统计物理-公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx
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1、第一章第一章热力学基本规律热力学基本规律 基本内容:热平衡定律基本内容:热平衡定律 热力学第一定律热力学第一定律 热力学第二定律热力学第二定律 应用应用 温度温度 内能、热量内能、热量 熵熵第1页第1页1-1 热力学系统平衡态及其描述热力学系统平衡态及其描述 一一.热力学系统热力学系统热力学系统:即热力学研究对象 是大量微观粒子构成宏观系统 系统:外界:和系统发生互相作用其它物体系统系统外界外界 互相作用(互换能量,互换物质)第2页第2页 孤立系统:闭合系统(闭系):开放系统:不互换能量,不互换物质互换能量,不互换物质互换能量,互换物质 均匀系:(单相系)系统各部分性质完全同样 复相系:系统不
2、是均匀,但是能够分成若干均匀部分 相:一个均匀部分 例子:冰水混合物是二相系第3页第3页二二.热力学平衡态热力学平衡态 阐明:一个孤立系统,无论其初态多么复杂,通过足够长时间一个孤立系统,无论其初态多么复杂,通过足够长时间之后,都会演化到这样一个状态:系统各种宏观性质在长时之后,都会演化到这样一个状态:系统各种宏观性质在长时间内不发生任何改变,这样状态就称为间内不发生任何改变,这样状态就称为热力学平衡态。热力学平衡态。B.弛豫时间 A.动态平衡 初态末态 弛豫时间第4页第4页 C.涨落问题热力学中普通热力学中普通不考虑涨落!不考虑涨落!宏观物理是由大量微观粒子构成,因此宏观物体性质是大量微观粒
3、子运动改变统计表现,人们在宏观时间间隔看到是这种平均结果。假如在比较短时间间隔,会看到相对于平均结果涨落。在某种条件下,这种涨落会放大,在大时空范围内表现出来。第5页第5页三三.状态参量和状态函数状态参量和状态函数 由于不考虑涨落,系统处于热平衡时宏观物理量有拟定数值,这些宏观量应当存在一定关系,即数学上存在一定函数关系。为了以便,能够选择其中几种宏观量作为自变量,它们本身能够独立改变,称之为状态参量。其它物理量能够表示为状态参量函数,称为状态函数。第6页第6页 例子:固体、液体、气体:体积V(三维物体)面积A(二维物体)长度L(一维物体)电介质、磁介质系统:电场强度 电极化强度 磁化强度混合
4、气体、合金:各种物质化学构成数量固体、液体、气体:压强P固体、液体:张力T 几何参量 力学参量 化学参量 电磁参量简朴系统:只有两个状态参量系统,如:p,V第7页第7页1-2 热平衡定律和温度热平衡定律和温度 一一.热接触热接触物体B物体A 器壁C1.A和B不直接发生物质互换和力互换2.A和B通过器壁C发生接触 阐明:假如A和B状态完全能够独立改变,彼此不受影响,则称C为绝热壁假如A和B状态完全不能够独立改变,彼此受影响,则称C为透热壁两个物体通过透热壁互相接触称为热接触第8页第8页二二.热平衡定律(热力学第零定律)热平衡定律(热力学第零定律)两个物体A和B进行热接触,经验表明,它们状态都将发
5、生改变,但是通过足够长时间之后,它们状态不再发生改变,而是达到一个共同点平衡态,我们称这两个物体达到了热平热平衡衡。热平衡定律热平衡定律:假如两个物体A和B各自和第三个物体达到了热平衡,那么让A和B热接触后,A和B不会发生任何改变,即A和B仍处于热平衡状态主要性:定义了温度第9页第9页三三.温度定义温度定义 喀喇氏温度定理(19):处于热平衡状态下热力学系统,存在一个状态函数,对互为热平衡系统,该函数值相等。证实:为明确起见,只考虑简朴系统(状态参量只有压强 p 和体积 V)。ACBA和C达到平衡B和C达到平衡第10页第10页利用热平衡定律:A和B达到平衡(2)式表明:(1)式两边 能够消去,
