、水、火、气土、水、火、气四种元素四种元素在数量上不同比例的配合在数量上不同比例的配合组成的。组成的。我国殷商时期我国殷商时期五行学说五行学说：金、木、水、火、土金、木、水、火、土是构是构成世界万物的五种基本元成世界万物的五种基本元素，称为五行。素，称为五行。测温学的

4、发展简史测温学的发展简史 伽利略温度计（伽利略温度计（1616世纪）世纪）利用空气热胀冷缩的性质，制作了人类利用空气热胀冷缩的性质，制作了人类第一个空气温度第一个空气温度计计，开始了对物体的冷热程度（温度）进行定量测定的研究，开始了对物体的冷热程度（温度）进行定量测定的研究，可作为可作为“测温学测温学”（Thermometry）的开端。）的开端。1714 年，荷兰工人华伦海特建立了年，荷兰工人华伦海特建立了华氏温标华氏温标，首先使用水，首先使用水银代替酒精。以盐水和冰的混合物作为基准点（银代替酒精。以盐水和冰的混合物作为基准点（0F），而以），而以水的冰点（水的冰点（32F）及水的沸点（）及水

5、的沸点（212F）作为固定参考点。）作为固定参考点。1742年瑞典的摄尔修斯定义水的沸点为零度，冰的熔点为年瑞典的摄尔修斯定义水的沸点为零度，冰的熔点为100度，建立了度，建立了摄氏温标摄氏温标。1749 年，该温标的基准点及固定参考年，该温标的基准点及固定参考点，被摄尔修斯的助手施勒默尔颠倒过来。点，被摄尔修斯的助手施勒默尔颠倒过来。1854年，开尔文（年，开尔文（Lord Kelvin，原名，原名William Thomson，1824 1907）根据卡诺定理建立了与工质性质无关的）根据卡诺定理建立了与工质性质无关的热力学温热力学温标标，即开氏温标，并提出采用一个定义点的建议。开尔文温标，

6、即开氏温标，并提出采用一个定义点的建议。开尔文温标的建立，使的建立，使“测温学测温学”与热力学基本定律之间建立了联系，是与热力学基本定律之间建立了联系，是“测温学测温学”的一个重要进展。的一个重要进展。热力学的发展简史热力学的发展简史 瓦特早期蒸汽机瓦特早期蒸汽机1769年，英国技工瓦特改进了蒸汽机，加了冷凝器，年，英国技工瓦特改进了蒸汽机，加了冷凝器，使机器提供了连续的大功率的可使用动力源，促进了采矿使机器提供了连续的大功率的可使用动力源，促进了采矿业和纺织业的快速发展。业和纺织业的快速发展。蒸汽轮船（蒸汽轮船（1807年）年）火车（英国，火车（英国，1825年）年）1807年，热机被美国人

7、富尔顿应用于轮船，年，热机被美国人富尔顿应用于轮船，1825年被用于火车和铁路。年被用于火车和铁路。最早的汽车（最早的汽车（1892年）年）为了进一步提高生产率，有人又想设计出第一类永动机，为了进一步提高生产率，有人又想设计出第一类永动机，1755年人们得出结论，第一类永动机是无法实现的，这为年人们得出结论，第一类永动机是无法实现的，这为热力学第一定律的建立创造了条件。热力学第一定律的建立创造了条件。1760-1770年，英国物理学家布莱克提出了年，英国物理学家布莱克提出了“热质说热质说”，认为认为“热质是一种到处弥漫的、细微的、不可见的流体热质是一种到处弥漫的、细微的、不可见的流体”，它是它

8、是“既不能被创造也不会被消灭的既不能被创造也不会被消灭的”。这种形而上学的。这种形而上学的哲学思想统治了人们上百年。哲学思想统治了人们上百年。1798 年，伦福特的著名的炮筒镗孔摩擦生热的实验，年，伦福特的著名的炮筒镗孔摩擦生热的实验，以及，以及，1799 年，戴维的冰块摩擦熔化实验，有力地批驳了年，戴维的冰块摩擦熔化实验，有力地批驳了“热质说热质说”，指出，指出“热是一种运动的方式，而绝不是一种热是一种运动的方式，而绝不是一种神秘的、到处存在的物质神秘的、到处存在的物质”。1842年，迈耶（年，迈耶（Robert Mayer）在）在“量热学量热学”现成数据现成数据的基础上，得出了迈耶公式；得

