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1、2020/10/22,.,1,热力学与统计物理学 Thermodynamics and Statistical Physics,2020/10/22,.,2,使用教材： 热力学.统计物理 汪志诚,.,甲骨文：热,甲骨文：火,.,钻木取火,.,瓦 特 早期蒸汽机,.,早期燃油发动机,.,能在高温、高压和高速条件下稳定工作是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。 为了保证制造涡轮的材料能够在高温燃气中可靠工作，涡轮通常都要采取复杂的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。 需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业
2、的大难题，这项技术被称为“工业王冠上的宝石”。 空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程，航空发动机内部的气动、热力和结构材料特性是如此复杂，以至于到目前为止，仍然不能够从理论上给予详尽而准确的描述，只能依靠实际发动机试验 .,2020/10/22,.,8,热运动是自然界普遍存在的一种运动现象。热运动对于单个粒子来说杂乱无章，但对于整个宏观物体来说，在外界条件一定的情况下，大量微粒互相影响的结果却表象现出具有确定的宏观规律性。 在一定的宏观条件下，系统演化方向一般具有确定的规律性。 研究热运动的规律性以及热运动对物质宏观性质影响的理论统称为热学理论。按研究方法
3、的不同可分为热力学与统计物理等。其中，热力学是热学的宏观理论，统计物理是热学的微观理论。,2020/10/22,.,9,热力学理论的发展 Development of Thermodynamics 一. 经典热力学 1. 1824年，卡诺（Carnot）：卡诺定理 2. 1840s，迈尔（Mayer）,焦耳(Joule)：第一定律（能量 守恒定律） 3. 1850s ，克劳修斯（Clausius）,（1850）开尔文（ Kelvin）（1851）：第二定律熵增加原理 4. 1906年，能斯特（Nernst）定理绝对零度不可达到 原理（1912）第三定律 经典热力学特点： A. 不涉及时间与空间
4、； B. 以平衡态、准静态过程、可逆过程为模型。 因而，经典热力学,2）物态的稳定性 与时间无关；,3）自发过程的终点；,4）热动平衡（有别于力平衡）.,2020/10/22,28,.,三、状态参量,定义：系统处于平衡态时，可以表征、描述系统状态的变量,几何参量：体积,电磁参量：电场强度，电极化强度，磁场强度，磁化强度,力学参量：压强,热学参量：温度（直接表征热力学系统的冷热程度）,化学参量：摩尔数，浓度，摩尔质量,2020/10/22,29,.,表征系统宏观性质的物理量,如系统的体积V、压强P、温度T等，可直接测量 可分为广延量和强度量 广延量有累加性：如质量M、体积V、内能E等 强度量无累
5、加性：如压强 P，温度T等,描写单个微观粒子运动状态的物理量,一般只能间接测量 如分子的质量 m、大小 d等,2020/10/22,30,.,气体的物态参量及其单位（宏观量）,标准大气压： 纬度海平面处, 时的大气压.,3 温度 : 气体冷热程度的量度（热学描述）.,单位： （开尔文）.,2020/10/22,31,.,简单系统：一般仅需二个参量就能确定的系统，如PVT系统。,单相系：,复相系：,2020/10/22,32,.,一、热力学第零定律,热交换：系统之间传热但不交换粒子,热平衡：两个系统在热交换的条件下达到了一 个共同的平衡态。,经验表明：如果两个系统A和B同时分别与第三个系 统C达
6、到热平衡，则这两个系统A和B也处于热平衡。称热力学第零定律（热平衡定律）,1.2 热平衡定律和温度,2020/10/22,33,.,2020/10/22,34,.,态函数温度,2020/10/22,35,.,热力学第零定律的物理意义,互为热平衡的系统之间必存在一个相同的特征， 即它们的温度是相同的。,第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别两 个系统是否处于热平衡的方法测量温度是否相同。,系统C（温度计）,系统A,系统B,热平衡吗？,热接触,热接触,2020/10/22,36,.,二、温标,定义：温度的数值表示法叫做温标,以液体摄氏温标为例,（1）水银测温度 体积随温度变化测温属性 （2）
7、1atm 水冰点0摄氏度； 气点 100摄氏度 （3）确定测温属性随温度的变化关系,温标三要素：测温物质、固定点、测温特性与温度的关系。,1 经验温标：在经验上以某一物质属性随温度的变化为依据并用经验公式分度的统称经验温标,三类温标：,2020/10/22,37,.,V0不变,Ptr为该气体温度计在水的三相点温度下的压强,（体积不变）,2、理想气体温标,以气体为测温物质，利用理想气体状态方程中体积 （压强）不变时压强（体积）与温度成正比关系所 确定的温标称为理想气体温标,定容气体温度计,2020/10/22,38,.,由气体温度计所定出的温标称为理想气体温标,它不依赖于任何气体的个性，当Ptr
8、越低，不同气体定容温标差别越小，所指示的温度几乎完全一致。,定压气体温度计:,2020/10/22,39,.,3、热力学温标,一种不依赖于测温物质及其物理属性的温标,可由卡诺定理导出。,单位：K (Kelvin) 规定： T3=273.16K,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。,开 尔 文,摄氏温标与热力学温度的关系：,2020/10/22,40,.,热力学温标、摄氏温标、华氏温标与兰氏温标,2020/10/22,41,.,物态方程,简单系统平衡态,把处于平衡态的某种物质的热力学参量（如压强、体积、温度）之间所满足的函数关系称为该物质的物态方程或称状