6、设消去 后(1)变为:(1)(2)上式意义:系统A和B分别存在一个状态函数(是状态参量压强和体积函数),在热平衡时候这个值相等。我们把 定义为系统温度。第11页第11页(1):温度这个定义是喀喇氏在19提出来,在此之前,温度定义是:物体冷热程度数值表示,这个定义不严格。阐明:(2):热平衡定律由于给出了温度更科学定义,故也称为热力学第零定律。(3):称为系统物态方程,它给出了系统温度和状态参量之间函数关系。第12页第12页四四.温度计温度计 热平衡定律也给出了比较不同物体温度大小方法:在比较两个物体温度时,并不需要两个物体直接进行接触,只需要取一个标准物体分别与这两个物体进行接触,这个标准物体
7、即温度计。温度数值表示办法叫作温标(Thermometer Scale)。定容气体温标 要求:纯水三相点(the Triple point,水、冰、蒸气三相平衡共存)温度为273.16.单位:K K(开尔文)试验表明:在压强趋于零时,各种气体所拟定 趋于一个共同点极限温标 ,称为抱负气体温标:第13页第13页单位:0C(摄氏度)摄氏温标(Celsius Scale):00C(零摄氏度):1atm下,水三相点温度;1000C:1atm下,水沸腾点温度。华氏温标华氏温标(Fahrenheit Scale):单位:0 F 320F:1atm下,水三相点温度;2120F:1atm下,水沸腾点温度。第1
8、4页第14页1-3 物态方程物态方程一一.物态方物态方程程 平衡态能够由它几何、力学、化学、电磁参量数值拟定。热力学系统存在状态函数温度。物态方程:给出温度与状态参量之间函数关系方程。例:简朴系统物态方程:实际中,能够依据以便将其中两个量看作独立变量,而将第三个量当作它们函数:阐明:(1)物态方程不也许由热力学理论拟定,而是由试验拟定;(2)统计物理学原则上能够导出物态方程。第15页第15页二二.和物态方程相关几种物理量和物态方程相关几种物理量 体涨系数压强系数等温压缩系数三者关系:这是由于:第16页第16页三三.抱负气体物态方程抱负气体物态方程玻-马定律:知道物态方程,能够导出体涨系数和等温
9、压缩系数(见习题);反过来,知道体涨系数和等温压缩系数,能够导出物态方程。(见习题)阿氏定律:相同温度和压强下,相等体积中所含有各种气体物质量相等。(固定质量,温度不变)下面先导出含有固定质量抱负气体,其任意两个平衡态 和 状态参量之间关系。抱负气体温标:什么是抱负气体?抱负气体反应是实际气体在很稀薄时共同极限性质。第17页第17页试验测得:1mol抱负气体在冰点(273.15K)以及1pn下体积V0为:1mol抱负气体物态方程为:n mol抱负气体物态方程为:第18页第18页四四.实际气体物态方程实际气体物态方程范氏方程(Van der Waals Equation):伯赛洛特方程(Bert
10、helot Equation):狄特里奇方程(Dieterici Equation):第19页第19页此即昂尼斯方程,通常也称为位力展开。在稀薄极限,即密度 极限下,所有气体都趋于抱负气体方程:压强和密度一次幂成正比,百分比系数RT又和温度T 成正比,在不太稀薄、密度影响必须考虑到条件下,能够在抱负气体方程右边加入密度 高次幂奉献,将压力展开成密度 幂级数:第20页第20页五五.顺磁性固体物态方程顺磁性固体物态方程&居里定律居里定律将顺磁性固体放在外磁场中,顺磁性固体会被磁化。磁化强度:单位体积内磁矩,用 表示。用H 表示磁场强度顺磁性固体物态方程普通形式为:试验发觉一些物质物态方程为(居里定
11、律):假如样品是均匀磁化,则样品总磁矩m 是磁化强度和体积V 乘积:第21页第21页六六.均匀系统广延量和强度量均匀系统广延量和强度量广延量:与系统质量或物质量成正比,如 m,V。强度量:与系统质量或物质量无关,如 p,T。关系:上式严格成立条件:系统满足热力学极限第22页第22页 1-4 功功 当系统状态发生了改变,由一个状态转变为另外一个状态,我们就说系统在经历一个热力学过程,简称过程。一一.准静态过程准静态过程1、热力学过程做功是过程中系统和外界互换能量一个方式。2、准静态过程 系统由某一平衡态开始改变,状态改变必定使得平衡受到破坏,需要经历一定期间才干达到新平衡态,这样在实际过程中系统
