2022-2023学年高二物理竞赛课件：热力学绪论

1 热力学绪论 2 绪论（Preface） 一、热现象与热物理学 二、经典热力学和统计热力学 三、热量、能量转换与应用 四、非平衡态热力学 3 一、热现象与热物理学 1. 热现象：热现象是与物体温度相关的物体性质及状态的变化。热现象与热运动密切相关。 “热运动”的两种含义： a. 宏观物体以热现象为主要标志的一种运动形态； b. 构成宏观物体的微观粒子在不停的杂乱运动。 可见：热现象与大量的微观粒子的热运动密切相关，热运动的存在必然影响到物质的各种宏观性质。 4 2. 热物理学 热物理学是研究物质的热运动及其各种宏观性质规律的科学。 基本内容： 热学 热力学（经典热力学） 统计热力学（统计物理或统计力学） 非平衡态热力学 4 热学：以物质的热运动以及热运动与其他运动形态之间的转化规律为其研究对象的一门学科 5 二、经典热力学和统计热力学 热力学和统计物理学是研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化的科学，这两门课程都是热物理学的重要组成发部分之一，它们相辅相成，互为补充。 5 经典热力学特点：•不涉及时间与空间；• 以平衡态、准静态过程、可逆过程为模型；• 经典热力学( 静热力学)。 6 热力学是热运动的宏观理论: （1）热力学理论不去追究物质的微观结构，而只考虑组成物质的大量原子、分子作为一个整体表现出来的各种宏观性质。 （2）通过对热现象的观测、实验和分析，总结出热现象的基本规律。 （3）热力学理论的一切结论都是由这些基本定律出发、应用数学方法、通过严密的逻辑演译而得到的。因此，只要在其中不加其它假设，这些结论也具有同样的可靠性和普遍性。 缺点：不能解释物体宏观性质的涨落。 6 较普遍、可靠，但不能求特殊性质 7 统计物理是热运动的微观理论: 研究物质的微观结构，认为物质由大量的原子、分子组成。它或是用力学定律对单个粒子及其大量粒子进行统计分析，或是运用概率统计和量子统计的方法找出宏观量与原子、分子等微观量之间的关系，从而解释热现象的微观本质。 统计物理所得到的结果需要通过热力学关系和实验来验证。 优点：把热力学中的三个相互独立的基本规律归结为一个基本的统计原理，解决了有关物质的具体性质，解释了涨落现象 。 缺点：对物质的微观结构所做的假设，往往是简化的，所得的理论结果往往是近似的。 7 可求特殊性质，但可靠性依赖于微观结构的假设，计算较麻烦 8 热力学四大定律发展史 18世纪，卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。 9 第一个阶段:十七世纪末到十九世纪中叶 该阶段累积了大量的试验与观察的结果，制造出蒸汽机，并对“热”（Heat）的本质展开研究与争论，为热力学的理论建立做好了暖身。 十九世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论（热力学第二定律的前身）和热功互换原理（热力学第一定律的基础）。 这一阶段的热力学还停留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。 标志：温度计的发展、热量概念的演进 10 第二个阶段：十九世纪中叶到十九世纪 七十年代末 此阶段热力学第一定律和第二定律已经完全理论化--由热功互换原理建立了热力学第一定律，由第一定律与卡诺循环的结合导致热力学第二定律的成熟。 以牛顿力学为基础的气体动力论也开始发展。 人们并不了解热力学与气体动力论之间的关联。 标志：卡诺循环、热力学第一和第二定律的形成 11 法国物理学家卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796～1823），生于巴黎。卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机——后称卡诺可逆热机（卡诺热机），提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。 12 德国物理学家和数学家克劳修斯（Clausius，1822－1888）是第一位把热力学第一定律用数学形式表达出来的人。接着又提出热力学第二定律。1854年首次引入“熵”的概念，1865年发现“熵增加原理”，1851年第一次运用统计概念导出气体的压力公式，1858年又引进自由程概念，导出了平均自由程公式。1879年克劳修斯获英国皇家学会的科普利奖。 12 13 第三个阶段：十九世纪末到二十世纪初 由玻尔兹曼将热力学与分子动力学的理论结合，而导致统计热力学的诞生； 同时他也提出非平衡态的理论基础。 二十世纪初吉布斯（Gibbs）提出系统理论建立统计力学的基础。 标志：统计热力学发展，非平衡态理论提出 14 因为他的发现，世界上每一个要念工程或理科的学生，打开课本就会发现“能量”的观念贯穿了每一个物理或化学的公式，解释了每一个热、电、磁的运动，成为近代科技的基石。