复旦大学：《热力学与物理统计》课程教学课件（PPT讲稿）第一章 热力学的基本规律（1/2）

热力学·统计物理 2004.2

热力学·统计物理 2004. 2

导言 ◆研究对象和目的 宏观物质系统: 口由大数微观粒子组成; 口无规则运动——热运动,决定热现象(物性 和物态)。 研究方法 1.宏观唯象理论——热力学 2.微观本质理论—统计物理

 研究对象和目的 宏观物质系统： ❑ 由大数微观粒子组成； ❑ 无规则运动——热运动，决定热现象（物性 和物态）。  研究方法 1. 宏观唯象理论——热力学 2. 微观本质理论——统计物理 导言

热力学 口以可测宏观物理量描述系统状态; 气体:压强、体积和温度 口实验现象纳>热力学基本定律>宏观物性, 结论可靠普适; 口结合实验才能得到具体物性; 口物质看成连续体系,不能解释宏观物理量涨落

⎯归纳 ⎯→ ⎯演绎 ⎯→ 热力学 ❑ 以可测宏观物理量描述系统状态； 气体：压强、体积和温度 ❑ 实验现象 热力学基本定律 宏观物性， 结论可靠普适； ❑ 结合实验才能得到具体物性； ❑ 物质看成连续体系，不能解释宏观物理量涨落

统计物理 口从微观结构出发,深入热运动本质,认为宏观物性是 大量微观粒子运动性质的集体表现; 微观粒子力学量_鸭宏观物理量 热力学基本定律归结为一条基本统计原理,阐明其 统计意义,可解释涨落; 口借助微观模型,近似导出具体物性

⎯统计平均 ⎯ ⎯→ 统计物理 ❑ 从微观结构出发，深入热运动本质，认为宏观物性是 大量微观粒子运动性质的集体表现； 微观粒子力学量 宏观物理量 ❑ 热力学基本定律归结为一条基本统计原理，阐明其 统计意义，可解释涨落； ❑ 借助微观模型，近似导出具体物性

第一章热力学的基本规律 热力学基本概念 2.热力学第一定律 3.热力学第二定律 4.熵和熵增加原理 5.热力学基本方程

第一章 热力学的基本规律 1. 热力学基本概念 2. 热力学第一定律 3. 热力学第二定律 4. 熵和熵增加原理 5. 热力学基本方程

§1.1热力学基本概念 1.系统与外界 热力学系统由大数微观粒子组成的宏观物质系统 外界与系统发生相互作用的其他物质 系统孤立封闭开放 物质交换无 能量交换无 无有 有有

系统 孤立 封闭 开放 物质交换 无 无 有 能量交换 无 有 有 §1.1 热力学基本概念 热力学系统 由大数微观粒子组成的宏观物质系统 外界 与系统发生相互作用的其他物质 1. 系统与外界

2.平衡态及其描述 平衡态孤立系经过足够长时间(弛豫时间)后必定 自发到达的状态,宏观性质不随时间改变。 口热动平衡 切宏观流动停止,热运动未停 止,只是平均效果不变。 口涨落——宏观物理量围绕平均值的微小起伏, 在热力学中忽略 口非孤立系平衡态:系统+外界=孤立系统 口系统的稳恒态不一定是平衡态

2. 平衡态及其描述 平衡态 孤立系经过足够长时间（弛豫时间）后必定 自发到达的状态，宏观性质不随时间改变。 ❑ 热动平衡——一切宏观流动停止，热运动未停 止，只是平均效果不变。 ❑ 涨落——宏观物理量围绕平均值的微小起伏， 在热力学中忽略。 ❑ 非孤立系平衡态：系统+外界=孤立系统 ❑ 系统的稳恒态不一定是平衡态

状态参量平衡态系统具有确定的宏观物理量,这些量 不全部独立。可任意选取一组独立宏观量确 定平衡态 态函数表示为状态参量函数的其他宏观量 气体:压强和体积可独立改变,(p,)为状态参量。 平衡态对应p-V图上的一点。 3.温度与物态方程 温度物体的冷热程度,微观上反映热运动的剧烈程度 K kT 口温度决定于系统内部热运动状态,是态函数。 口温度概念的建立基于热力学第零(热平衡)定律

( p,V) p −V K mv k T 2 3 2 1 2 = = 状态参量 平衡态系统具有确定的宏观物理量，这些量 不全部独立。可任意选取一组独立宏观量确 定平衡态。 态函数 表示为状态参量函数的其他宏观量。 气体：压强和体积可独立改变， 为状态参量。 平衡态对应 图上的一点。 3. 温度与物态方程 温度 物体的冷热程度，微观上反映热运动的剧烈程度。 ❑ 温度决定于系统内部热运动状态，是态函数。 ❑ 温度概念的建立基于热力学第零（热平衡）定律

理想气体pV=nRT n=N/No, R=Nok N=6.023×1023mol,k=1.381×10-23J/K 物态方程给出温度与状态参量间函数关系的方程,由 实验测定。 气体f(p,V,T)=0 可任选其中之二为状态参量,第三个作为态函数。 4.准静态过程 过程热力学状态变化的经历。实际过程必定经历非平 衡态

pV = nRT 6.023 10 mol , 1.381 10 J/K , , 2 3 -1 2 3 0 0 0 − =  =  = = N k n N N R N k f ( p,V, T) = 0 理想气体 物态方程 给出温度与状态参量间函数关系的方程，由 实验测定。 气体 可任选其中之二为状态参量，第三个作为态函数。 4. 准静态过程 过程 热力学状态变化的经历。实际过程必定经历非平 衡态

准静态过程无限缓慢进行的理想过程,经历的每个 状态可视为平衡态。 气体的缓慢膨胀和压缩,表示为p-V图上的过程曲线 功系统与外界交换能量的宏观方式,通过机械作用或 电磁作用实现。 准静态过程的体胀功: 系统对外界d=p,W=Jmpr 功是过程量,不是态函数增量 热系统与外界交换能量的微观方式,通过粒子间的相 互作用实现,必须存在温度差

p −V  = = f i V V dW pdV, W pdV 准静态过程 无限缓慢进行的理想过程，经历的每个 状态可视为平衡态。 气体的缓慢膨胀和压缩，表示为 图上的过程曲线。 功 系统与外界交换能量的宏观方式，通过机械作用或 电磁作用实现。 准静态过程的体胀功： 系统对外界 ❑ 功是过程量，不是态函数增量。 热 系统与外界交换能量的微观方式，通过粒子间的相 互作用实现，必须存在温度差