7.1 热力学的研究对象和研究方法
第7章 连续介质热力学
第7章 连续介质热力学连续介质热力学是连续力学与经典力学的交叉或结合。
热力学构造→连续介质热力学§7.1 连续介质力学与热力学连续介质力学：受力物体的变形和运动 热力学：力现象和热现象两者关系的科学 热力学定律：自然界的普遍定律Newton(1642-1727)于1686年提出运动定律 Carnot 卡诺（1796-1832） 热功转换 Joule 焦耳（1818-1889） 热功当量 Mayor 迈尔（1814-1878） 第一定律 Clausius 克劳修斯（1850） 第二定律 热力学的研究方法：1．热力学系统及其环境——热力学的研究对象系统：被研究的若干物体组成的集合； 环境：系统周围物体形成的集合。
孤立系统：系统与环境之间既无能量交换，又无物质交换。
封闭系统：只交换能量，而不交换物质。
开放系统：既有能量交换，又有物质交换。
绝热系统：系统与环境之间没有热量交换。
2．热平衡状态：经典热力学便是研究均匀系的平衡热力学系统在不受外界影响下能处于这个状态而永久不变（一定是均匀状态）3．状态参数：p （压力）、v （体积）、T （温度）、（对于气体来说）4．状态方程：T nR pv M = （对于气体）本构属性只有两个状态参数是独立的，相当于力学中的本构方程。
其中：*mM n =，*m 为分子量，n 为摩尔数（单位为mol ），M R 为气体普适常数（mol 3144.81⋅⋅=-K J R m ），T 为绝对温度。
5．热力学过程：A 由一个状态经过一系列中间状态，最后到达一个终点状态，构成一个热力学过程。
6．过程分类：可逆过程和不可逆过程。
§7.2 热力学第一定律1．热功当量（将功与热建立了联系）焦耳实验：闭合过程系统的静止状态，返回到静止状态 系统的初始温度与结束时温度相同。
JA Q = （当时闭合过程成立）其中：Q 为热量，A 为功，J 为热功率当量1卡186.4=焦耳2．热力学第一定律设Q 以传入系统为正，输出为负，为系统作功为正，则上式应改为：JA Q =- （Q 本身为负）第一过程①：从状态A 到状态B 对应于11,Q A第二过程②：从状态A 到状态B对应于22,Q A若有过程○r :从状态B 到状态A 对应于r r Q A ,过程①+过程○r 为另一闭合过程，于是有 )(11r r Q Q J A A +-=+两式相减，有：)(2121Q Q J A A --=-于是有：2211JQ A JQ A +=+JQ A +∴与过程无关，只决定于起点和终点的状态，当然是状态参数。
大学物理热力学教学课程资料
理想气体等温过 程：气体体积不 变温度不变压力 变化
理想气体绝热过 程：气体体积变 化温度变化压力 变化
热力学系统和外界影响
热力学系统：由一定数量的物质组成具有一定状态和性质 外界影响：包括温度、压力、体积、质量等物理量
热力学第一定律：能量守恒定律系统内能量变化等于外界对系统的做功和热传递之和
热力学第二定律：熵增原理系统自发过程总是向熵增的方向发展 热力学第三定律：绝对零度原理系统在绝对零度时熵为零能量最低
热力学第二定 律是自然界中 普遍存在的规 律对于理解自 然界的物理现 象和工程应用 具有重要意义。
热力学的应用和意义
热力学第一定 律：能量守恒 定律是自然界 的基本规律之 一广泛应用于 各种物理现象 的解释和预测。
热力学第二定 律：熵增原理 是自然界的基 本规律之一广 泛应用于各种 物理现象的解
释和预测。
热力学第一定律的应用广泛包括热机效率 的计算、热力学循环的分析等。
热力学第二定律
热力学第二定 律是热力学的 基本定律之一 描述了热量的 传递和转换规
律。
热力学第二定 律包括两个部 分：克劳修斯 表述和开尔文
表述。
克劳修斯表述： 热量不能从低 温物体传递到 高温物体而不 引起其他变化。
开尔文表述： 不可能从单一 热源吸收热量 并将之完全转 换为功而不引 起其他变化。
热力学的研究对象和方法
研究对象：热力学主要研究热力学系统包括气体、液体、固体等 研究方法：热力学主要采用实验和理论相结合的方法包括实验测量、理论推导、数值模拟等 研究内容：热力学主要研究热力学系统的状态、性质、变化规律等 研究意义：热力学在工程、物理、化学等领域具有广泛的应用价值如热机、制冷、热处理等
热力学的基本概念和定律
热学的研究对象、方法、发展史