9、出热功当量关系。为热力学的基础上，得出了迈耶公式；得出热功当量关系。为热力学第一定律的建立奠定了可靠的基础。第一定律的建立奠定了可靠的基础。1847 年，亥姆霍茨（年，亥姆霍茨（Hermannvon Helmholtz）采用不同）采用不同的方法，证实了各种不同形式的能量与功之间的转换关系。的方法，证实了各种不同形式的能量与功之间的转换关系。在在1840 年年 1850 年间，焦耳（年间，焦耳（James Prescott Joule）做）做了大量热功当量的实验，验证了许多过程的能量关系，使能了大量热功当量的实验，验证了许多过程的能量关系，使能量转换与守恒定律成为物理学上最普遍的定律，推动了整个

10、量转换与守恒定律成为物理学上最普遍的定律，推动了整个物理学的发展。物理学的发展。焦耳热功当量实验焦耳热功当量实验 热力学第一定律热力学第一定律用热做功用热做功存在限制否？存在限制否？1824 年，法国工程师卡诺提出了著名的卡诺定理，指出了年，法国工程师卡诺提出了著名的卡诺定理，指出了热功转换的条件及热效率的最高理论限度，为热力学第二定律热功转换的条件及热效率的最高理论限度，为热力学第二定律的建立奠定了基础。的建立奠定了基础。1851 年，开尔文在卡诺定理的基础上，提出了如下的热力年，开尔文在卡诺定理的基础上，提出了如下的热力学第二定律说法：学第二定律说法：“不可能从单一热源吸热使之完全转变为功

11、不可能从单一热源吸热使之完全转变为功而不产生其它的影响而不产生其它的影响”。1850 年，克劳修斯提出了如下的热力学第二定律说法：年，克劳修斯提出了如下的热力学第二定律说法：“不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化”。这些就构成了完整的热力学理论体系。这些就构成了完整的热力学理论体系。1840 年年 1850 年，迈耶、亥姆霍茨、焦耳年，迈耶、亥姆霍茨、焦耳热力学第一定律热力学第一定律1850 年年 1851 年，开尔文、克劳修斯年，开尔文、克劳修斯热力学第二定律热力学第二定律1917年，能斯特年，能斯特热力学第三定律热力学第三定律

12、：“绝对零度是不可能达到的绝对零度是不可能达到的”。1939年，否勒年，否勒热力学第零定律热力学第零定律：“两个系统与第三个系统处于热平衡，两个系统与第三个系统处于热平衡，则这两个系统也处于热平衡则这两个系统也处于热平衡”。分子动理学的发展简史分子动理学的发展简史 l 1620 年，培根认为年，培根认为“热是运动热是运动”。这可看作是，人们对。这可看作是，人们对“热热量量”的本质进行科学研究的开端。的本质进行科学研究的开端。l 1658年，伽桑狄提出，物质是由分子构成的。年，伽桑狄提出，物质是由分子构成的。l 1678年，胡克认为气体压强是气体分子与器壁碰撞的结果，年，胡克认为气体压强是气体分

13、子与器壁碰撞的结果，l 1738年，伯努利由碰撞概念导出了玻意耳定律，年，伯努利由碰撞概念导出了玻意耳定律，l 1747年，俄国化学家罗蒙洛索夫明确提出了热是分子运动表年，俄国化学家罗蒙洛索夫明确提出了热是分子运动表现，成功解释了一些热现象。现，成功解释了一些热现象。l 1808年，道尔顿发现了分压定律。年，道尔顿发现了分压定律。l 1827年，英国医生布朗在显微镜下看到了花粉颗粒在水溶液年，英国医生布朗在显微镜下看到了花粉颗粒在水溶液中杂乱无章的运动，称为布朗运动，是分子热运动的表现，中杂乱无章的运动，称为布朗运动，是分子热运动的表现，布朗运动的发现是分子物理和统计物理中最重要的时间，具布朗

