物理学热学§1.1宏观与微观描述方法.ppt

普通物理教程热学 杨远贵淮北师范大学E mail yygcn Phone 13665614190 热是人类最早发现的一种自然力 是地球上一切生命的源泉 恩格斯 教材内容 第一章导论第二章分子动理学理论的平衡态理论第三章输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论第四章热力学第一定律第五章热力学第二定律第六章物态与相变 基本框架 本课程主要讨论以下三部分内容 1 热力学基础 2 统计物理学的初步知识 以分子动理论的内容为主 3 气体 液体 固体 相变等物性学方面的基本知识 以后在 热力学与统计物理 固体物理 等课程中还要对热物理学的相关内容作更深入的讨论 课程要求 上课不可迟到 早退课堂不可接打电话按时并独立地完成作业平时成绩 出勤 作业 课堂学习状态 回答问题等占30 期末考试 70 热学简史 早期发展简述热力学第一定律的建立分子运动论的发展 早期发展简述 温度的定义和热机的研制 1 对温度的研究 1593年 伽利略利用空气热胀冷缩的性质 制成了温度计的雏形 2 热机的发展 蒸汽机是一个真正的国际发明 而这个事实又证实了一个巨大的历史进步 1695年 法国人巴本第一个发明蒸汽机 但操作不便 不安全 1705年 钮科门和科里制造了新蒸汽机 有一定实用价值 但用水冷却气缸 能量损失很大 1769年 英国技工瓦特改进了钮科门机 加了冷凝器 使机器运作由断续变连续 从而蒸汽机的使用价值大大提高 导致了欧洲的工业革命 1785年 热机被应用于纺织 1807年 热机被美国人富尔顿应用于轮船 1825年被用于火车和铁路 萨维里的蒸汽机 托马斯 纽可门的蒸汽机 瓦特像 瓦特发明的蒸汽机 1807年 3 量热学和热传导理论的建立 在18世纪前半叶 人们对什么是温度 什么是热量的概念含糊不清 热学要发展 有关热学的一系列概念就需要有科学的定义 经彼得堡院士里赫曼于1744年开始 英国人布拉克和他的学生伊尔文等逐步工作 终于在1780年前后 温度 热量 热容量 潜热等一系列概念都已形成 4 热本性说的争论 1 认为热是一种物质 即热质说 代表人物 伊壁鸠鲁 付里叶 卡诺 2 认为热是物体粒子的内部运动 代表人物 笛卡尔 胡克 罗蒙诺索夫 伦福德 他们认为 尽管看不到 也不能否定分子运动是存在的 热力学第一定律的建立 一 定律诞生的背景1 为蒸汽机的进一步发展 迫切需要研究热和功的关系 以提高热机效率 适应生产力发展的需要 2 能量转化与守恒思想的萌发二 确立能量转化与守恒定律的三位科学家 迈尔曾是一位随船医生 在一次驶往印度尼西亚的航行中 给生病的船员做手术时 发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮 这引起了迈尔的沉思 他认为 食物中含有的化学能 可转化为热能 在热带情况下 机体中燃烧过程减慢 因而留下了较多的氧 迈尔的结论是 因此力 能量 是不灭的 而是可转化的 不可称量的客体 迈尔在1841年 1842年撰文发表了他的观点 在1845年的论文中 更明确写道 无不能生有 有不能变无 在死的或活的自然界中 这个力 能 永远处于循环和转化之中 迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人 恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价 德国的迈尔 1814 1878 亥姆霍兹 德国科学家 他认为 大自然是统一的 自然力 即能量 是守恒的 1847年 发表著名论文 力的守恒 把能量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒 焦耳的实验研究 焦耳是英国著名的实验物理学家 家境富裕 16岁在名家道尔顿处学习 使他对科学浓厚兴趣 当时电机刚出现 焦耳在1841年发表文章指出 热量与导体电阻和电流平方成正比 这就是著名的焦耳 楞次定律 探求热和得到的或失去的机械功之间是否存在一个恒定的比值 又成了焦耳感兴趣的问题 1845年 焦耳为测定机械功和热之间的转换关系 设计了 热功当量实验仪 并反复改进 反复实验 1849年发表 论热功当量 1878年发表 热功当量的新测定 最后得到的数值为423 85公斤 米 千卡 焦耳测热功当量用了三十多年 实验了400多次 付出大量的辛勤劳动 焦尔测量热功当量的一种实验装置 浆叶实验 焦耳像 分子运动论的发展 1 早期的分子运动论1 德莫克里特 公元前460 前371 认为物质皆由各种不同微粒组成 2 1658年 伽桑狄提出 物质是由分子构成的 2 克劳修斯的理想气体分子模型 1857年发表 论热运动的类型 的文章 以十分明晰和信服的推理 建立了理想气体分子模型和压强公式 引入了平均自由程的概念 3 麦克斯韦的贡献 