9、态方程。,1.3 物态方程,在热力学中，物态方程的具体形式一般要由实验来确定。与物态方程密切相关的几个重要物理量：,体胀系数,压强系数,等温压缩系数,三者关系，由：,2020/10/22,42,.,2020/10/22,43,.,2、理想气体状态方程,一、理想气体物态方程,1、玻意耳（马略特）定律,一定质量的气体，温度不变 注意：（1）温度不变,PV为一常数;温度改变,常数也要改变 （2）P不太大,T要不太低时适用;P越低,遵守得越好,a. 由玻意耳（马略特）定律：,b. 理想气体温标：,首先保持体积不变，有,然后保持温度不变，则,联立，得,2020/10/22,44,.,c. 阿伏伽德罗定律
10、: 同温同压下，1mol气体的体积相同,令,其中,2020/10/22,45,.,得到理想气体状态方程,3、普适气体常数R,1摩尔理想气体在压强为1atm, 温度为冰点T0=273.15K时,（实验测量值）,2020/10/22,46,.,4、混合理想气体物态方程,注意： （1）,是各混合气体成分在同温同体积时独自贡献的压强；,（2）气体压强比较低时适用。,M :平均摩尔质量,2020/10/22,47,.,二、非理想气体的状态方程,范德瓦尔斯方程 范德瓦尔斯气体：,1摩尔范式气体（a,b对于一定的气体来说是常数，由实验测定） 范得瓦尔斯方程:,昂尼斯方程：,（1mol范氏气体）,若气体质量为
11、m,体积为V,则范氏方程为：,位力系数,位力系数,2020/10/22,48,.,三、简单固体（各向同性）和液体的状态方程,四、顺磁性固体的状态方程,居里定律：,经验公式（也可导出）：,M为磁化强度，C为常数，T为温度，H为外磁场强度,2020/10/22,50,.,2020/10/22,51,.,51,1.4 功,一、功是力学相互作用下的能量转移,力学相互作用：将力学平衡条件破坏时所产生的对系统状态的影响。,在力学相互作用过程中系统和外界之间转移的能量就是功。,热力学认为力是一种广义力，所以功也是广义功。,1）只有在系统状态变化过程中才有能量转移。,2）只有在广义力（如压强、电动势等）作用下
12、产生了广义位移（如体积变化、电量迁移等）后才作了功。,3）在非准静态过程中很难计算系统对外作的功。,4）功有正负之分。,2020/10/22,52,.,52,所作的总功为：,二、体积膨胀功,1. 外界对气体所作的元功为：,2020/10/22,53,.,53,三种过程所作的功不同，说明功与变化的路径有关，它不是状态的函数（广义力为非保守力）,2. 理想气体在几种可逆过程中功的计算,2020/10/22,54,.,54,2020/10/22,55,.,55,55,1、表面张力功,2、可逆电池所作的功,是表面张力系数,三、其它形式的功,电介质、磁介质等。,2020/10/22,56,.,56,3、
13、功的一般表达式,x是 广义坐标，它是广延量，广延量的特征是：若系统在相同情况下质量扩大一倍，则广延量也扩大一倍。,Y是广义力，它是强度量，强度量的特征是：当系统在相同情况下质量扩大一倍时，强度量不变。,2020/10/22,57,.,能量守恒和转化定律的内容是：自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数值不变。,1.5 热力学第一定律,一、能量守恒和转化定律（热力学第一定律）,2020/10/22,58,.,第一类永动机：历史上有不少人有过这样美好的愿望：制造一种不需要动力的机器，它可以源源不断的对外界做功，
14、这样可以无中生有的创造出巨大的财富来，在科学历史上从没有过永动机成功过，能量守恒定律的发现，使人们认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有的制造能量。因此根本不能制造永动机。它违背热力学第一定律：物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与物体对外界所做功的总和。,热力学第一定律另一表述： 制造第一类永动机是不可能的。,2020/10/22,59,.,第二类永动机：曾经有人设计一类机器，希望它从高温热库（例如锅炉）吸取热量后全部用来做功，不向低温热库排出热量。这种机器的效率不是可以达到100%了吗？这种机器不违背能量守恒定律，但是都没有成功。人们吧这种只从单一热库
15、吸热，同时不间断的做功的永动机叫第二类永动机。这种永动机不可能制成，是因为机械能与内能的转化具有方向性：机械能可以转化内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其它变化热力学第二定律。,2020/10/22,60,.,二、内能态函数,内能是系统内部所有微观粒子（如分子、原子等）的微观的无序运动能以及相互作用势能两者之和。内能是状态函数，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态间有一一对应关系。,大量的实验证明：一切绝热过程中使水升高相同的温度所需要的功都是相等的。W绝热=U2-U1,从能量守恒定理知道：系统吸热，内能应增加；外界对系统作功，内能也增加。若系统既吸热，外界又对系统作功，则内
16、能增量应等于这两者之和。,2020/10/22,61,.,61,1、内能是一种宏观热力学的观点，不考虑微观 的本质。,2、内能是一个相对量。,3、热学中的内能不包括物体整体运动的机械能。,4、内能概念可以推广到非平衡态系统。,5、有些书上提到的热能实质上是指物体的内能。,2020/10/22,62,.,三、热力学第一定律的数学表述,某一过程，系统从外界吸热 Q，外界对系统做功W，系统内能从初始态U1变为U2，则由能量守恒：,Q0，系统吸收热量；Q0,外界对系统对做正功；W0,系统内能增加，U0,系统内能减少。,规定：,热力学第一定律的普遍形式,2020/10/22,63,.,对无限小过程,对于准静态过程，如果外界对系统做功是通过体积的变化来实现的，则,热力学第一定律的普遍形式,由内能的广延性，可知，如果系统没有达到平衡，可认为系由许多局部平衡的小部分组成，则系统总的内能等于各小部分内能之和,2020/10/22,64,.,64,1.6 热容量与焓,一、热容量的定义
