黄淑清《热学》教程第五章
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。
热学课件chapter5
那么 QB 2 'QA2 ' WA 'WB ' 0.
于是，对于 A + B逆 组成
的大系统，T1 处不变，
大系统从T2 处吸收的热量
QB 2 QA2 ' 全部转化为功，
高温热源 (温度 T1 )
QA1
A
WA '
QA 2 '
QB1
在两个平衡态之间热温比的积分与
可逆过程的路径无关，从而由之可定义一个态函数。
2. 熵变的定义
由系统吸收的热量与温度的比值沿可逆路径的积分
定义的态函数称为系统的熵变，记为S，即有
S S f Si
j
j
j
j
i
i
i
i
因为 Q j ' Q j ,
则上式即
Ti
Qi
Ti
Qj
Tj
Tj
0.
n
对 i、j 统一记为 k，对k 求和，即得
k 1
Qk
0.
Tk
其中等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程。
dQ
n
若
, 则 Ti Ti 1 Ti 0, Qi dQ, 于是有
QB 2 'QA 2 '
这表明，在 = 的情况下，
> 的假设实际不成立。
低温热源 T2
(b) 对第二条定理的证明（续）
如图，假设A 不可逆、B可逆，
高温热源 T1
如果 WA ' WB ' ,
QA1
QB1
则 QA1 QA2 ' QB1 QB 2 ' ,
物理学要学习专业课程
力学和热学 (1)与(2)Mechanics and Thermal Physics (1) and (2)课程编号：22189936、22189937 总学时：28、72 学分：2、4课程性质：专业必修课课程内容：本课程由力学和热学两大部分组成。
力学和热学都是大学物理的基础部分，是物理学各门课程的重要基础课程。
力学的主要内容包括三方面：在牛顿力学方面，主要学习牛顿定律、动量定理和动量守恒定律、动能原理及机械能守恒定律；在刚体定轴转动方面，主要学习转动定律和角动量守恒；在振动和波方面，主要学习简谐振动和平面简谐波。
热学的主要内容包括分子物理学和热力学，主要学习温度，热力学第一定律、第二定律，热机效率及熵增加；气体分子运动论的基本方法，气体压强公式，分子平均动能，气体分子的麦克斯韦速率分布律，能量均分定理。
先修课程：高等数学A(1)参考书目：《力学》，漆安慎、杜婵英，高等教育出版社，1997年；《热学教程》（第二版），黄淑清、聂宜如、申先甲编，高等教育出版社，1994年电磁学Electromagnetism课程编号：22189903 总学时：72 学分：4课程性质：专业必修课课程内容：本课程主要包括真空中的静电场，静电场中的导体和电介质，恒定电流，恒定磁场，磁介质，电磁感应，电磁场和电磁波，及电磁学与当代高新技术等内容。
通过学习本课程，使学生了解如何发现问题，分析和解决问题，建立理论及实验检验这一过程，为学生在将来的技术创新和应用能力的培养上打下一定的基础。
本课程是后续课程比如量子力学和固体物理等的基础；电磁作用是一种基本的相互作用，不仅对人类的生产生活影响极广，而且也与当代高科技密切相关，本课程是学生将来发展高新技术的重要基础。
先修课程：高等数学，力学参考书目：《电磁学》贾瑞皋，薛庆忠编高等教育出版社 2003年出版《电磁学》《电磁学》贾起民，郑永令，陈暨耀编高等教育出版社2003年出版Mathematical Methods in Physics课程编号：22189906 总学时：72学分：4课程性质：专业必修课课程内容：数学是物理学的表述语言。
5热统第五章
n 3 ，则
n x 1, n y 1, n z 1
6种
„„ 大体上是跳跃的增函数
四 连续能级的状态密度
1，每一个状态，在 n—空间占据一个单位体积 1：1：1 或 则
dnx dny dnz
L3 V dpx dp y dpz 3 dpx dp y dpz 1 3 h h
2．显然具有分立的能级，能级的最小间隔
h2 2mL2
（ i ）对于一个“宏 观”大小的“箱 子” ，例 如 1cm3 ，装入一个 电子，
m 0.9 10 30 kg, h 6.626 10 343 S
2.4 1029 J
3 看电子热运动的能量， kT 2 1023 J (T 300 K ) 2
dpx dp y dpz
h3 V
3
（6.13） 的“体积”
