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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第三章 多粒子体系的热运动,在第一章和第二章讨论了宏观物体遵从的基本规律,现我们讨论大量粒子组成的宏观体系所遵从的基本规律。,我们已经知道微观粒子都在做永不停息的无规则运动。由于这种运动的剧烈程度是由温度的高低表现出来,我们称之为热运动。研究热运动规律的理论分为两类:热力学和统计物理学。,第三章 多粒子体系的热运,1,热力学是热现象的宏观理论,是将大量粒子组成的体系视为整体,从实验事实出发,采用归纳概括的方法得出结论。,统计物理学是研究热现象的微观理论,它认为宏观现象是大量微观粒子运动的集体表现,大量微观粒子的运动遵循统计规律,以此解释热力学定律的微观实质。二者互相补充,.,20,世纪30年代伴随着量子力学的诞生,人们认识了微观粒子的波粒二象性,创立量子统计物理学并发展了非平衡态理论,这已是现代物理学中的一个重要领域。,热力学是热现象的宏观理论,是将大量粒子组,2,3-1,热力学的基本概念 温度 内能 热量,一.温度,什么是温度?日常经验认为温度就是冷热程度,若要定量就用温度计测一下读出示数。测温的依据是什么？,1939年,否勒根据实验提出热平衡定律:在与外界影响隔绝的条件下,如果物体,C,分别与物体,A、B,达到热平衡，则物体,A,、,B,也是相互热平衡的。因是否勒在热力学第一、二定律之后80年才提出的,而在逻辑上它应在那两条定律之前,故称为热力学第零定律。,3-1 热力学的基本概念 温度,3,热力学第零定律给出温度的宏观定义:表征系统热平衡宏观性质的物理量,处于热平衡的系统有相同的温度。热力学第零定律还给出了利用温度计测温的原理:温度计与被测物体达热平衡时温度计的示数是该物体的温度。,显然物体温度的数值与所用的测量温度的标尺有关。温度的标尺称为温标。常用的温标有:,从微观看，温度反映组成宏观物体的大量分子无规则运动的激烈程度，是组成物体大量分子的集体行为。,热力学第零定律给出温度的宏观定义:表征系统热,4,1.摄氏温标,单位是摄氏度,记为,C,是瑞典天文学家摄尔修斯1742年建立的。把在标准大气压(1,atm,),下冰的熔点定为0,C,水的沸点定为100,C。,摄氏温度一般用,t,表示。,2.华氏温标,单位华氏度记为,F,是从德国迁居荷兰的华伦海特1714年建立的。把标准大气压下的水、冰、氯化氨和盐的混合温度点定为32,F,水的沸点定为212,F,人体的正常体温是98.6,F,。,1.摄氏温标,5,3.热力学温标,单位开尔文记为,K,。,热力学温度用,T,表示。热力学温标不依赖于测温物质。水的三相点的热力学温度是273.16,K,热力学温度的单位是1/273.6,与摄氏温度间的关系是,T=,273.15,+t,绝对零度为 0,K,，,即-273.15。荷兰物理学家昂纳斯,实现了氦气的液化,从而获得1.04,K,的低温。正是有了这项技术，昂纳斯发现了水银的超导电性,。,3.热力学温标 单位开尔文记,6,二.物体的内能,组成物质的分子总是在不停地运动。,分子具有动能。,热量是热量是热力学系统与外界或系统各部分间存在温度差发生传热时，被传递给物体(系统)的能量传递给物体的能量，它以分子热运动的形式存储在物体中。单位焦耳（,J），,旧时曾用卡（,cal）。,分子间有相互作用力,分子具有由它们的相对位置决定的势能。组成物质分子的动能和势能，原子核和原子核内能量的总和叫做物体的内能。,三.热量,二.物体的内能 热量是热量是热,7,热力学中的研究对象(气、液、固)称为热力学系统,简称系统。把与系统作用的环境称为外界。,摩擦生热-作功,加热水-热传递,物体的内能增加 在改变物体内能上二者是等效的。,对热本质的认识经历了,热动说和热质说,之争。,实验表明,:,热力学中的研究对象(气、液、固)称为热力学系,8,热质说,热质,热质,由没有重量的微细粒子组成的流质。,热是组成物质的微粒运动的表现,热质,热动说,解释传热学、量热学不能解释摩擦生热、撞击生热等。