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1、第二篇热力学统计物理,篇序,研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响研究物质热运动与其它运动形态之间的转化规律,一 热学的研究对象,二研究方法,1.统计物理研究方法,从物质的微观结构出发，依据每个粒子所遵循的力学规律，用统计的方法研究宏观物体的热力学性质,优点：深入热现象的本质对其作出理论解释，能够解释决定宏观物理量的微观决定因素，物理过程与物理意义清晰,缺点：定量统计，需要理想近似物理模型，因而常带有近似色彩，与实验结果有一定误差,2.热力学研究方法,由观察和实验总结出热力学定律；用严密的逻辑推理方法研究宏观物体的热力学性质,优点：热力学根据热现象给出普遍、可靠的结果，可用来验证微观理论的正
2、确性缺点：常带有经验或半经验性质，不能从本质上阐述热现象的深刻含义以及宏观测量对微观测量的依赖关系,三本篇内容结构,第七章统计物理初步第八章热力学基础,第八章热力学基础,内容结构,一热力学第一定律,从一个平衡态转化到另一个平衡态时，能量所满足的规律8.1,8-1热力学第一定律,一热力学过程的相关概念,热力学过程：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所经历的热力学过程的总合驰豫时间：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所需要的时间非准静态过程：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所经历的中间状态是非平衡态过程准静态过程：从一个热力学平衡态转化到另一个热力学平衡态所经历的中间状态
3、为平衡态,说明：A.准静态过程为理想过程B.一个热力学过程为准静态过程的必要条件为两平衡态转化所经历的时间大于驰豫时间C.准静态过程可以用宏观参量图给予表示,二热力学过程中的能量转化,1功 对无摩擦准静态过程,说明：热力学系统中对功正负符号的规定：体积膨胀时，系统对外作正功，体积缩小时，系统对外作负功如果热力学系统经历非准静态过程，而外界压强恒定，上面表述式仍然适用,2.热量当系统与外界有热传递时,其中，C为比热容,说明：A.热量是一过程量，而不是状态量(表示方法：),B.热量的正负号规定：系统吸收热量为正，放出热量为负C.热量与作功是热力学系统能量发生改变的两种不同方式,3.热力学第一定律实
4、验定律,大量实验表明：确定的两热力学平衡状态所经历的中间过程的功和热量的总和是一定的,说明：A.热力学第一定律是引入态函数内能的理论基础B.热力学第一定律表明：第一永动机是不可实现的,三热力学平衡态的态函数内能，理想气体的内能,1.内能的定义：热力学系统内部，分子的动能、分子间势能、热力学系统所处外场的相互作用能的总和,2.理想气体的内能,说明：理想气体的内能只与温度有关，只是热力学系统状态参量的函数,8-2 热容量,一相关概念,1.热容量：热力学系统温度升高单位温度所吸收的热量,2.摩尔热容量：一摩尔物质升高单位温度所吸收的热量,3.比热容：单位物质升高单位温度所吸收的热量,4.定容摩尔热容
5、量等容情形下，一摩尔物质升高单位温度所吸收的热量,例：理想气体的定容摩尔热容量,由热力学第一定律,考虑到,理想气体的定容摩尔热容量,5.定压摩尔热容量等压情形下，一摩尔物质升高单位温度所吸收的热量,例：理想气体的定压摩尔热容量,由热力学第一定律,考虑到,理想气体的定容摩尔热容量,6.比热容比（绝热系数）,例：求单原子分子气体、刚性双原子分子气体、刚性多原子分子气体的绝热系数,由,单原子分子气体,刚性双原子分子气体,刚性多原子分子气体,-3 热力学第一定律用于理想气体,一等容过程,结论：等容过程中，系统吸收的热量完全用来增加热力学系统的内能,二等温过程,或,结论：等温过程中吸收的热量完全用来对外
6、做功，而不用来增加热力学系统的内能,三等压过程,或,四绝热过程,1.绝热过程的功,2.绝热过程的状态方程,讨论：同一初始状态气体的等温过程与绝热过程的比较,绝热过程p-V曲线的斜率,等温过程p-V曲线的斜率,同一初始状态气体的绝热过程与等温过程相比，变化相同体积时，绝热过程压强下降更快。原因是绝热过程对外做功，依靠的是系统的内能的减小，而压强减小既由于气体动量的减小，又由于气体密度的减小。等温过程对外做功，气体分子的动量依靠对外吸收热量保持不变，压强的减小原因仅由于气体分子密度的减小。,-4循环过程卡诺循环,一循环过程的相关概念,循环过程：系统经一系列变化后又回到原状态的过程正循环：规定顺时针
7、方向的循环为正循环逆循环：规定逆时针方向的循环为逆循环,热机,热机效率：对外做功与从高温热源吸收热量的比值,制冷系数：在低温热源吸收热量与外界对系统所做功的比值,二卡诺循环,1.卡诺热机效率,ab，等温膨胀,bc，绝热膨胀，对外做功，温度降至T2,cd，等温压缩,d(p4,v4),da，绝热压缩，温度回升到T1,考虑到绝热过程的物态方程,联立求解,2.卡诺制冷热机制冷系数,与求解卡诺热机效率步骤类似，可求解到卡诺制冷机制冷系数,结论：卡诺热机或制冷机的工作效率，只与两个热源温度有关与工作物质无关,-5热力学第二定律,一热力学自发过程的发生方向问题,特例：理想气体的绝热膨胀与压缩过程,系统对外做
8、功W1外界系统做功W2存在能量损耗W1 W2,热力学过程不可能自动发生其逆过程，而不给外界带来其它变化,二热力学第二定律,1.热力学第二定律的两种表述,开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使它完全转变为功而不引起其它变化,讨论A.从单一热源吸收热量，使它完全转变为功，一定要引起其它变化特例：等温过程从单一热源吸收热量，并完全用来做功，必导致系统体积变化B.第二类永动机不可能制成热力学机械需要循环，消除外界需要能量损耗,克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传向高温物体，而不引起其它变化,讨论A.没有外界做功，不可能从低温热源将热量传输到高温热源B.第二类永动机不可能制成,2.热力学第二定律两种
9、表述的等效性,A.开尔文表述不成立克劳修斯表述不成立,设开尔文表述不成立热机从高温热源吸热Q,在A作用下，制冷机从低温热源吸热Q1,全过程等效于制冷机从低温热源吸热Q1，而不引起任何变化,类似地，可以证明当克劳修斯表述不成立时，开尔文表述也不成立,低温热源,Q1,A,Q1,Q,高温热源,设克劳修斯表述不成立冷机从低温热源吸热Q1,热机,制冷,热机在高温热源吸热Q在低温热源释热Q1，,全过程等效于热机从高温热源吸热Q-Q1，对外做功A1而不引起任何变化,Q1,对外做功A1,三热力学过程的不可逆性,1.大温差传热升温过程不可逆,A，T1,B，T2,C，T0,C与A接触，升温至T1C与B接触，降温至T0等效于热量在A、B间转移逆过程不可能自动发生,2.快速做功过程不可逆,微小膨胀过程：PV PV等效于外界做功A2-A1逆过程不可能自动发生,结论：一切真实的热力学过程皆不可逆,四理想可逆过程,1.理想可逆过程的条件没有摩擦与耗散热力学过程为准静态过程2.理想准静态过程存在的原因微温差情况下，热传递可认为满足双向传递,
