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1、专业：电子科学与技术 授课学时： 16主讲教师：孙 华 军 Thermodynamics and Statistical Physics 固体电子学基础 热力学统计物理教学用书热力学与统计物理学汪志诚 高等教育出版社参考用书 热力学 王竹溪 人民教育出版社 统计物理导论王竹溪 高等教育出版社本课程相关的基础内容 概率论 普通物理学中的热学 分子运动论 原子物理学 量子力学本课程的主要内容第一部分 热力学基础知 识 1平衡与状态量 1.系统、相及状态量 2.平衡与温度热力学第零 定律 3.功、化学势、热量 2 热力学定律 1.热力学第一定律 2.Carnot循环 3.热力学第二定律 4.自由能
2、与Gibbs函数 小结第二部分 统计物理基础（近独立粒子系的平衡 分布） 1 粒子、系统的微观状态 1.粒子运动状态的经典描述 2.粒子运动状态的量子描述 3.系统微观运动状态的描述 2 近独立子系的平衡分布 1.微观状态数 2.等几率原理 3.玻尔兹曼(Boltzmann)分布 4.玻色（Bose）分布 5.费米（Fermi）分布 6.去简并条件 3 玻尔兹曼分布下的热力学公式 4 玻色分布与费米分布下的热力学公式 1玻色分布的热力学公式 2费米分布的热力学公式 小结 1研究对象： 有限范围（或给定范围内）由大量微观粒子组成的宏观物体及物体系 。固体、液体、气体等离子体、辐射场（特殊物质，一
3、光子气体）2任务：研究热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响。 热运动一、研究对象与任务 热运动对物质宏观性质的影响 二、研究方法 2 统计物理 3相辅相成，互为补充，有机统一体，缺一不可。 微观粒子观察和实验出 发 点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热 力学本质二者关系无法自我验证不深刻缺 点揭露本质普遍，可靠优 点统计平均方法 力学规律总结归纳 逻辑推理方 法微观量宏观量物 理 量热现象热现象研究对象微观理论 （统计物理学）宏观理论 （热力学）三、学习的意义热力学与统计物理学是一门基础科学。它是固体、液体、气体、等离子体理论和激光理论的基础之一。她的概念和方法在原子核和基本粒子中也有
4、许多应用，而且日益广泛地渗透到化学、生物学等学科中去。特别是近年来，出现许多鼓舞人心的进展。各态历经理论、非线性化学物理、随机理论、量子流体、临界现象、流体力学以及输运理论等方面的新成果，使这门学科发生了革命性的变化。可以预言，随着科学技术的迅速发展，热力学与统计物理学这门学科将更加生机勃勃。第一章热力学的基本规律热力学是研究热现象的宏观理论根据实验总结出来的热 力学定律，用严密的逻辑推理的方法，研究宏观物体的热力 学性质。热力学不涉及物质的微观结构，它的主要理论基础是热力学 的三条定律。本章的主要内容是热力学第一定律和热力学第二定律。11 热力学系统的平衡态及其描述 基本定义1、系统与外界热
5、力学系统（简称系统） 在热力学中，把所要研究的对象，即由大量微观粒子 组成的物体或物体系称为热力学系统。 系统的外界（简称外界） 能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体 ，称为外界。热热力学系统统的分类类孤立系闭闭 系开 系能量交换无有有物质交换无无有热力学研究的对象是由大量微观粒子组成的宏观系统，它 们与外界的相互作用表现为能量的交换和物质（粒子）的 交换。由此分为三个系统：2、气体的物态参量把用来描述系统宏观状态的物理量称为状态参量。气体的宏观状态可以用V、P、T 描述 体积V 几何参量 压强p力学参量 温度T热力学参量3、说明(1)气体的p、V、T 是描述大量分子热运动集体特征的