在动量间，每个状态占 h 2， （6.13）可改写为
V
dpx dp y dpz dxdydz h3
一般来说，在广义坐标空间（坐标 -动量） ，每个状态占有的“体积”为 h3 ， 也就是说，若在广义坐标空间的体积元为 d dpx dpy dpz dxdydz ，其中的微观状 态数为
这远远大于 ，可以认为能级连续。 看一个原子， L 10 10 m ，此时， 6 1010 J 是一个分立的能级。
3 kT 2
3 在统计物理看来，所谓吸热是改变粒子数在能级上的分布，每次吸 k BT ，可以 2 影响自由粒子的能级，无法改变原子中电子的能级。 3．量子数
4
第二讲 箱中自由粒子的态密度
一 复习
1，单粒子配分函数
Z T ,V ,1 (l )e l 每个能级上有(l) 个状态
热力学第五章6162474页PPT文档
四冲程高速柴油机的理想化
1. 工质
p3 4
定比热理想气体
工质数量不变
2
P-V图p-v图
2’
2. 0—1和1’ —0抵消 开口闭口循环
3. 燃烧外界加热
p0 0
5 1’
1
4. 排气向外界放热
V
5. 多变绝热
6. 不可逆可逆
理想混合加热循环（萨巴德循环）
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
p
3
4
T
4 3
1
2’ 喷柴油
V
2 开始燃烧
2—3 迅速燃烧，近似 V
p↑5~9MPa
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
t4可达1700~1800℃
2 2’
4 停止喷柴油
5
4—5 多变膨胀
p0
1’
p5=0.3~0.5MPa
0
1
t5500℃
V
5—1’ 开阀排气， V 降压
1’—0 活塞推排气,完成循环
p 3
T
3
2
2
4
4
1
1
v
s
定容加热循环的计算Βιβλιοθήκη 吸热量T3
q1cvT3T2
放热量(取绝对值）
2
4
q2cvT4T1
1
热效率
s
t
wq1q21q21T 4T 1
q1 q1
q1 T 3T 2
定容加热循环的计算
热效率
T
t
1 T4 T3
T1 T2
1
T1
T4 T1
T2
T3 T2
热学讲义
《热学》绪论共0.5讲热学发展简史一、热学发展简史在远生活钻木器、古时代，上就接取火铁器和人们触到许且用火陶器。
在生产多热现制造出和象：铜商周的青铜器1.官窑:南宋2定窑宋河北曲阳宋2.定窑:宋,河北曲阳宋代五3.汝窑:宋,河南宝丰五大4.哥窑:南宋,浙江龙泉大名窑窑5.均窑:宋,河南禹县19汽命人在的世纪机是的主类自改造重大广泛的第一次要标志，使用火自然方胜利。
瓦特早期蒸汽机使用蒸工业革这是以后，面取得61807年，热机被美国人富尔顿应用于轮船.718223年被用于火车和铁路。
89但由于古代和中世纪的生产发展缓慢，十八世纪初之前，热学还不能作为一门科学建立起来。
热学的早期史，开始于18世纪初直到19世纪中叶，这个时期积累了大量的实验和观察事实。
关于热的本性展开了研究和争论，为热力学理论的建立作了准备，在19世纪前半叶出现的热机理论和热功相当原理已经包含了热力学的基本思想。
热是什么？10用热做功——存在限制否？第二时期从19世纪中叶到19世纪70年代末。
这个时期发展了唯象热力学。
这些理论的诞生直接与热功相当原理有关。
热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础。
它和卡诺理论结合，导致了热力学第二定律卡诺Sadi Carnot 的形成。
卡诺循环11克劳修斯ClausiusR.R. Clausius熵的引入12热的微观图象？热功相当原理跟微粒说（唯动说）结合则导致了分子运动论的建立。
而在这段时期内唯象热力学和分子运动论的发展还是彼此隔绝的。
的发展还是彼此隔绝的麦克斯韦James Clerk Maxwell分子速度分布律13统计物理第三时期是唯象热力学的概念和分子运动论的概念结合的结果，最终导致了统计热力学的产生。
它开始于19世纪玻耳兹曼70年代末玻尔兹曼的经典工作，止于20世纪初。
这时出现了吉布斯在统计力学方面的基础工作。
Ludwig Boltzmann从20世纪30年代起，热力学和统计物理学进入了第四个时期，这个时期内出现了量子统计物理学和非平衡态理论，形成了现代理论物理学最重要的一个部门。
黄淑清《热学》教程第五章
受碰撞的平均次数
