物理学研究对象的基本概念系列讲座热学的基本概念课件.ppt

,物理学研究对象的基本概念系列讲座第三讲 热学的基本概念,1.热学物质形态所涉及的基本概念,(1)热学：以物质的热运动以及热运动与其他运动形式相互转化规律为研究对象的一门学科。(2)热学物质客体：由大量无规则运动微观粒子组成的宏观物质。含大量无规则运动微观粒子的实物热辐射场：一种电磁场，其微观粒子是光子,(3)热学系统：由大量微观粒子组成的有限宏观物质，它是从周围环境分离出来的热学研究对象。与之相关的概念有外界、孤立系、封闭系、开放系：外界：与热学系统相互作用的环境间壁：包围热力学系统的一层外界物质透热壁：能使热学系统与外界进行热传递作用的间壁,绝热壁:不能使热学系统与外界有热交换的间 壁（理性模型）孤立系统：与外界无任何相互作用（既无物质 交换，也无能量交换）的系统封闭系统：与外界只有能量交换（作功或传 热），而无物质交换的系统开放系统：与外界既有能量交换，又有物质交换的系统。,孤立系和封闭系均属理想模型。最简单热学系统是理想气体系统 具体的物态还有：范德瓦耳斯气体（理想模型）、实际气体、晶体、非晶 体、液体等。,2.热运动涉及的基本概念,(1)热运动：大量微观粒子无规则的运动 微观粒子永不停息的无规则运动 微观粒子的一种运动形式 物体内部大量微观粒子无规则运动的 整体表现宏观物质的一种运动形式 运动剧烈程度与温度有关,（2）热力学平衡：系统在不受外界影响下，其宏观性质不随时间变化的状态称系统处于热力学平衡 两个前提 不受外界影响（不交换能量，也不交换物质）宏观性质（V、T、P、等）不随时间变化 状态参量 VC时称几何平衡；PC时称力学平衡；TC 时称热平衡；组成分子的摩尔质量 C称化 学平衡；各相组成不变称相平衡。均为动态平衡。,3.热力学第零定律及其相关的概念,(1)定律：若系统A、B分别与系统C处于热 平衡，则A、B必然处于热平衡。(2)温度：物体冷热的程度（初中）决定一个热力学系统是否与其它 热力学系统处于热平衡的状态参量 态函数（大学）,温度是其他四类独立参量：几何参量V、力学参量P、化学参量、电磁参量E或 B的函数，对理想气体系统达到热平衡:物体系统处于非平衡态时，温度概念不 再适用。,热接触：系统之间能发生热传递的接 触。热平衡：系统间仅在热接触条件（无 作功）下达到共同的热力学平衡态,(3)温标：温度的数值表示法 两个要素：a.测量依据：测温物质及其测温属性（测温物 的某物理量随温度变化的函数关系）由于氦的 液化点最低，在实现理想气体温标时做测温物 显得优越，而低于1K时氦已经变成液体，故 低于1K在理想气体温标中没有物理意义。,b.标度方法选固定点（测量基准）经验温标V=V(T)或P=P(T)理想气体温标：,理想气体温标不依赖于任何一种气 体的个性，而依赖于气体的共性，它是 建立在压强趋近于0的前提下，任何气 体趋于一共同的极限值。,热力学温标：在热力学第一、二定律基础上引入的，使用的温度计是一个理想的可逆卡诺热机，令它工作于水的三相点和待测物之间，与它们交换的热量分别为Qtr和Q由此定义的温标：称热力学温标。,Q为任何物质都可具有的测温属性；TQ，消除了“相对性”不因测温物的属性不同而变。是一种理想化的情况，因可逆卡诺机实际不 能实现。由于水的三相点有高度复现的优越性，且水的冰点为273.15K，而三相点温度近似为0.01，故规定水的三相点温度为273.16K。,常见的几个温标的固定点：华氏温标：纯水在标准气压下，冰点定为32，沸点定为212，（荷兰华伦海特）摄氏温标：纯水在标准气压下冰点定为 0，沸点定为100（瑞典 摄尔修斯）开氏温标：纯水在标准气压下冰点定为273.15K（英国 开尔文）,热力学温标：纯水在标准状况下的三相点定为273.16K。因为1K与1K相差极微小，故统一用K表示。国际摄氏度t=（T-273.16）1K与1间隔仅万分之一度内的差别，国际摄氏温度100与水的沸点也不严格一致，差1%,4.