6、物理量， 是宏观量，而气体分子的质量、速度等是描述个别分子运动的 物理量，是微观量。(2) 根据系统的性质，几何参量、力学参量、化学参量、电 磁参量。p 、V、T 的单位 1、气体的体积V 气体的体积V是指气体分子无规则热运动所能到达的空间。 对于密闭容器中的气体，容器的体积就是气体的体积。 单位：m3 2、压强p 压强P是大量分子与容器壁相碰撞而产生的，它等于容器壁 上单位面积所受到的正压力。 p=F/S 单位： 1Pa=1N.m-2 标准大气压 1atm=76cm.Hg=1.013105Pa 3、温度T 温度的高低反映分子热运动激 烈程度。 (1)热力学温标T，单位：K (2)摄氏温标t
7、，单位：0C 00C水的三相点温度 1000C水的沸腾点温度(3)华氏温标F， 单位0F 320F 水的三相点温度 2120F水的沸腾点温度 关系： T=273.15+t F=9t/5+32平衡态一个系统与外界之间没有能量和物质的传递，系统的能量也 没有转化为其它形式的能量，系统的组成及其质量均不随时 间而变化，这样的状态叫做热力学平衡态。1、定义2、说明 （1）平衡态是一个理想状态； （2）平衡态是一种动态平衡； （3）对于平衡态，可以用pV 图上 的一个点来表示。pV如果两个系统分别与处于确定状态的第三个 系统达到热平衡，则这两个系统彼此也将处 于热平衡。12热力学第零定律或热平衡定律热力
8、学第零定律表明，处在同一平衡态 的所有热力学系统都有一个共同的宏观 性质，这个决定系统热平衡的宏观性质 的物理量可以定义为温度。如果任何两个系统同时与第三个系统处于热平衡，则这两个系统必然处于 热平衡。这种热平衡的传递性被称为热力学第零定律。一、热力学第零定律温度是热力学系统特有的状态参量 二、温度(、系统达到热平衡) (、系统处于热平衡 )(、系统处于热平衡 )、都与达到热平衡 函数t就表示系统的温度 温度是表征一系统与另一相互接触的系统是否处于热平衡的物理量 图1-2若且,则.(表示处于热平衡如图1-2)热力学第零定律的两个重要意义1.它是定义温度的理论基础-给出了温度的概念；2.它为设计
9、温度计和科学计量温度提供了理论依 据-指明了比较温度的方法。温度与温标 温度：本质与物质分子的热运动有密切的关系。温度的高低反映分子热运 动激烈程度。在宏观上，我们可以用温度来表示物体的冷热程度，并 规定较热的物体有较高的温度。对一般系统来说，温度是表征系统状 态的一个宏观物理量。温度的数值表示方法叫作温标。定容气体温标： 规定：纯水三相点下的温度（水、冰、蒸气三相平衡共存温度）为273.16. (1)理想气体温标: 实验表明,在压强趋于零时,各种气体所确定 趋于共同的极限温标,这个温标就叫理想气体温标.（2） 经验温标：以测温物质的测温特性随温度的变 化为依据而确定的温标。实验表明，选择不同
10、的测温物质 或不同的测温特性而确定的经验温标，除标准点外，其他 温度并不完全一致。水的 冰点 沸点摄氏温标（1742年，瑞典）： 华氏温标（1714年，德国）： 以上两种测温物质都是水银温度计。它们之间的关系为 热力学温标：不依赖任何具体物质特性的温标。它 可以由卡诺定理导出。而且热力学温标与理想气体温标是 一致的。1968年，第13届国际计量大会统一规定： 温度的基准点：T0 = 273.15 K （水的冰点的热力学温度）分 度： （水的三相点的热力学温度）关系式：T = t + T0 （这里t为摄氏温标） 1.3 物态方程平衡态下的热力学系统存在状态函数温度。物态方程给出温 度与状态参量之