1860年 麦克斯韦发表了 气体动力论的说明 第一次用概率的思想 建立了麦克斯韦分子速率分布律 4 玻尔兹曼的工作 在麦氏速率分布率的基础上 第一次考虑了重力对分子运动的影响 建立了更全面的玻尔兹曼分布律 建立了知名过程方向性的玻尔兹曼H定理 建立了玻尔兹曼熵公式 5 统计物理学的创立 在克劳修斯 麦克斯韦 玻尔兹曼研究的基础上 吉布斯提出 热力学的发现基础建立在力学的一个分支上 吉布斯由此建立了统计力学 1902年发表了 统计力学的基本理论 建立了完整的 系综理论 普通物理教程热学 1 1宏观描述方法与微观描述方法 1 1 1热学的研究对象及其特点 1 1 2宏观描述方法与微观描述方法 1 1 1热学的研究对象及其特点 一 热物理学 thermalphysics 热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学 宏观物质 由大量微观粒子组成 微观粒子 例如分子 原子等 都处于永不停息的无规热运动中 正是大量微观粒子的无规热运动 才决定了宏观物质的热学性质 热物理学渗透到自然科学各部门 所有与热相联系的现象都可用热学来研究 二 热学研究对象的特征 热物理学研究的是由数量很大很大的大数微观粒子所组成的系统 若光滑底面上有N个弹性刚球 确定一个球的运动情况需要x y vx vy4个独立坐标 需要列出4个独立方程 N个弹性刚球需要4n个独立方程 可是容器中的气体分子是如此之多 例如 1mol物质中就有6 1023个分子 因而需要有6 4 1023个方程 对于这个数量的大小我们缺乏感性认识 如何理解宇宙年龄的数量级的大小 我们知道宇宙现今年龄为1010年数量级 确切些说是137亿年 1年 365 86400秒 107秒 1010年 1017秒 解微分方程组首先要写出微分方程 还要写出已知条件 简单些 我们不要求写了 只要求数出所必须解出的微分方程的个数 因为微分方程的个数是和弹性刚球的数量级相同的 假如有一个 超人 他从宇宙大爆炸那一刻起与宇宙同时诞生 并与宇宙的年龄相同 若他1秒数10个分子 则他数到现今才数了1017个分子 差不多相当于10 6摩尔分子 显然 人类不可能造出一部能计算1023个粒子的运动方程的计算机 即使能做到 对我们也意义不大 因为我们所关心的是气体的宏观性质 即相应微观量的统计平均值 热物理学研究对象的这一特点决定了它有宏观的与微观的两种不同的描述方法 1 1 2宏观描述方法与微观描述方法 大数粒子作为一个整体 存在着统计相关性 这种相关性迫使这个集体要遵从一定的统计规律 对大数粒子统计所得的平均值就是平衡态系统的宏观可测定的物理量 系统的粒子数越多 统计规律的正确程度也越高 相反 粒子数少的系统的统计平均值与宏观可测定量之间的偏差较大 有时甚至失去它的实际意义 正因为如此 热学有宏观描述方法 热力学方法 与微观描述方法 统计物理学的方法 之分 它们分别从不同角度去研究问题 自成独立体系 相互间又存在千丝万缕的联系 一 宏观与微观的两种不同描述方法 二 热力学 Thermodynamics 热力学是热物理学的宏观理论 它从对热现象的大量的直接观察和实验测量所总结出来的普适的基本定律出发 应用数学方法 通过逻推理及演绎 得出有关物质各种宏观性质之间的关系 宏观物理过程进行的方向和限度等结论 热力学基本定律是自然界中的普适规律 只要在数学推理过程中不加上其它假设 这些结论也具有同样的可靠性与普遍性 对于任何宏观的物质系统 不管它是天文的 化学的 生物的 系统 也不管它涉及的是力学现象 电学现象 只要与热运动有关 总应遵循热力学规律 爱因斯坦晚年 1949年 说过 热力学是具有最大普遍性的一门科学 它不同于力学 电磁学 因为它不提出任何一个特殊模型 但它又可应用于任何的宏观的物质系统 一个理论 如果它的前提越简单 而且能说明各种类型的问题越多 适用的范围越广 那么它给人的印象就越深刻 因此 经典热力学给我留下了深刻的印象 经典热力学是具有普遍内容的唯一的物理理论 我深信 在其基本概念适用的范围内是绝对不会被推翻的 热力学的局限性 1 它只适用于粒子数很多的宏观系统 2 它主要研究物质在平衡态下的性质 它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程 3 它把物质看为连续体 不考虑物质的微观结构 它只能说明应该有怎样的关系 而不能解释为什么有这种基本关系 要解释原因 须从物质微观模型出发 利用分子动理论或统计物理方法予以解决 三 统计物理学 Statisticalphysics 统计物理学则是热物理学的微观描述方法 它从物质由大数分子 原子组成的前提出发 运用统计的方法 把宏观性质看作由微观粒子热运动的统计平均值所决定 由此找出微观量与宏观量之间的关系 微观描述方法的局限性在于它在数学上常遇到很大的困难 由此而作出简化假设 微观模型 后所得到的理论结果常与实验不能完全符合