,测得使1磅水增加1,F,的热量要耗用772磅重物下降1英尺的功，相当,4.15J/cal。,现代值,4.18J/cal,热质,机械运动,热,热质,机械运动,热质说热质热质由没有重量的微细粒子组成的流质,9,1.热力学第一定律,3-2,热力学第一定律,Q=W +,是热力学第一定律的数学表达式。,热学第一定律是能量守恒定律在涉及热现象的宏观过程中的具体表现。系统从外界吸收热量,Q,，,一部分转化为为系统对外界所做的功,W,;,另一部分使系统内能增加,U,，,据能量守恒定律：,1.热力学第一定律,10,不需要消耗外界的能量可以不断地对外作功的机器称为第一类永动机违背热力学第一定律热力学第一定律也表述为:第一类永动机是不可能实现的。,蒸汽机,冷凝器,变断续运动为连续运动,活塞阀,变往返运动为旋转运动,飞轮、离心机,17世纪末发明巴本锅，18世纪末瓦特改进了蒸汽机。,不需要消耗外界的能量可以不断地对外作功的机,11,例题2-1,一发明家来咨询,说他制作了一台发动机，机器从燃料中吸收1,10,8,J,的热量,排出2.5,10,7,J,的热量,对外作功9,10,7,J。,你是否建议投资此业?,解,机器消耗的热量,Q,=,1,10,8,-,2.5,10,7,=7.5,10,7,J,最理想的情况,机器所消耗的热量全部转换为对外所作的功,W=,Q=,7.5,10,7,J,发明家宣称的有用功是,W,=,9,10,7,J,W,因而不可能实现。,例题2-1 一发明家来咨询,说他制作了,12,二.热机 致冷机 热泵,1.热机,工作物质从某一状态出发，经过一系列中间变化后又回到原来的状态，称为循环过程。,将热量不断地转变为机械功的装置称为热机。,生产实践要求回答诸如此类的问题:烧一吨煤产生的热量中,有多少通过蒸汽机变成推动火车前进的动力,引出热机的效率:,=W/Q,精良的制作提高着效率，但必须从理论上回答：提高热机效率的途径是什么？热机的效率是否有极限？,二.热机 致冷机 热泵,13,法国青年工程师卡诺提出卡诺热机模型和卡诺定理回答这一问题。,卡诺热机模型工作在温度为,T,1,的高温热源和温度为,T,2,的低温热源间的理想热机。卡诺热机效率最高为,卡诺定理指出，热机效率与工作物质无关，提高热机效率的途径有两条:,在尽量提高高温热源温度的同时,尽量降低低温热源温度;,尽量减少摩擦力等耗散力所做的功。,法国青年工程师卡诺提出卡诺热机模型和卡诺,14,工作在高低温热源间热机的效率,不可能大于工作在相同高低温热源间卡诺热机的效率回答了热机效率极限的问题。,20世纪，蒸汽机效率达15%左右,汽油内燃机达40%,燃烧高热燃料直接驱动的燃气涡轮机燃气温度达1400,C,效率接近50%。,2.致冷机,热机所作的循环沿相反方向进行变成致冷机。,在一次循环中工作物质从低温热源吸热,向高温热源放热,使高温热源的温度更高,低温热源的温度更低。,工作在高低温热源间热机的效率,不可能,15,冰箱通过消耗电能(外界的能量),不断从冷冻室(低温热源)吸收热量,向高温热源(周围环境)放热,从而使冷冻室温度降低,周围环境温度升高。,W+Q,2,WW,=,Q,1,-Q,2,W,图3-4 卡诺循环能流图,W=Q,1,-Q,2,Q,1,=,W+Q,2,W,冰箱通过消耗电能(外界的能量),不断从冷,16,夏季空调机用致冷功能,室内,低温热源,室外,高温热源,Q,2,+W,室内,高温热源,室外,低温热源,Q,2,+W,冬季空调机用“热泵”功能,设室外的温度为0,C,室内温度为 27,C,理想状态消耗1焦的功,室内可得到11焦的能量。,3.热泵,是一种更经济更高效的调温装置。从工作原理讲是致冷机,它把热量从低温热源抽到高温热源。,夏季空调机用致冷功能室内低温热源 室外Q2+W室内,17,我们讨论了热力学第一定律，学会用能量守恒和转换观点去观察世界。人们终日忙碌制作着各种各样的机器和装置，它们大多数只是能量转换器而已。如：,人体,自然界进行着能量传递和转换时，似乎还隐藏着一个秘密。有一只看不见的手支配着、选择着，它允许一些过程发生，而不允许一些看起来虽不违背热力学第一定律的过程发生。