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1、热 学,目 录 概述 第1章 理想气体状态方程 第2章 分子动理论 第3章 热力学第一定律 第4章 热力学第二定律,1. 对象：热力学系统 由大量分子或原子组成 系统外的物体称外界,热学研究对象及内容,2. 内容：与热现象有关的性质和规律 热现象：物质中大量分子热运动的集体表现。,概 述,热学的研究方法,1. 宏观描述方法-热力学方法 由实验确定的基本规律，研究热现象的宏观特性和规律。 对系统进行整体描述。,2. 微观描述方法-统计物理方法 从物质的微观结构出发，用统计平均的方法，研究热现象及规律的微观本质。,统计物理的基本思想- 宏观上的一些物理量是组 成系统的大量分子进行无规运动的一些微观
2、量的统计平均值 宏观量-表征系统整体性质的物理量 可以实际的物理量 如 P T E 等 微观量描写单个微观粒子运动状态的物理量 组成系统的粒子(分子、原子、或其它) 的质量、动量、能量等等,无法直接测量的量,第一 气体分子系统的统计分布,解决问题的一般思路 从单个粒子的行为出发 大量粒子的行为- 统计规律,统计的方法,例如：微观认为宏观量P 是大量粒子碰壁的平均作用力,先看一个碰一次,再看集体,统计方法：,一个粒子的多次行为 多个粒子的一次行为,结果相同,如：掷硬币 看正反面出现的比例 比例接近1/2 统计规律性： 大量随机事件从整体上表现出来的规律性 量必须很大 统计规律性具有涨落性质(伽耳
3、顿板演示）,分布曲线,飞镖,小球落入其中一,分布服从统计规律,大量小球在空间的,格是一个偶然事件,伽耳顿板演示,什么叫统计规律？ 在一定的宏观条件下 大量偶然事件在整体上表现出确定的规律 统计规律必然伴随着涨落 什么叫涨落？ 对统计规律的偏离现象 涨落有时大 有时小 有时正 有时负 例如：伽耳顿板实验中,第二 热力学基础,从实验归纳总结,定律,热力学第一定律 热力学第二定律 基础定律,地位： 相当于力学中的牛顿定律,-能量转化 -过程方向性,三、 本课程中研究对象的理想特征,1.对象,理想气体,宏观定义： 严格遵守玻意耳定律 实际气体理想化： P 不太高 T 不太低,1) 在理想气体理论基础上
4、加以修正,2) 经验,理想气体-是一种假想的、在任何情况下都能严格遵循气体定律PV/T=R的气体。,从微观上考虑，理想气体有两点不同于实际气体：,(1)气体分子本身的体积可以忽略；,(2)在任何情况下，理想气体的分子之间不具有相互作用。,理想气体是一个科学的抽象概念，客观上并不存在理想气体，它只能看作是实际气体在压力很低时的一种极限情况。,2.状态,平衡态,定义：在不受外界影响的条件下 对一个孤立系统 经过足够长的时间后 系统达到一个宏观性质不随时间变化的状态 -宏观上的寂静状态 微观上系统并不是静止的-动态平衡,用一组宏观量描述某时的状态,非平衡态,每一时刻系统都处于平衡态 实际过程的理想化
5、-无限缓慢(准) “无限缓慢”：系统变化的过程时间驰豫时间 例1 气体的准静态压缩,过程时间 1 秒,3.过程,准静态过程,实际过程太迅速了 怎么办？ 1)修正原理论 2)更普遍的理论或经验 本课介绍 气体分子动理论 平衡态下 理想气体的状态量与微观量的关系 热力学基础 实验的总结-必定涉及过程 结论是普适的（对象 过程不限） 但 具体的理论计算 必是理气、准静态过程,第 1 章 理想气体状态方程,一、几个基本概念 1.温度物体的冷热程度 处于热平衡的系统所具有的共同的宏观性质 2.热平衡定律(热力学第零定律) 实验表明：若 A与C热平衡 B与C热平衡 则 A与B热平衡 意义：互为热平衡的物体
6、必然存在一个相同的 特征- 它们的温度相同,二、理想气体状态方程,M - 质量 - mol 质量 V - 理气活动空间,R-普适气体恒量,第零定律 不仅给出了温度的概念 而且指 出了判别温度是否相同的方法,常用形式 系统内有 N个分子 每个分子质量 m,常用形式,分子数密度,玻耳兹曼常数,理想气体状态方程,热力学系统由大量粒子组成 1) 标况,十亿亿亿,2) 高真空,十亿,大量、无规则,统计方法,数学基础-概率论,1.理气状态方程,2.不漏气系统 各状态的关系,3. P-V 图,通常还画 P - T、P - V T - V 、T E 图,P V 图上一个点代表一个平衡态 一条线代表一个准静态过
7、程,第1章结束,第2章 分子动理论 1 理想气体的压强和温度 2 能量均分定理 3 麦克斯韦速率分布律 4气体分子的平均自由程,一、关于每个分子的力学性质的假设,1. 质点,在 T 一定的情况下 n 值小 意味着分子间距大,3. 除碰撞外 分子间无相互作用 f = 0,2 .完全弹性碰撞,1 理想气体的压强和温度,气体之间的距离,引力可认为是零 可看做理想气体,二、 平衡态下气体分子集体行为的几个假设,1.每个分子运动速度各不相同，而且通过碰撞不断发生变化。 2.分子按位置的分布是均匀的。 无外场时 分子在各处出现的概率相同,分子数密度处处相同,3.分子速度按方向的分布是均匀的,结果：,三、
8、气体分子运动论的压强公式 压强：大量分子碰单位面积器壁的平均作用力 系统：理想气体 平衡态 忽略重力 设 N 个 同种分子 每个分子质量 m 分子数密度 n = N/V 足够大 速度为 的分子数密度 ni=Ni/V N= Ni n= ni,取器壁上小面元 dA 分子截面面积 第1步：一个分子碰壁 对dA的冲量 设该分子速度为,冲量是,第2步：dt时间内所有 分子对dA的冲量,第3步：dt时间内所有分子对dA的冲量,第4步：由压强的定义得出结果,或,分子的平均平动动能,压强公式指出:有两个途径可以增加压强,1)增加分子数密度n 即增加碰壁的个数 2)增加分子运动的平均平动能 即增加每次碰壁的强度,还可表示成,四、 温度的统计意义,1. 温度 是大量分子的集体行为 是统计的结果 (N- 数目少无意义),2. 物理意义 温度是分子热运动剧烈程度的量度,在温度T的情况下 分子的平均平动动能 与分子种类无关 如在相同温度的平衡态下 氧气和氦气分子的平均平动能相同,3.分子运动的平均平动能,五、气体分子运动的方均根速率,