热力学第一定律及其相关的概念,(1)定律：外界对系统作功以及系统从外界 吸热，这两部分完全用于系统内能的增加（本质：热学中的能量转化与守恒）积分式：微分式：,(2)能量、内能与内能的增量 能量：反映各种形式运动强弱的普遍量度的 物理量 系统外部能量：系统整体运动动能和整体在 外力场中的势能即整体的机械能。内能：不考虑系统外部能量时，系统内部微 粒的平均动能、势能及其相互作用能之和 系统内部所具有的能量。内能是状态的 单值函数U=U(r，T)对理想气体U=U(T)。,内能 其中 并不严格等于全部粒 子的静止质量，而是等于排除宏观整体速率 影响的与热运动的速率（平均速率、方均根 速率）有关的那些相对论质量，即把“由于 热运动引起的分子动质量的改变量”考虑进去。由绝热过程（排除热传递），系统由平衡态 1平衡态2中外界对系统所作的广义功用以 内能的增量。,内能的增量为 两个态函数之差 是过程量。微观定义的内能 其中 表示所有微观无规热运动动能和 分子内原子间的势能；表示分子间相互作用的势能 表示原子内各基本粒子的能量。内能的变化,不参与变化，故不出现。,能量均分定理中 理想气体 且规定 故理想气体的热能概念与内能概念一致。,（3）热量：系统与外界在热传递的相互作 用过程中，能量变化的量度。微观角度：系统与外界通过分子碰撞、辐 射等方式的相互作用过程中所传递的能量。宏观角度：系统内能的增加，除外界作功 之外，所多余的那部分是热传递的影响，称热量Q=(U2-U1)-W。,热量是过程量，是热传递中能量变化之量。引入熵和熵差概念后，热量的微分式可写成dQ=Tds规定系统吸热Q0,(4)功：除热传递外，系统与外界的一切相互 作用方式。是系统与外界有功的相互作用过 程时，系统能量变化的量度。依外力对质点作功 外界对流体作 功（体积功）外界对表面系统作功（为表面张 力系数）外界对可逆电池作功,外界对电介质（为电极化强度）右边第一项为激发电场功，第二项为介质极 化功外界对磁介质（H为磁场强度，为磁化强度）右边第一项为激发磁场功，第二项为介质磁 化功,在准静态过程中外界对系统所作的广义功规定：外界对系统作功 W0,(5)做功和热传递的区别 做功：能量可以转化或传递；可以有大量分子有规则运动的能量与无规则运动的能量互相转化；有广义位移，是能量转化传递的宏观形式。热传递：仅是内能的传递，没有能量的转化；仅仅有大量分子无规则运动能量的转移；无广义位移，是能量传递的微观形式。,（6）几个错误概念的剖析：热量是热运动的能量。析：热量不是能量本身，而是能量的变化 量。热量是在热传递中，物体吸收或放出的热能。析：热传递中，传递的是内能，而不仅仅 是热能，“热能变化量”不是一个已 知明确概念。,“能是功的储存，功是能的表现”析：循环逻辑错；过程量状态量能量是做功的本领 析：热传递也体现出能量的本领；未反应系统本身运动强弱如物理实质。,4.热力学第二定律及其相关的概念,(1)定律：一切与热现象有关的实际宏观过 程都不可逆的（本质：自发实际宏观过程 具有方向性）开尔文表述：功变热过程是不可逆的。克劳修斯表述：热传递过程是不可逆的。开氏表述与克氏表述等效,(2)可逆过程与不可逆过程：如果一个过程可以逆向进行，使系统和外界都恢复到原来状态而不引起任何其他变化，则这种过程称为可逆过程。不满足系统和外界完全复原条件的过程称不可逆过程。,系统复原但外界不复原的过程不是可 逆过程（如冰箱）自发宏观实际过程如扩散、功变热、热传递等，无外界影响则称正方向，而 逆方向过程要引起外界变化。可逆过程是理想过程，即负方向进行 中，系统与外界的每一步都应是原来沿 正方向进行的重演。,一般无耗散因素（存在摩擦、泄露、非弹性形变、电阻、磁滞等的称耗散因 素）或无限缓慢的每一步都趋于平衡态 的过程，可视为可逆过程。自然界一切实际过程都是不可逆的。证明“时间单向性”。,(3)熵概念及熵增加原理克劳修斯不等式引出熵概念及熵增加原 理：,假想系统由：,平衡态A,任意,平衡态B,可逆,平衡态A则,若过程为绝热过程,熵增加原理：孤立系（即绝热系）中所发生的不可逆过程总是朝熵增加的方向进行。