14、运动的发现是分子物理和统计物理中最重要的时间，具有划时代的意义。有划时代的意义。1857年，克劳修斯建立了理想气体分子模型和压强公式，引年，克劳修斯建立了理想气体分子模型和压强公式，引入了平均自由程的概念。入了平均自由程的概念。1860年，麦克斯韦第一次用概率的思想，建立了麦克斯韦分年，麦克斯韦第一次用概率的思想，建立了麦克斯韦分子速率分布律。子速率分布律。1869年，玻耳兹曼在麦氏速率分布率的基础上，建立了更全年，玻耳兹曼在麦氏速率分布率的基础上，建立了更全面的玻耳兹曼分布律。建立了初步的统计物理基础。面的玻耳兹曼分布律。建立了初步的统计物理基础。1902年吉布斯年吉布斯把整个系统作为统计的

15、个体，提出研究大量系把整个系统作为统计的个体，提出研究大量系统构成的系综在相宇中的分布，克服了气体动理论的困难，建立统构成的系综在相宇中的分布，克服了气体动理论的困难，建立了统计物理了统计物理。二、息息相关的热现象二、息息相关的热现象 热现象和我们的生活和社会的发展是息息相关的，小热现象和我们的生活和社会的发展是息息相关的，小到测量温度的温度计，大到热机、火箭、神州飞船飞天等到测量温度的温度计，大到热机、火箭、神州飞船飞天等等几乎无处不在：等几乎无处不在：l自行车轮胎打气自行车轮胎打气?l体温计，常见温度计体温计，常见温度计?l长江大桥桥面，公路的路面留有缝隙长江大桥桥面，公路的路面留有缝隙?

16、l冷、热水混合后，热的变冷，冷的变热冷、热水混合后，热的变冷，冷的变热?l冰箱、空调为什么可以是热的更热，冷的更冷冰箱、空调为什么可以是热的更热，冷的更冷?l冬天结冰的衣服直接干了冬天结冰的衣服直接干了?l绝缘材料损坏与航天飞机失事？绝缘材料损坏与航天飞机失事？l宇宙的未来（有序和无序）？宇宙的未来（有序和无序）？三、教学及要求三、教学及要求 如何教如何教 教材：教材：秦允豪秦允豪热学热学第三版，第三版，2011年高教出版社年高教出版社 以传统讲授为主，多种模式结合。以传统讲授为主，多种模式结合。如何学如何学 l 多提几个为什么，带着问题去一遍又一遍地看书、思考；多提几个为什么，带着问题去一遍

17、又一遍地看书、思考；l 问题要自我思考解决为主，不要急于问别人；问题要自我思考解决为主，不要急于问别人；l 学会抓住问题核心，不要一味追求数值上的精确，或者是学会抓住问题核心，不要一味追求数值上的精确，或者是数学上的绝对严谨，这一点对于学习热学尤其重要；数学上的绝对严谨，这一点对于学习热学尤其重要；我要做到的我要做到的 l 按时、按质、按量上好课，做好答疑（地点：按时、按质、按量上好课，做好答疑（地点：主楼主楼E1111，时间待定）以及批改作业等事情；时间待定）以及批改作业等事情；l 不断钻研改进教学，提高教学质量。不断钻研改进教学，提高教学质量。你们要做到的你们要做到的 1.课堂上，大家积极

18、互动，除此之外，保持课堂安静；课堂上，大家积极互动，除此之外，保持课堂安静；2.不得无理由缺课，点名不得无理由缺课，点名3次不到，期末不能参加考试，次不到，期末不能参加考试，如果有事请假，请在课前提交辅导员签字的请假条，课如果有事请假，请在课前提交辅导员签字的请假条，课后不收请假条；后不收请假条；3.尽量不要迟到，如果迟到请走后门；尽量不要迟到，如果迟到请走后门；4.手机保持安静，不许上课翻阅手机、平板电脑等电子产手机保持安静，不许上课翻阅手机、平板电脑等电子产品；不许带耳机。品；不许带耳机。l 要来要来听课听课，安心地、认真地安心地、认真地听好每一次课，具体要求：听好每一次课，具体要求：l

