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1、热力学与统计物理,第一章 热 力 学 的 基 本 规 律,第二章 均匀物质的热力学性质,第三章 单 元 系 的 相 变,第四章 多元系的复相平衡和化学平衡,1、平衡态及其描写,2、热平衡定律和温度,3、物态方程 4、功 5、热力学第一定律 6、热容量和焓 7、理想气体内能 8、理想气体绝热过程 9、理想气体的卡诺循环,10、热力学第二定律 11、卡诺定理 12、热力学温标 13、克劳修斯不等式 14、熵和热力学基本方程 15、理想气体的熵 16、热力学第二定律的数学表述 17、熵增加原理的简单应用 18、自由能和吉布斯函数,第一章 热 力 学 的 基 本 规 律,一、系统与外界,1、热力学系统
2、,由大量微观粒子组成的宏观物质系统。,1）范围极广：气体，液体，电介质，热辐射场。,2）必须是宏观物质。,3）数目极多，大量微观粒子，1023。,1.1 热力学系统的平衡态及其描述,2、外界,与选定的系统发生相互作用的那部分环境。,系统与外界的相互作用有三种：,(1) 系统与外界可以交换功 。,(3) 系统与外界可以交换粒子数。,(2) 系统与外界可以交换热量。,与外界既有能量交换，又有物质交换的系统 。,与外界没有任何相互作用的系统。既没有物质交换，也没有能量交换。,与外界有能量交换，但没有物质交换的系统。,3、热力学系统的分类,孤立系： 粒子数N 不变、 能量E 不变。,闭系： 粒子数N
3、不变、 能量E 可变。,开系: 粒子数N 可变、 能量E 可变。,气体系统,开放系：,封闭系：,孤立系：,二、平衡态及其描述,一般来说，一个热力学系统的宏观性质或者宏观状态是随时间而变化的。,二、平衡态及其描述,1.热力学平衡态,孤立系统的各种宏观性质长时间内不发生任何变化的状态。,稳恒态，是不随时间变化的非平衡态。,金属棒温度存在一个梯度，只要水槽足够大，各点温度不随时间改变，是一种稳态，而不是平衡态。,二、平衡态及其描述,1.热力学平衡态,孤立系统的各种宏观性质长时间内不发生任何变化的状态。,2.热力学平衡态的特点,热动平衡宏观性质虽然不变，但大量微观粒子处于不断的运动中，只是微观粒子的统
4、计平均效果不变而已。,非孤立系的平衡态：系统 + 外界 = 孤立系统,涨落在平衡状态下，宏观物理量的数值围绕平均值有 一定的起伏。适当条件下可以观察到涨落，在热力学中， 涨落被忽略。,在一定条件下，系统初始不处于平衡态。但经过一定时间后，必定趋于平衡态。这个时间成为弛豫时间。,3.弛豫时间,1、状态参量,能够描述热力学系统平衡态性质的独立的宏观物理量 。,三、平衡态的描写状态参量,2、状态参量的分类,力学参量：,几何参量：,体积、面积、长度,压强、表面张力、应力,化学参量：,质量、摩尔数，浓度,电磁参量：,电场强度、电极化强度、磁场强度、磁化强度,系统需要的状态参量个数是由系统的性质和外界条件
5、决定。,热学参量：温度（直接表征热力学系统的冷热程度）,广延量：与系统的总质量成正比，具有可加性。,强度量：与总质量无关, 不能相加。,如 摩尔数，体积，内能和熵。,如 压强，温度，密度等。,一、热平衡定律,1.2 热平衡定律和温度,1、热平衡,2、热平衡定律（第零定律）,若两个物体A和B分别与第三个物体C同时达到热平衡。则A和B一定处于热平衡。,两个物体进行热接触后，它们的状态将发生改变。经过足够长时间后，它们的状态不再发生变化，达到一个共同的平衡态，称它们达到了热平衡。,实验,二、热平衡定律的意义,热平衡定律表明，互为热平衡的物体必定存在一个共同的物理量。这个量可以描述热平衡。这个量取名为
6、温度。,温度的基本性质：一切互为热平衡物体的温度都相等。,热平衡定律指明了比较两个物体温度的方法：两个物体无需直接接触，只需取一个标准物体分别与它们接触，这就是温度计。,1、温度,2、温度计,1）选择适当的测温物质。,3）选取固定点(参考点)和分度法。,2）确定测温属性，及其随温度的变化关系。,三、温标,建立温标，要有三要素:,1、经验温标,2、理想温标,与测温物质和测温属性有关的温标。,与测温物质和测温属性无关的温标。,理想气体温标,热力学温标,保持气体体积不变 用气体的压强随冷热程度的变化标志温度 规定水的三相点(水，冰，水蒸气三相共存)的温度为273.16。以Pt为三相点的压强。 用如下
7、线型关系表示温度,1） 理想气体温标,当压强趋于零时，所有气体标定的温度TV趋于一个共同的极限温标。,理想气体温标表示的温度为：,气体温度计 (定容气体温度计),理想气体温标,这个极限温标就是理想气体温标。,保持气体体积不变 用气体的压强随冷热程度的变化标志温度 规定水的三相点(水，冰，水蒸气三相共存)的温度为273.16。以Pt为三相点的压强。 用如下线型关系表示温度,1） 理想气体温标,当压强趋于零时，所有气体标定的温度TV趋于一个共同的极限温标。,理想气体温标表示的温度为：,气体温度计 (定容气体温度计),理想气体温标,这个极限温标就是理想气体温标。,理想气体温标里，T = 0K 只具有形式的意义。,注,2） 热力学温标（开尔文温标）,T90 = t90 + 273.15 K,热力学温标是一种不依赖于测温物质及其物理属性的 温标。,1）它是一种理论温标。,3）热力学温标与摄氏温标的关系：,2）理想气体温标在有效范围内 ( 温度在液化点之上、1000 度以下 ) 与热力学温标一致。,可由卡诺定理导出。,几点说明：,