熵增加原理只适用于大量粒子体系的宏观过程，且只适用于有限的时空范围。熵是态函数，两态的熵差与过程的方式及路程无关。,熵是相对量，只有熵差才具有真正意义，而当人为规定熵零点后，绝对熵才有意义。熵是广延量，处于平衡态的系统各部分的熵值相加即为系统的总熵，利用局域平衡理论，处于非平衡态的系统的总熵 为每一微小部分的熵），非平衡态的熵也称“广义熵”。,熵是演进量：孤立系中熵值随过程变化不断增大，直到达到平衡态 为止熵是随时间演进的物理量。（不可逆过程）其中 是由于过程中有热量流入系统造成 熵增称“熵流”，是由于不可逆过程本身 造成的增加称“熵产生”。,关于熵及熵差熵作为态函数一般S=S(T,V)、S=S(U,V)S=S(H,P)熵差为两个态函数之差，是过程量：任何宏观实际的自发过程可以通过熵的变化去判断过程的方向性和限度。,系统的熵小（大）表明系统热能转变为功的本领大（小）。熵是衡量系统接近稳定平衡态程度的物理量，当系统达到稳定平衡态时，对应的熵取最大值。,理想气体熵差表达式,统计物理中的熵表达式：其中为玻尔兹曼常数，为系统的微观状态数或热力学概率。既可用微观状态数表征，也可用热力学概率表征，越大，系统无序性越大。,热力学过程进行的方向：总是从微观状态少的状态向微观状态多的状态进行总是从热力学概率小的状态向热力学概率大的方向进行总是从无序性低的状态向无序性高的状态进行。,系统达到平衡态时，熵最大，故熵是平衡态的判据系统达到平衡态时，只需少数几个宏观量描述其状态，故熵是系统失去信息多少的量度。,5.热力学第三定律从及其相关的概念,（1）定律的两种表述：绝对零度不能达到（用有限手段）不可能使物体冷却到绝对零度。能斯脱表述：当温度趋于绝对零度，系 统不同状态之间的熵差为零。其中 指等温过程中的 熵变。,普朗克假说：当温度趋于绝对零度时，不仅熵的变化消失，并且任何处于平衡态的系统在绝对零度的熵都等于零。以绝对零度为参考点定义的熵称绝对熵。,（2)推论及应用：推论1：当温度趋于绝对零度时，物质的 膨胀系数和压强系数都趋于零。,推论2：当温度趋于绝对零度时，任何系统的热容量趋于零。,热三律的应用：计算化学平衡常数;计算化学亲和势A;确定化学反映热与化学亲和势的关系;计算绝对熵。,（3）经典统计中对温度的定义由 温度是粒子平均平动能的标志,(4)量子统计中对温度概念的分析定域系统处于温度为T的平衡态时，处于能量 的能级上的粒子数:（N为系统总粒子数，为 能级的简并 度),两个能级熵粒子数之比 当 时，则粒子全部在 最低能级 上，称零点能。当，在正的热力学温度下，高能级上的粒子数少于低能 级上的粒子数，属正常分布。,当，此时系统的熵达到 最大值。当，即在负的热力学温度下，高能级的粒子数高于低能级的 粒子数称“粒子数反转分布”。,(5)负绝对温度的分析热学基本微分方程 有：若S随U变化取负值时，应当是合理 的（朗道1946年预言）,负温度存在的实验：实验原理：晶体，核有四个能级，具有能级上限，核自旋磁矩去取向有两个，与外磁场方向相同或相反。核、F核和离子晶格组成的系统内部相互作用弛豫时间 秒，核与离子晶格相互作用时间，热平衡时具有统一的晶体温度。当外场B快速反向时实现绝热过程。,当核自旋系统处于正绝对温度时，突然使B反向，从而使多数粒子 磁矩取向也突然与B相反，达到 过程近似绝热在 秒内达到负绝 对温度。,负温度存在的条件 系统本身内部相互作用的驰豫时间很短，符合准静态过程；系统能级数目有限，且能量有一上限，以满足“粒子数可反转”；系统与外界热隔绝。,实验证明：外磁场作用下顺磁性物质的核自旋系统及激光系统，有时可满足上述条件（1951年珀色耳和庞德在LiF晶体核自旋系统的实验中证明有负绝对温度存在）。,由于，高能级粒子数多，负绝对温度比正的任何温度还高，但此温度概念只有极短时间（几秒钟）内成立，且存在于极局部的范围。,热学中温度概念贯穿于四条热力学基本定律，从简单的热接触、热平衡到内能与熵等态函数的讨论，再到量子统计中的粒子数反转出现的负绝对温度，温度概念的发展也标志着热学理论的发展。,