这就是热力学第二定律所要揭示的。,风能,机械能,化学能,生物能,我们讨论了热力学第一定律，学会用能量守恒和,18,3 热力学第二定律,一.与热现象有关过程的不可逆性,与热现象有关的自然界的过程是有方向性的,人类社会中的许多过程也是有方向性的。如：,低温物体,高温物体,热量自动,膨胀的气体,压缩的气体,体积自动,自动,3 热力学第二定律,19,热力学过程通常分为两类:,可逆过程和不可逆过程.,作为理想情况,一个进行得无限缓慢的,无耗散力作功的过程视为可逆过程。,系统沿某一过程从状态1到状态2,且存在一个逆过程,使系统沿原过程的反方向进行,重复原过程的每一个中间态而不引起外界的变化,这过程是可逆过程。反之不存在这样一个逆过程的称为不可逆过程。,上面列举的那些与热现象有关的过程都是不可逆过程。,热力学过程通常分为两类:可逆过程和不可逆过,20,二.热力学第二定律,那是否存在着一个具有普遍意义的定律,用来判明过程进行的方向呢?1850年克劳修斯发表了论热的动力与由此可以得出的热学理论的普遍规律一文，首先给出了热力学第二定律:,热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体。人们称之为热力学第二定律的,克劳修斯表述。其含义是实现这一过程必须消耗功。,1851年,开尔文提出热力学第二定律的另一种表述,:不可能从单一热源吸收热量完全变成有用的功而不产生其它影响。或第二类永动机不可能实现,。,二.热力学第二定律 那是否存,21,热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述虽不相同,可以证明它们是等效的。它们的等效性说明自然界的不可逆过程是相关的。因而任何一个反映热力学过程不可逆性的实验事实,都可以作为热力学第二定律的一种表述形式。热力学第二定律虽有多种表述形式,但反映的实质是共同的:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。,热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述虽不,22,3-4,熵,熵是一个极其重要的物理量,但却又十分难懂。1865年克劳修斯定义了熵,用熵定量阐明热力学第二定律。克劳修斯从明确表述第二定律到正式引入熵的概念整整经历了15年。玻尔兹曼于1877年隐指了玻尔兹曼关系式，赋予熵统计解释(微观意义),大大丰富了熵的内涵;1948年香农将熵与信息论联系起来，揭示了熵含义的新层次,进一步扩大了熵的应用面。目前不仅在自然科学和工程技术领域,就在社会科学甚至人文科学的书籍中也会碰到熵。,23,一.熵 熵增原理,A,B,可逆,可逆,P,V,0,孤立系统中的,A B,是可逆过程,熵在两个状态,A、B,间的差值 定义为,熵,S,是热力学系统一个重要的状态函数，熵的变化反映了自发过程进行的方向，并给出孤立系统达平衡的必要条件。克劳修斯是利用系统的热温比和可逆过程定义了熵。,A,即在孤立系统中发生可逆热力学过程,系统的熵保持不变。,一.熵 熵增原理AB可逆可逆PV0,24,即。可以证明,若,A,到,B,是不可逆过程,则,这是热力学里重要的熵增原理,表示在孤立系统里发生的不可逆过程都是要沿着熵增加的方向进行,于是给出了判明热力学过程进行方向的判据。,引入熵后,热力学第二定律表述为:在孤立系统内,任何变化不能导致熵的总值减小,即熵永增,熵增是到达熵极大为止,平衡态熵为极大。这预示自发过程从非平衡态趋向平衡态,达平衡态时过程停止。,即。可以证明,若A到B是不可逆过程,则这是热力学,25,1877年一生致力于用统计力学研究热运动的玻尔兹曼指出,熵是系统无序性,W,的量度,熵与系统无序度,W,的对数成正比。后来普朗克给出被称为玻尔兹曼公式的式子,k,称为玻尔兹曼常数,。,1877年一生致力于用统计力学研究热运动,26,W,是系统的无序度,用物理的语言说是系统宏观态包含的微观态的数目,也就是宏观态出现的概率。,宏观
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