11、间的函数关系(简单系统)。在p、V、T 三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一 个状态参量是其它两个状态参量的函数，如 T=T(P,V) 1 物态方程相关的几个物理量：体胀系数 在压强不变时，温度升高1K所引起的物体体 积相对变化压强系数 ： 体积不变下，温度升高1K所引起的物 体压强相对变化。等温压缩系数 ： 温度不变时，增加单位压强所引 起的物体体积相对变化。由 得：例1 实验测得某一气体系统的定压膨胀系数和等温压缩系数分别为其中a为常数，试求此气体的物态方程。解 取T、P为自变量，则V=V(T、p)两边同乘以p,并且整理得 两边积分得与理想气体状态方程比较可得2、理想气体在温度不太低
12、(与室温相比)和压强不太大(与大气压相比)时， Boyle-Mariotte定律 （1662） 等温过程中 pV=const Avogadro定律（1811年）：在同样的温度和压强下，相同 体积的气体含有相同数量的分子。在标准状态下，1摩尔任何 气体所占有的体积为22.4升。对任意两个平衡态,由玻马定律及理想气体温标定义可得：理想气体的物态方程形式1m气体质量 M 气体摩尔质量 R=8.31Jmol-1K-1摩尔气体常量形式2理想气体的定义：在任何情况下都遵守玻马定律，阿伏加德罗定 律及焦耳定律的气体称为理想气体。（热力学温标与理想气体温标 是一致的）实际气体 范氏气体 考虑分子之间的斥力及分
13、子之间的引力 a , b 取值见表1.1。广延量和强度量 广延量 与系统的的质量或物质的 量成正比。如 m, V。 强度量 与与系统的的质量或物质 的量无关。如P，T。 广延量除物质的量或体积，成为强 度量。 有限 1-4 准静态过程 功 热量一、准静态过程 1、热力学过程当系统的状态随时间变化时， 我们就说系统在经历一个热力 学过程，简称过程。推进活塞压缩汽缸内 的气体时，气体的体 积、密度、温度或压 强都将变化2、非静态过程在热力学过程的发生时 ，系统往往由一个平衡 状态经过一系列状态变 化后到达另一平衡态。 如果中间状态为非平衡 态，则此过程称非静态 过程。为从平衡态破坏到新平 衡态建立
14、所需的时间称 为弛豫时间。3.过程量与态函数 过程量与系统变化过程有关的物理量。例如：系统对外界所做的 功（或外界对系统所做的功）、系统传给外界的热量（或 外界传给系统的热量）。 态函数由系统的平衡态状态参量单值地确定的物理量。例如：系 统的内能、焓、熵等，它们都是由系统的状态单值地确定 的，而与系统所经历的过程无关。 3、准静态过程如果一个热力学系统过程在始末两平衡态之间所经历的之 中间状态，可以近似当作平衡态，则此过程为准静态过程 。 准静态过程只有在进行的“无限缓慢”的条件下才可 能实现。 对于实际过程则要求系统状态发生变化的特征时间远 远大于弛豫时间才可近似看作准静态过程。说明： 系统
15、的准静态变化过程 可用pV 图上的一条曲线 表示，称之为过程曲线 。二、 功 1、体积变化当气体作无摩擦的准静态膨胀 或压缩时，为了维持气体的平衡态，外界 的压强必然等于气体的压强。系统对外界所作的 功等于pV 图上过 程曲线下面的面积说明系统所作的功与系统的始末状态有关，而 且还与路径有关，是一个过程量。气体膨胀时，系统对外界作功气体压缩时，外界对系统作功 作功是改变系统内能的一种方法 本质：通过宏观位移来完成的：机械运动 分子热运动VOPdVV1V22、液体表面薄膜面积变化所做的功如图1-5，液体表面薄膜张于金属框上，长为l金属 丝可以自由移动，液体膜的表面张力系数为金属丝准静态地移动dx时，外界对液体表面薄膜 所做的功为 3、磁介质被磁化所做的功如图1-6，设磁介质的长度为l,截面积为S，绕有 N匝线圈，且认为磁介质的长度比直径大很多. 接通电源，当改变电流的大小以改变磁介质中 的磁场时，线圈中将产生反电动势V，外界电源必 须克服此反电动势做功为 可以近似认为介质 中的磁场和磁化强 度都是均匀的 由电磁感应定律有 由