19、根据教学计划，将在课堂上进行根据教学计划，将在课堂上进行不定期的小测验不定期的小测验，小测，小测验的成绩将作为期末综合成绩的一部分。不许抄袭小测验的成绩将作为期末综合成绩的一部分。不许抄袭小测验，一旦发现，不管是抄袭者还是被抄袭者，该次小测验，一旦发现，不管是抄袭者还是被抄袭者，该次小测验成绩为零分；不许替别人提交小测验，一旦发现，不验成绩为零分；不许替别人提交小测验，一旦发现，不管是替者还是被替者，该次小测验成绩为零分。管是替者还是被替者，该次小测验成绩为零分。l 要做要做作业作业，要，要独立地、按质、按量独立地、按质、按量完成，完成，按时按时交。绝不交。绝不允许抄袭作业，一旦发现，不管是抄

20、袭者还是被抄袭者，允许抄袭作业，一旦发现，不管是抄袭者还是被抄袭者，该次作业成绩为零分。该次作业成绩为零分。勤动手、嘴、眼、脑；享受学习带来的快乐，做一勤动手、嘴、眼、脑；享受学习带来的快乐，做一个勤快的好学生。个勤快的好学生。考核考核 参考书参考书 作业作业10分，小测验分，小测验10分，课堂到课及表现分，课堂到课及表现10分，期末分，期末70分。分。l 李椿等编，李椿等编，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社，2008年；年；l 赵凯华，罗蔚茵编，赵凯华，罗蔚茵编，新概念物理教程：热学新概念物理教程：热学（第（第二版），高等教育出版社，二版），高等教育出版社，2005年；年；l 包科达

21、编，包科达编，热学教程热学教程，科学出版社，科学出版社，2007年。年。四、热学课程的目的和任务四、热学课程的目的和任务 目的目的 l 系统地了解和掌握热学的基本概念、基本原理、基本知系统地了解和掌握热学的基本概念、基本原理、基本知识、基本思想和方法，以及它们的实验基础；识、基本思想和方法，以及它们的实验基础；l 了解热学的发展方向以及与其它自然科学和社会科学等了解热学的发展方向以及与其它自然科学和社会科学等关系；关系；l 培养学生进一步学好物理学的兴趣，提高学生的自学能培养学生进一步学好物理学的兴趣，提高学生的自学能力、分析和解决问题的能力；力、分析和解决问题的能力；l 逐步帮助学生建立科学

22、的自然观、世界观和方法论。逐步帮助学生建立科学的自然观、世界观和方法论。任务任务 导论导论分子动理学理论分子动理学理论（微观理论）（微观理论）热力学基础热力学基础（宏观理论）（宏观理论）热学理论的应用热学理论的应用（物性学）（物性学）1、理想气体分、理想气体分子 运 动 的 规 律子 运 动 的 规 律（平衡态）；（平衡态）；2、理想气体内、理想气体内迁移规律（非平迁移规律（非平衡态）衡态）。1、热力学第一定律；、热力学第一定律；2、热机；、热机；3、热力学第二定律。、热力学第二定律。1、实际气体、液、实际气体、液体的基本性质；体的基本性质；2、一级相变特征、一级相变特征及基本规律。及基本规律

23、。微观：微观：物质的微观模型、物质的微观模型、温度、压强、物态方程温度、压强、物态方程宏观：宏观：平衡态、温平衡态、温度、压强、物态方度、压强、物态方程程第第1章章 导论导论1.1 宏观描述方法与微观描述方法宏观描述方法与微观描述方法 1.2 热力学系统与平衡态热力学系统与平衡态1.3 平衡态的态函数平衡态的态函数温度温度1.4 物态方程物态方程1.5 物质的微观模型物质的微观模型1.6 理想气体微观描述的初级理论理想气体微观描述的初级理论1.7 分子间作用力势能与真实气体物态方程分子间作用力势能与真实气体物态方程1.1 宏观描述方法与微观描述方法宏观描述方法与微观描述方法 一一、热物理学、热