推导 ~ P , T 的关系： 平衡态理想气体，分子看作直径为 d 的刚球， “跟踪”一个分子A，设 A 以平均相对速率 r 相对其它分子运动，其它分子静止。
碰撞截面 d 2
2d
d
A
r
n
中心在截面为 柱体内的分子都能被A碰撞！
nd r t 2 Z d r n t
§6.8 气体分子的平均自由程
碰撞，非平衡态平衡态，起重要作用。
连续两次碰撞间自由路程
—无规则性
统计平均值 —有规律，表示碰撞的基本特征。
平均自由程： 气体分子在连续两次碰撞间所可能经过的 各段自由路程的平均值
t
Zt Z
—平均速率
Z —平均碰撞频率：一个分子单位时间内所
446 . 9 6 . 9 10
8
s
-1
6 . 5 10 s
真空度为10－4mmHg（1.3310-2pa）的 灯泡内（0°C），空气的 ~ 0 . 52 m ，大 于灯泡的线度。气体分子已经很少碰 撞。但这时 n 3 . 5 10 12 /cm 3！
作业与复习题
6-5
6-7 6-8
6-9
6-17
6-12 6-16
6-25
2
平均相对速率和平均速率 的关系为
r 2
Z 2 d n
2
r
Z
1 ( p nkT ) 2 2d n
kT T p 2 2d p
标准状态下 空气分子 d 3.5×10-10m
Z
kT 6 . 9 10 2 2d p
8
m
9 -1
热学-5-2(基础物理课堂讲稿下第十二讲)
T p vR ln T0 p0
克劳修斯不等式→态函数熵→克劳修斯熵或宏观熵→Sc f dQ SC SCf SCi S C 0 i T (R) 熵增原理→不可逆绝热过程总是向着熵增加的方向进行 微观层次上： 目的：从微观上对熵及熵增规律给出物理解释 定性推测：
物理量分两类
广延量：与物质的量有关且是简单相加的关系
A
① ②
B
微观态数： 22 个
A ① ab a ② b ③
④
0
B 0 b a ab
A 2 1
B 0 1 2
0
③
宏观态数： 3个
宏覌态②对应 2个微观态
第四章 热力学第一定律
※箱内有三个分子
微观态数： 23 个
A
B
A
B
①
② ③ ④ ⑤
⑥
⑦ ⑧
ab c ab ac bc a b c 0
0 c b a bc ac ba abc
S k B ln
f
dQ 0 T
S 0
f f 0 1 f i i i
结论：孤立系统的自发过程总是:
从有序→无序 从概率小→概率大
热力学第二定律的
统计意义或微观本质
第四章 热力学第一定律
应用---从微观层次上解释宏观现象
自由膨胀、气体混合、扩散等不可逆过程都是
显然： TA B TA TB
pA B pA pB
VA B VA VB
强度量
U A B U A U B S A B S A S B
广延量
(注：物质量成倍增加→吸热也成倍增加→熵为广延量) 但微覌态数目却： A B A B ∴ Ω非强度量也非广延量 不妨 ln A B ln A B ln A ln B ∴ lnΩ是广延量 定义微观熵:
热学第5章
二. 第一定律与第二定律的区别与联系 —— “可用能”
第一定律主要从数量上说明功和热量的等价性。 第二定律却从转换能量的质的方面来说明功与热量的本 质区别，从而揭示自然界中普遍存在的一类不可逆过程。 任何不可逆过程的出现，总伴随着“可用能量”被贬 值为“不可用能量”的现象发生。
三. 第二定律与第零定律的区别
热力学第一定律
d a 吸热
a ：吸热和放热的过渡点
例 某热力学系统经历一个由c-d-e的过程，ab是一条绝热线， e、c为该曲线上的两点，则系统在c-d-e过程中 1. 不断向外界放出热量； 2. 不断从外界吸收热量； 3. 有的阶段从外界吸收热量，有 的阶段放热，吸收热量等于放 出热量； O
开尔文表 述不成立
T2
例 用热力学第二定律证明：在pV 图上任意两条绝热线不可 能相交 证 反证法 设两绝热线相交于c 点，在
p
两绝热线上寻找温度相同 的两点a、b。在ab间作一条 等温线， abca构成一循环过 程。在此循环过程该中
Qab W
a
b
c
绝热线 等温线
O
V
这就构成了从单一热源吸收热量的热机。这是违背热力
F
S
（1）力学平衡条件；（2）热学平衡条件；（3）化学平衡条件。
无耗散的准静态过程才是可逆过程 说明
1. 可逆过程是理想过程。
2.不可逆过程（微观）：有序→无序
§5.1 第二定律的表述及其实质
§5.1.1 热力学第二定律的两种表述及其等效性 问题的提出:能否制造效率等于100%的热机?