热现象是一种宏观现象，但可以从宏观和微观 两种不同的观点着眼，采用不同的方法加以研 究。：
宏观观点：是从系统的宏观总体上来观察 和考虑问题。用宏观量来描述系统状态的方 法叫做宏观描述。
微观的观点：则是从组成微观性质的大量分 子的运动和相互作用着眼来考虑问题。用大量 的微观量来描述系统状态的方法叫做微观描述
外界 系统
外界
▲内容： 与热现象有关的性质和规律。
热
现 象微 宏
观 观
上 上
说 说
是与温 是与热
度T 有关； 运 动 有关 。
2 热力学系统的宏观描述和微观描述
热力学系统：在研究物理现象时，人们通常 只注意某一物体或物体系，并想像地把它同周 围的物体隔离开来。在热学中，把这一确定为 研究对象的物体或物体系叫做热力学系统。简 称系统。
2）能量转化与守恒思想的萌发 俄国的赫斯，1836年：“不论用什么方式完成 化合，由此发出的热总是恒定的。”
1830年，法国萨迪·卡诺：“准确地说，它既不 会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形 式。”
但卡诺患了猩红热，脑膜炎，不幸又雪上加霜，患 了流行性霍乱，于1832年去世。卡诺的这一思想， 在1878年才公开发表，但热力学第一定律已建立 了。
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。”
二、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。
大学物理学第7章气体动理论(Temperature)
4
研究对象：大量无规则热运动气体分子构成的系统 研究内容：物质与冷热有关的性质及这些性质的变化
对象特点：单个分子 无序性、偶然性、遵循力学规律 整体（大量分子）：服从统计规律
mvx
l2
立直角坐标系。
a
O
-mvx
X
（2）选任意一个分子a作为研
究对象，求其对A1面的压力 Z
l1
分子“a” 的速度：
分子“ a”碰撞器壁A1面一次所受的冲量：
由牛顿第三定律可知，器壁A1面受分子碰撞一次所受的冲量：
23
分子“ a”相继碰撞器壁A1面两次所用的时间为： 单位时间内，分子“ a”与器壁A1面碰撞的次数为： 单位时间内，分子“ a”对器壁A1面的冲量即冲力为：
如压强 p、体积 V、温度 T等 .
平衡态：一定量的气体，在不受外界的影响下, 经过一 定的时间, 系统达到一个稳定的, 宏观性质不随时间变 化的状态称为平衡态 .（理想状态）
平衡态的特点
( p,V ,T )
p
*( p,V ,T )
o
V
1）单一性（
处处相等）;
2）物态的稳定性---与时间无关；
3）自发过程的终点；
（2）在平衡态下，分子按位置的分布是均匀的 n dN N
则各处分子数密度是相同的。
dV V
(3) 分子速度指向任何方向的机会是一样， 或分子速度按方向的分布是均匀的。
vx2 vy2 vz2
各个方向的速度分量的平均值相等。
vx 2
v1 x 2
热力学
金属杆就是一个热力学系统。
根据平衡态的定义，虽然杆 上各点的温度将不随时间而 改变，但是杆与外界（冰、 沸水）仍有能量的交换。一 个与外界不断地有能量交换 的热力学系统所处的状态， 显然不是平衡态而是稳定态。
100 oc
金属杆
0 oc
驰豫时间－－系统由非平衡态过渡到平衡态所 需要的时间。
例：气体压强趋于均匀～10－16 秒液体密度趋 于均匀～几分钟
1.分子固有体积修正：
对实际气体分子，要占有一定体积。设有1mol气体， 则分子活动空间为Vm-b，有：
Vm
b
RT p
b的定义：当p→∞时，Vm→b，即b是气体无限压缩 后所达到的最小体积。
弥补热力学的不足，使热力学的理论获得更深刻的 意义。
微观描述方法的局限性：
在于它在数学上遇到很大的困难，由此而作出简化 假设（微观模型）后所得的理论结果与实验不能完 全符合。
热力学是研究热功转换过程所遵循的规律 的科学。它包含系统变化所引起的物理量的 变化或当物理量变化时系统的变化。
热力学研究问题的基础是四个经验定律（ 热力学第一定律，第二定律和第三定律，还 有热力学第零定律），其中热力学第三定律 是实验事实的推论。这些定律是人们经过大 量的实验归纳和总结出来的，具有不可争辩 的事实根据，在一定程度上是绝对可靠的。
加压
终 T2＝273 K p2＝2×105 Pa
态 V2＝1 m3
加压 T3＝273 K p3＝1×106 Pa V3＝0.2 m3