24、物理学（thermal physics）热物理学是研究有关物质的热现象、热运动以及与热物理学是研究有关物质的热现象、热运动以及与热相联系的各种规律的科学。它与热相联系的各种规律的科学。它与力学、电磁学力学、电磁学及及光学光学一起共同被称为经典物理四大柱石。一起共同被称为经典物理四大柱石。热现象：与温度有关的物理性质的变化；热现象：与温度有关的物理性质的变化；热运动：组成物质的大量微观粒子的无规则运动。热运动：组成物质的大量微观粒子的无规则运动。二、热学研究对象的特征二、热学研究对象的特征 热学研究的是由数量很大很大的大数微观粒子所组成热学研究的是由数量很大很大的大数微观粒子所组成的系统，宏观物

25、质由大量微观粒子组成，微观粒子（分子、的系统，宏观物质由大量微观粒子组成，微观粒子（分子、原子等）都处于永不停息的无规热运动中原子等）都处于永不停息的无规热运动中 大量微观粒子的无规热运动大量微观粒子的无规热运动-决定了宏观物质的热学性质决定了宏观物质的热学性质特征特征 热现象是众多微小粒子群体运动，每个粒子都有自己的运热现象是众多微小粒子群体运动，每个粒子都有自己的运动，但是宏观上又表现出一种集体效应；动，但是宏观上又表现出一种集体效应；1mol物质中就有物质中就有6.021023个分子，个分子，确定性和必然性是由确定性和必然性是由众多的偶然性统计平均的结果众多的偶然性统计平均的结果 宏观过

26、程与微观运动的时间尺度相差悬殊宏观过程与微观运动的时间尺度相差悬殊 测量是一种统计平均测量是一种统计平均 热现象多伴有较复杂的能量转化热现象多伴有较复杂的能量转化 热学过程具有方向性热学过程具有方向性 三、宏观和微观描述方法三、宏观和微观描述方法例例:从力学可知，若方形刚性箱的光滑底上有从力学可知，若方形刚性箱的光滑底上有n个弹性刚球。任个弹性刚球。任一球在任一时刻的位置与速度可列出一球在任一时刻的位置与速度可列出6个方程。个方程。n个球就有个球就有6n个方程。个方程。例例:1mol物质中就有物质中就有6.021023个分子。因而有个分子。因而有661023个个方程。显然，人类不可能造出一部能

27、计算方程。显然，人类不可能造出一部能计算1023个粒子的个粒子的运动方程的计算机。运动方程的计算机。宏观理论宏观理论微观理论微观理论热力学热力学统计物理学统计物理学由偶然确定必然是一个统计的问题，将力学和统计方法结由偶然确定必然是一个统计的问题，将力学和统计方法结合起来就形成了求解热学问题的根本方法合起来就形成了求解热学问题的根本方法统计力学原理。统计力学原理。但是这样一来，势必会使各种热学问题的研究复杂化。所以历但是这样一来，势必会使各种热学问题的研究复杂化。所以历史上又以观察实验为基础，总结出理论，反复加以验证和完善，史上又以观察实验为基础，总结出理论，反复加以验证和完善，成为实用性很强的

28、另一种热学的研究方法成为实用性很强的另一种热学的研究方法热力学方法，即热力学方法，即研究热学的方法分为热力学方法和统计物理学方法。研究热学的方法分为热力学方法和统计物理学方法。四、热力学四、热力学（thermodynamics）2.热力学是具有最大普遍性的一门科学热力学是具有最大普遍性的一门科学-不提出任何一个特殊不提出任何一个特殊模型，但又可应用于任何的宏观的物质系统。模型，但又可应用于任何的宏观的物质系统。热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象的大量的直热力学是热物理学的宏观理论，它从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发，应用数的普适

29、的基本定律出发，应用数学方法，通过逻辑推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之学方法，通过逻辑推理及演绎，得出有关物质各种宏观性质之 间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。1.热力学基本定律是自然界中的普适规律，热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论具有可靠性与普遍性，可程中不加上其它假设，这些结论具有可靠性与普遍性，可为统计物理的结论提供论证为统计物理的结论提供论证。特征特征热力学的局限性：热力学的局限性：（1）它只适用于粒子数很多的宏观系统；）它只适用于粒子数很多的宏观系统；（2）