| Q2 | W η热 1 Q1 Q1
dT du T 4u
u(T ) aT 4
热辐射定律
热学第五章第1、2节
第五章能源与可持续发展第1节能源与人类生存的关系第2节能源利用与环境问题1．能源的分类方法有____________________、________________________、______________. 2．一次能源是指直接来自自然界的________________的能源，有时也叫________能源，如________、________、________、生物燃料、油页岩、水能、核能、太阳能、海洋能等．二次能源是指由一次能源直接或间接____________而来的能源产品，如________、________、焦炭、________、蒸汽、热水、沼气等．3．一次能源还可分成再生能源和非再生能源．再生能源是指具有天然的自我恢复能力，不会随本身的转化或人类的利用而____________的能源，如________、________、________、地热能等．非再生能源是指必须经历____________才能形成而短期内无法再生的能源，如________、________、天然气、核能等，它们将越用越少，但它们又是人类目前主要利用的能源．4．常规能源(又称传统能源)是指当前开发________上比较成熟、使用____________的能源，如________、________、________、水能、核裂变能等．新能源是指________才开始大规模利用的，或正在研究以便广泛推广使用的能源，如____________、________、________、地热能、风能、海洋能等．5．温室效应造成的影响有：____________、____________、____________、影响农业生产、影响气候带和植被分布、影响土地利用、________________.6．大气中酸性污染物质，如____________、______________等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨．煤炭中含有较多的________，燃烧时产生二氧化硫等物质．酸雨的危害有：影响____________，危害____________，使土壤____________，腐蚀建筑和艺术品等．7．电冰箱和空调机的________、泡沫塑料________、电子器件清洗用的________破坏臭氧分子．臭氧层是地球生命的________，它吸收99%的太阳____________中对生物最有害的部分，同时吸收太阳辐射，____________.臭氧层破坏会导致强烈的____________．会对植物、动物产生直接的________作用，对生态系统的________和________产生明显的影响，并有可能引起人体________，眼病等．【概念规律练】知识点一能源及其分类1．以下说法正确的是()A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能B．汽油是一种清洁能源C．水能是可再生能源D．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的2．煤、石油、天然气的能量作为能源的共同特点是()A．可再生能源，取之不尽，用之不竭B．不可再生能源，用一点，少一点C．来自太阳辐射的能量D．都是新能源知识点二能源利用与环境问题3．关于“温室效应”，下列说法正确的是()A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”C．“温室效应”使得地面气温上升、两极冰雪融化D．“温室效应”使得土壤酸化4．能源对环境带来的污染有()A．水能的开发利用可能造成地面沉降、地震、破坏生态系统、水质变化等B．酸雨会破坏森林生态系统，使江河湖水酸化，使农作物减产C．臭氧不是氧气，它的变化不会影响人类及地球上的其他生物D．核能带给人类巨大利益，人类可以无节制的开发利用1．下列供热方式最有利于环境保护的是()A．用煤做燃料供热B．用石油做燃料供热C．用天然气或煤气做燃料供热D．用太阳能灶供热2．能源利用的过程实质上是()A．能量的消失过程B．能量的创造过程C．能量的转化和转移过程D．能量的转化、传递并且逐渐消失的过程3．关于能源，以下说法中正确的是()A．煤、石油、天然气等燃料的化学能实际上是太阳能转化而成的B．能源的利用过程，实质上是能的转化和转移的过程C．到目前为止，人类所利用的所有能源实际上都是太阳能转化而成的D．核能和地热能来自地球本身4．下列属于新型能源，又是再生能源的是()A．太阳能B．石油C．天然气D．核能5．当前，世界上日益严重的环境问题主要源于()A．温室效应B．厄尔尼诺现象C．人类对环境的污染和破坏D．火山喷发和地震6．CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射．