12、往往经历了一系列非平衡态。准静态过程是这样一个过程:系统状态改变很缓慢,以至于过程中每一个状态都能够当作平衡态。准静态过程是一个抱负过程。第23页第23页推动活塞压缩汽缸内气体时,气体体积、密度、温度或压强都将改变。从初始平衡态开始,到建立新平衡态所需时间称为弛豫时间,记为 。准静态过程主要性质:假如没有摩擦阻力,外界在准静态过程对系统作用力,能够用描述系统平衡状态状态参量或者状态函数表示出。设 所需要时间为t,则:当t 远不小于弛豫时间时,则为准静态过程。第24页第24页 系统准静态改变过程可用p-V 图上一条曲线表示,称之为过程曲线。第25页第25页二二.准静态过程外界对系统做功(体积功)
13、准静态过程外界对系统做功(体积功)先考虑简朴系统做功问题。这里只考虑体积改变功。活塞和器壁之间无摩擦力,因此活塞缓慢移动过程中,封闭流体是(无摩擦)准静态过程。,外界对流体做功:AB系统体积改变:外界对系统做功:假如系统在准静态过程中体积发生有限改变,外界对系统做功:第26页第26页系统对外界所作功等于p-V 图上阴影部分面积(代数值)阐明阐明:系统所作功与系统始末状态相关,并且还与路径相关,是一个过程量。气体膨胀时,系统对外界作功;气体压缩时,外界对系统作功VOpdVV1V2 作功是改变系统能量(内能)一个办法第27页第27页横截面积为A 长度为lN匝线圈,忽略线圈电阻 假如改变电流大小,就
14、改变了磁介质中磁场,线圈中将产生反向电动势,外界电源必须克服此反向电动势做功,在dt 时间内,外界做功为:三三.电磁能对磁介质做功电磁能对磁介质做功第28页第28页 设磁介质中磁感应强度为B,则通过线圈中每一匝磁通量为AB,法拉第电磁感应定律给出了感生电动势:安培定律给出了磁介质中磁场强度H 为:为了简朴,考虑各项同性磁介质(磁化是均匀):第29页第29页 当热力学系统只包括介质不包括磁场时,功表示式只是右方第二项:第一项是激发磁场合作功;第二项是使得介质磁化所作功。第30页第30页准静态过程中外界做功通用式:*阐明:非准静态过程中外界做功等容过程:等压过程:四四.准静态过程做功通用式准静态过
15、程做功通用式第31页第31页作业作业l习题1,2,4,6,10,11,12,15,16,17第32页第32页 1-5 热力学第一定律热力学第一定律做功是系统在过程中和外界传递能量一个方式。以做功方式传递能量,系统外参量必定发生改变!有无一个方式传递能量,但是系统外参量不发生改变?第33页第33页一一.绝热过程定义绝热过程定义 日常定义:外界B系统A 器壁C假如系统A和外界B状态完全能够独立改变,彼此不受影响,则称C为绝热壁。日常定义:系统和外界无热量互换过程假如系统A和外界B 温度不相等,中间又没有绝热壁,则系统和外界有热量互换。问题:使用了热量概念。热量是什么?第34页第34页 绝热过程科学
16、定义(19,喀喇氏):一个过程,其中系统状态变换完全是由机械作用或者电磁作用结果,而没有受到其它影响,称为绝热过程。水+叶片=系统二二.焦耳两个试验和内能定义焦耳两个试验和内能定义重物重物系统温度升高完全是重物下降结果,因此,系统温度升高是绝热过程。第35页第35页水+电阻器=系统系统温度升高完全是电源做功结果,因此,系统温度升高是绝热过程。焦耳试验结果:用各种不同绝热过程使得物体升高一定温度,所需要功是相等(在试验误差范围之内)。焦耳试验阐明:系统经绝热过程从初态到终态,在过程中外界对系统所做功仅取决于系统初态和终态,而与详细绝热过程无关。第36页第36页 能够用绝热过程中外界对系统所做功
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