30、它主要研究物质在平衡态下的性质。它不能解答系统如）它主要研究物质在平衡态下的性质。它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程；何从非平衡态进入平衡态的过程；（3）它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。它把物质看为连续体，不考虑物质的微观结构。(4)它只能说明应该有怎样的关系，而不能解释为什么有这种它只能说明应该有怎样的关系，而不能解释为什么有这种基本关系。基本关系。要解释原因，须从物质微观模型出发，利用分子动理论或要解释原因，须从物质微观模型出发，利用分子动理论或统计物理方法予以解决统计物理方法予以解决-微观理论。微观理论。五、统计物理学（五、统计物理学（Statistical phys

31、ics）1.大数粒子作为一个整体，存在着统计相关性，遵从一定的大数粒子作为一个整体，存在着统计相关性，遵从一定的统统计规律。计规律。统计物理学则是热物理学的微观描述方法，它从物质由统计物理学则是热物理学的微观描述方法，它从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观性把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定，由此找出微观，由此找出微观量与宏观量之间的关系。量与宏观量之间的关系。特征特征2.对大数粒子统计所得的对大数粒子统计所得的平均值平均值就是平衡态系统的宏观可测定就是平衡态系统的宏观可

32、测定的物理量。的物理量。3.系统的粒子数越多，统计规律的正确程度也越高。系统的粒子数越多，统计规律的正确程度也越高。经典统计物理经典统计物理量子统计物理量子统计物理4.深入到物质本质，剖析热现象本质，给宏观理论以深刻的深入到物质本质，剖析热现象本质，给宏观理论以深刻的本质的解释本质的解释 u 统计平均值统计平均值 n21nn2211NNNNxNxNxxNNxiix iiPx随机变量：某一物理量随机变量：某一物理量M在一定条件下的可能取值在一定条件下的可能取值M1、M2、M3，称为随机变量，称为随机变量.若随机变量若随机变量Mi出现的概率为出现的概率为Pi，则其统计平均值为，则其统计平均值为 i

33、iiMPM概率分布概率分布:Pi第第i个事件发生的总次数与全部事件发生的总次数的比个事件发生的总次数与全部事件发生的总次数的比值称为第值称为第i个事件发生的概率，即个事件发生的概率，即定义：定义：iiNPN1iP概率分布满足归一化条件：概率分布满足归一化条件：平均值平均值统计规律统计规律微观描述方法的局限性在于它在数学上常遇到很大微观描述方法的局限性在于它在数学上常遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得到的的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得到的理论结果常与实验不能完全符合。理论结果常与实验不能完全符合。热物理学涉及的内容很多，本课程主要讨论以下三部热物理学涉及的内容很多

34、，本课程主要讨论以下三部分内容：（分内容：（1）热力学基础；（）热力学基础；（2）统计物理学的初步知识）统计物理学的初步知识（以分子动理论的内容为主）；（以分子动理论的内容为主）；（3）液体、固体、相变等）液体、固体、相变等物性学方面的基本知识。物性学方面的基本知识。热学有热学有宏观描述方法（热力学方法）与微观描述方法宏观描述方法（热力学方法）与微观描述方法（统计物理学的方法）（统计物理学的方法）之分。它们分别从不同角度去研究问之分。它们分别从不同角度去研究问题，自成独立体系，相互间又存在千丝万缕的联系。题，自成独立体系，相互间又存在千丝万缕的联系。微观描述方法的局限性：微观描述方法的局限性：

35、热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质六、热力学与统计物理学的关系六、热力学与统计物理学的关系1.2 热力学系统与平衡态热力学系统与平衡态一、一、热力学系统热力学系统l系统与外界可以有相互作用系统与外界可以有相互作用,例如：热传递、例如：热传递、作功、质量交换等作功、质量交换等系统系统l系统的分类系统的分类开放系统开放系统孤立系统孤立系统 系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。封闭系统封闭系统系统与外界没有物质交换，只有能量系统与外界没有物质交换，只有能量(热量热量、作功作功)交换。交换。系