减压
常见的变化过程
等温过程 系统从状态1变化到状态2，在变化过 程中温度保持不变，始态温度等于终态温度，且 等于环境温度。
等压过程 系统从状态1变化到状态2，在变化过 程中压力保持不变，且等于环境压力。
第二章 热力学概论
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4.状态和状态函数（state function）
描述系统需要用到热力学性质，研究系统要涉及状态 描述系统需要用到热力学性质，研究系统要涉及状态 热力学性质 和状态变化。 和状态变化。 ） （1）状态 纯物质单相系统有各种宏观性质，如温度 ，压力p,体 纯物质单相系统有各种宏观性质，如温度T，压力 体 积V，热力学能 等等。 ，热力学能U 等等。 系统的状态是它所有性质的总体表现。状态确定以后， 系统的状态是它所有性质的总体表现。状态确定以后，系 统所有的性质也就确定了。 统所有的性质也就确定了。
We',1 = − p" (V " − V2 )
p1 , V1
− p (V − V ) ' − p1 (V1 − V )
' ' "
p′
p′′
p 2 , V2
V′ V′′
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整个过程所作的功 为三步加和
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（3）可逆压缩 压力缓慢增加，恢复到原状，所作的功为： 压力缓慢增加，恢复到原状，所作的功为：
热力学的局限性
不知道反应的机理、速率和微观性质。 不知道反应的机理、速率和微观性质。 只讲可能性，不讲现实性。 只讲可能性，不讲现实性。
上一内容 下一内容 回主目录
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二、热力学的研究对象
•研究热、功和其他形式能量之间的相互 研究热、 研究热 转换及其转换过程中所遵循的规律； 转换及其转换过程中所遵循的规律； •研究各种物理变化和化学变化过程中所 研究各种物理变化和化学变化过程中所 发生的能量效应； 发生的能量效应； •研究化学变化的方向和限度。 研究化学变化的方向和限度。 研究化学变化的方向和限度
热学的研究对象和研究方法
02 热学的基本概念
温度与热量
温度
表示物体热度的物理量，常用的温度单位有摄氏度、华氏度和开 尔文。
热量
物体之间由于温差而转移的能量，单位是焦耳。
温度与热量之间的关系
热量是物体之间温度差的表现，热量转移的方向总是从温度高的物 体流向温度低的物体。
热容与热传导
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热容
表示物体吸收或释放热量的能力，分为质量热容 和比热容。
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热设计
在产品设计过程中，需要考虑材料的热性能，如导热性、比热容等，以及产品在工作过程中产生的热量，这些都 需要用到热学的知识。
05 热学的发展趋势和挑战
新型热学材料的研发
总结词
新型热学材料的研发是当前热学领域的重要发展趋势之一，旨在寻找具有优异热性能和功能特性的新 材料，以满足不断增长的技术需求。
计算机模拟法通常需要建立计算机模型、编写程序、进行模拟计算，并对结果进 行可视化展示和分析。
04 热学在各领域的应用
能源领域
热能转换与利用
热学在能源领域中主要涉及热能与其 他形式能量的转换与利用，如热力发 电、热泵等。
节能技术
通过热学原理，开发各种节能技术， 如热回收、热能梯级利用等，提高能 源利用效率。
热学的研究对象和研究方法
目 录
• 热学的研究对象 • 热学的基本概念 • 热学的研究方法 • 热学在各领域的应用 • 热学的发展趋势和挑战
01 热学的研究对象
热现象
热现象 热学主要研究物体热运动、热量 传递、物质相变等现象，这些现 象与温度有关，是热力学系统中 的基本物理现象。
物质相变 物质在不同温度和压力下会发生 相变，如熔化、凝固、蒸发和凝 结等现象，热学研究这些相变过 程的规律。
《热力学与统计物理》课程教学大纲
《热力学与统计物理》课程教学大纲课程名称：热力学与统计物理课程类别：专业必修课适用专业：物理学考核方式：考试总学时、学分：56学时 3.5学分其中实验学时：0 学时一、课程性质、教学目标热力学与统计物理为高等师范本科物理专业的专业基础课。