大气中CO2浓度增加，能使地表温度因受太阳辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样．因此，大气中CO2浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖．(1)这种大气中以CO2为主的气体产生的效应称为()A．光热效应B．光电效应C．光气效应D．温室效应(2)导致大气中CO2浓度增加的主要原因是()A．大量植物和生物物种灭绝B．大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧C．人口剧增，呼出的二氧化碳增多D．人类对环境的污染和破坏(3)为了减缓大气中CO2浓度的增加，可以采取的措施有()A．禁止使用煤、石油和天然气B．开发使用核能、太阳能C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气D．植树造林7．下列叙述中不正确的是()A．市区禁止摩托车通行是为了提高城区空气质量B．无氟冰箱的使用会使臭氧层受到不同程度的破坏C．大气中CO2含量的增多是引起温室效应的主要原因D．“白色污染”是当前环境保护亟待解决的问题之一8．下述化学物质中，对大气臭氧层破坏最大的是()A．氟利昂B．二氧化碳C．二氧化硫D．一氧化碳能源叫做________，如__________、________、________、________、________、________、________等．需要人工制取的能源叫做________，如________、________、________、________等．太阳是一个巨大的能源，它不断地向外辐射能量，其中辐射到地面的总功率为8×1026 kW，直接利用太阳能不会污染环境．10．地球上的人类使用的能源主要是：煤、石油、天然气．为什么说地球上的能源主要来自太阳？第五章能源与可持续发展第1节能源与人类生存的关系第2节能源利用与环境问题课前预习练1．一次能源和二次能源再生能源和非再生能源常规能源和新能源2．未经加工、转换初级原煤原油天然气加工、转换煤气汽油电能3．日益减少水能风能太阳能地质年代原煤石油4．技术比较普通原煤石油天然气新近核聚变能太阳能氢能5．全球温暖化海平面上升降水量变化影响人体健康6．二氧化硫氮氧化物硫人的健康生态系统酸化和贫瘠7．制冷发泡氯氟烃保护伞紫外辐射加热大气层紫外辐射破坏结构功能课堂探究练1．AC[煤、石油、天然气等是动植物转化成的，其来源可追溯到太阳能，A对；汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成，B错；水能是可再生能源，C对；煤、石油等存量是有限的，是不可再生能源，D错．]点评明确不同能源的定义及实际使用过程中能量的转化，是分析本题的关键．2．BC[煤、石油、天然气是非再生能源，它们必须经历地质年代才能形成而短期内无法再生，它们来自太阳辐射的能量，故B、C正确．]点评了解能源的分类方法，并理解分类的依据．3．BC[“温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C选项正确．]点评准确理解温室效应的成因及其危害是解题关键．4．AB[水能的开发利用要改变原有河流的结构，会引起地面沉降、地震等，A正确；酸雨是呈酸性的降水，有腐蚀性，会破坏森林生态系统，使江河湖水酸化等，B正确；臭氧层吸收太阳辐射，吸收99%的太阳紫外辐射中对生物最有害的部分，是地球生命的保护伞，故C错误；核能技术，尽管在反应堆方面已有了安全保障，但核废料的处理问题没有完全解决，故不能无节制的开发利用，D错误．]课后巩固练1．D[煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能．但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含有粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气．而太阳能是一种无污染的能源，应大为推广，故答案应选D.]2．C[能源利用的过程是做功或热传递的过程，前者是能量的转化，后者是能量的转移．] 3．ABD4．A5．C6．(1)D(2)B(3)BD8．A9．一次能源二次能源一次能源原煤原油天然气海洋能水能核能太阳能二次能源电能汽油煤气能沼气10．见解析解析煤、石油、天然气叫做化石能源．化石能源是地球给人类提供的最主要的一次能源．远古时期陆地和海洋中的动植物，通过光合作用，将太阳能转化为生物体的化学能．在它们死后，躯体埋在地下和海底腐烂了．沧海桑田，经过几百年的沉积，化学变化，地层的运动，在高压下渐渐变成煤和石油．在石油形成的过程中还放出天然气．今天，我们开采化石燃料来获取能量，从根本上讲是在开采上亿万年前地球所接收的太阳能．。