36、统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统是由大量分子组成，如气缸中的气体。系统与外界之间，既有物质交换，系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。又有能量交换。热力学所研究的对象称为热力学系统（热力学所研究的对象称为热力学系统（system)。二、热力学与力学的区别二、热力学与力学的区别1.热力学的注意力指向系统内部。热力学的注意力指向系统内部。热物理学研究方法不同于其它学科（例如力学）的宏观热物理学研究方法不同于其它学科（例如力学）的宏观描述方法。描述方法。热力学与力学的区别热力学与力学的区别：2.热物理学中一般不考虑系统作为一个整体的宏观的机械运动热物理学中一般不考虑系统作为一个整体的宏

37、观的机械运动.若系统在作整体运动，则常把坐标系建立在运动的物体上。若系统在作整体运动，则常把坐标系建立在运动的物体上。热力学的参量：与系统内部状态有关的宏观物理量热力学的参量：与系统内部状态有关的宏观物理量（诸如压强、体积、温度等）。（诸如压强、体积、温度等）。例：运动卡车上的氧气瓶，其坐标系取在氧气瓶内例：运动卡车上的氧气瓶，其坐标系取在氧气瓶内三、平衡态与非平衡态平衡态与非平衡态 平衡态定义：在不受外界条件影响下，经过足够长时间平衡态定义：在不受外界条件影响下，经过足够长时间后系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态，这种后系统必将达到一个宏观上看来不随时间变化的状态，这种状态称为平衡

38、态（状态称为平衡态（equilibrium state）.宏观性质不变宏观性质不变不受外界影响不受外界影响说明说明(1)不受外界影响是指系统与外界不受外界影响是指系统与外界没有能量和粒子交换，如：没有能量和粒子交换，如：两头两头处于冰水、沸水中的金属棒处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态；是一种稳定态，而不是平衡态；处于重力场中气体系统的粒子数密处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度变化，但它是平衡态。度随高度变化，但它是平衡态。低温低温T2高温高温T1 我们把在有热流或粒子流情况下，各处宏观状态均我们把在有热流或粒子流情况下，各处宏观状态均不随时间变化的状态称为稳恒态（不随时间

39、变化的状态称为稳恒态（steady state）也称稳态）也称稳态或定（常）态（或定（常）态（stationaly state)-简单的非平衡态简单的非平衡态 正确的判别方法应该看是否存在热流与粒子流正确的判别方法应该看是否存在热流与粒子流(2)平衡是热动平衡平衡是热动平衡(3)平衡态的气体平衡态的气体系统宏观量可用系统宏观量可用一组确定的值一组确定的值(p,V,T)表示表示(4)平衡态是一种平衡态是一种理想状态理想状态p1(p1,V1,T1)OV2(p2,V2,T2)没有热流与粒子流没有热流与粒子流宏观上不随时间变化宏观上不随时间变化平衡态平衡态(5)非非平衡态描述：局域平衡。平衡态描述：局

40、域平衡。注意：准注意：准静态过程静态过程四、四、热力学平衡热力学平衡（thermodynamic equilibrium)1.热学平衡条件热学平衡条件（thermal equilibrium）：即系统内部的温：即系统内部的温度处处相等。度处处相等。热流由系统内部温度不均匀而产生。热流由系统内部温度不均匀而产生。粒子流有两种，一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子流。粒子流有两种，一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的粒子流。2.力学平衡力学平衡（mechanical equilibrium）条件）条件:即系统内部各即系统内部各部分之间、系统与外界之间应达到力学平衡。部分之间、系统与外界之间应达到力学平衡。3.化学平衡化学平衡（chemical equilibrium）条件：在无外场作用下）条件：在无外场作用下系统各部分的化学组成也应是处处相同的。系统各部分的化学组成也应是处处相同的。第二种粒子流，它不存在由于成群粒第二种粒子流，它不存在由于成群粒子定向运动所导致的粒子宏观迁移子定向运动所导致的粒子宏观迁移.氧气氧气氧氮混合气氧氮混合气氮气氮气例：扩散现象（例：扩散现象（diffusion）