热力学与统计物理学研究物质热运动的规律以及热运动对物质宏观性质的影响，是固体、液体、气体、等离子体理论和激光理论的基础之一。
该课程以由观察和实验总结出的几个基本定律为基础，经过严密的数学推理，来研究物性之间的关系；从物质的微观结构出发，依据微观粒子所遵循的力学规律，再用概率统计的方法求出系统的宏观性质及其变化规律；将热力学三个基本定律统一于一个基本的统计原理，并阐明三个定律的统计意义。
课程教学目标1：掌握热现象与热运动的规律及其对物质的宏观性质的影响。
课程教学目标2：掌握热力学与统计物理学处理问题的方法，提高分析问题与解决问题的能力，为以后解决实际问题打下基础。
课程教学目标3：通过对热运动规律的学习，加深对物质热性质的理解，进一步培养辨证唯物主义世界观。
课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系注：以关联度标识，课程与某个毕业要求的关联度可根据该课程对相应毕业要求的支撑强度来定性估计，H:表示关联度高；M表示关联度中；L表示关联度低。
二、课程教学要求本课程分热力学与统计物理学两大部分。
宏观热力学部分：在热力学第一、第二定律基础上，导出基本热力学关系，并将其应用于实际的宏观物质系统。
内容包括：热力学的基本定律、均匀闭系的热力学关系及其应用、相平衡和化学平衡、非平衡态热力学简介。
统计物理学部分：以量子论的观点，从等概率原理出发，导出最概然统计分布和系综统计分布，并分别将其应用于经典系统和量子系统。
内容包括：统计物理学的基本概念、最概然统计法、系综统计法、涨落理论、非平衡态统计物理学简介。
三、先修课程力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、理论力学四、课程教学重、难点重点：热力学第一、第二、第三定律。
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7. 1 热力学的研究对象和研究方法 7. 2 平衡态 理想气体状态方程 7. 3 功 热量 内能 热力学第一定律 7. 4 准静态过程中功和热量的计算 7. 5 理想气体的内能和 V 、Cp 理想气体的内能和C 7. 6 热力学第一定律对理想气体在典型准静态过程中的应用 7. 7 绝热过程 7. 8 循环过程 7. 9 热力学第二定律 7. 10 可逆与不可逆过程 7. 11 卡诺循环 卡诺定理
第7章 热力学基础
风力发电 为了环境不受污染，也为解决一次性能源大量消耗终将导致枯竭的危险， 为了环境不受污染，也为解决一次性能源大量消耗终将导致枯竭的危险，人 们在不断的寻求新能源。目前全球风力发电装机容量已超过13932 们在不断的寻求新能源。目前全球风力发电装机容量已超过13932 MW
本章内容
7.1 热力学的研究对象和研究方法
一.热学的研究对象
热现象 热 学 热力学 物体与温度有关的物理性质及状态的变化 研究热现象的理论 从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观 规律
二. 热学的研究方法
宏观量 微观量 描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、 描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体 热容量、密度、熵等。 积、热容量、密度、熵等。 描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、 描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、 动量等。 动量等。
宏观理论
热力学） （热力学）
微观理论
统计物理学） （统计物理学） 热现象 微观量 微观粒子 统计平均方法 力学规律 揭露本质 无法自我验证
研究对象 物 理 量 出 发 点 方 法 优 点 缺 点 二者关系
热现象 宏观量 观察和实验 总结归纳 逻辑推理 普遍， 普遍，可靠 不深刻
热力学验证统计物理学， 热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热 力学本质