热力学与统计物理课件(上)
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热力学统计物理-第五版-汪志诚-精ppt课件
描述）.
单位：
1 m 3 1 0 3 L 1 0 3 d m 3
3 温度 T : 气体冷热程度的量度（热学描述）.
单位：K（开尔文）.
2020/4/29
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20
简单系统：一般仅需二个参量就能确定的系统， 如PVT系统。
单相系：
复相系：
2020/4/29
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21
§1.2 热平衡定律和温度
一、热力学第零定律 热交换：系统之间传热但不交换粒子
热平衡：两个系统在热交换的条件下达到了一 个共同的平衡态。
经验表明：如果两个系统A和B同时分别与第三个系 统C达到热平衡，则这两个系统A和B也处于热平衡。 称热力学第零定律（热平衡定律）
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22
为了描绘一个系统与另外一个系统处于 热平衡 需要一个物理量：温度
（1）日常生活中，常用温度来表示冷热的程度
在一定的宏观条件下，系统演化方向一般具有确 定的规律性。
研究热运动的规律性以及热运动对物质宏观性质 影响的理论统称为热学理论。按研究方法的不同可 分为热力学与统计物理等。其中，热力学是热学的 宏观理论，统计物理是热学的微观理论。
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7
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8
热力学理论的发展简介 Introduction to Development of
① 热学
② 分子运动论
③ 原子物理学
2020④/4/29量子力学
.
11
The Fundamental Laws of Thermodynamics
2020/4/29.Fra bibliotek12
目 录 Contents
热力学统计物理课件第1章ok
d W VEdD Vd (0E2 ) VEdP
2
4.磁介质的磁化功
dW
VHdB
Vd( 0 H 2 )
2
பைடு நூலகம்
0VHdM
5.一般情况下，准静态中，外界对系统做功
d W Yidyi
i
§1.5热力学第一定律
EV 0dE EVdP
Vd (0 E 2 ) EVdP
2
U
第一部分是激发电场作的功，第二部分是使介质
极化所作的功。当热力学系统不包括电场时，只
须考虑使介质极化作的功。
四、磁介质的磁化功
外界电源为克服反向电动势，在dt时间内对磁介 质作的功为
d W ' Idt [N d( AB)]( l H )dt AlHdB VHdB
C.实际气体的状态方程:
范德瓦耳斯方程： 昂尼斯方程：
an2 ( P V 2 )(V nb) nRT
p
nRT
1
n
B(T )
n
2
C(T )
n
3 D(T )
V V
V
V
B(T ),C(T ), D(T ) 第二、第三…位力系数
2.简单的固体和液体（已知：α、κT) V(T,P)=V0 (T0,P0)[1+ α(T-T0)- κT(P-P0)]
2.理想气体温标：
p T 273.16K lim( )
p pt 0 t
3.热力学温标：不依赖任何具体物质特性的温标。 4.在理想气体可以使用的范围内，理想气体温标与热
力学温标是一致的。
§1.3物态方程
一.物态方程是温度与状态参量之间的函数关系。对于简 单系统：有f(P,V,T)＝0
热力学和统计物理的课件
热力学和统计物理的研究对象和任务宏观物质系统：由大量微观粒子组成的气、液、固体。
存在无规则运动——热运动。
运动：机械运动，如：质点的运动，刚体的平动和转动。
热运动：大量微观粒子的无规则运动（例如花粉的运动），有规律性，自身固有的。
为什么研究热运动？它决定了热现象（物性和物态），影响物质的各种宏观性质，如：力、热、电磁、凝聚态（固、液、气）、化学反应进行的方向和限度。
热力学和统计物理学的任务？研究热运动规律及其对宏观性质的影响。
热力学与统计物理的研究方法热力学和统计物理学的任务相同，但研究方法不同。
1.宏观唯象理论——热力学2.微观本质理论——统计物理宏观的观点 即观察一个固体，液体，气体的特性。
如：密度、温度、压力、弹性、传热等，不涉及物质的原子结构。
微观的观点 由物质的原子性质着手，来研究物质的宏观性质。
热力学的基本逻辑体系以可测宏观物理量描述系统状态；例如气体：压强p 、体积V 和温度T实验现象 热力学基本定律 宏观物性 其结论可靠且具有普适性；结合实验才能得到具体物性；物质看成连续体系，不能解释宏观物理量涨落。
例如：焦耳定律、玻意耳定律、阿伏伽德罗定律， 推理演绎为热力学基本定律：第一、第二、第三定律及推论。
再推理演绎为卡诺热机性质，热辐射理论，相变理论，化学反应理论亥姆霍兹方程，能态方程，焓态方程等。
统计物理基本逻辑体系从微观结构出发，深入热运动本质，认为宏观物性是大量微观粒子运动性质的集体表现； 微观粒子力学量 宏观物理量 热力学基本定律归结为一条基本统计原理，阐明其统计意义，可解释涨落现象； 借助微观模型，可近似导出具体物性。
例如：认为微观粒子遵从力学定律：牛顿定律或量子力学。
经典的 量子的应用统计原理：最概然统计法 或 系综统计法 微观运动 通过假设 宏观性质 如：分子与壁碰撞时动量的变化→气体压力概念。
分子运动动能→气体温度 典型应用实例：导出理想气体的物态方程PV=RT 理想气体分子速度分布律 普朗克热辐射定律 大气压随高度的变化关系等@@@第一章 热力学的基本规律热力学 thermodynamics 平衡态热力学equilibrium thermodynamics 经典热力学classical thermodynamics §1.1 平衡态及其描述 重点掌握几个新概念 一 系统、外界和子系统热力学系统 由大量微观粒子组成的宏观物质系统 外界 与系统发生相互作用的其它物质 二 系统分类系统与环境关系一般很复杂，多种多样。
热力学与统计物理.ppt
100%
违反热力学第二定律
第4页 共30页
大学物理
热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功
例：理想气体等温膨胀
T 0 其他影响
V 0
E 0
QA
T
不违反热力学第二定律
关键词：“无其他影响” 热完全转变为功,而且系统和外界均复原是不可能的。
第5页 共30页
热力学第二定律指出了热功转换的方向性 功 自发 热 100 % 转换 热 非自发 功 不能 100% 转换
大学物理
实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统 热力学概率（无序性）增加的方向进行。
无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发 生的可能性趋于零。
（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤 的故事……)
热力学第二定律是一个统计规律，对大量粒子 体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。
第20页 共30页
单向性：什么方向？
大学物理
功：与宏观定向运动相联系，有序运动 热：与分子无规则运动相联系
自 动
非 自 动
热传导 高温 低温 T 差别 无序性 自动
低温 高温 T 差别 无序性 非自动
自由膨胀 体积 可能位置 无序性 自动
体积 可能位置 无序性 非自动 真空 单向性：无序性增大的方向
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因：存在摩擦
无摩擦，非静态进行
正向（快提）
m
Q1 A1
V2 PdV
V1
M RT ln V2
V1
T
第16页 共30页
逆向（快压）
大学物理
Q2 A2
V1 PdV
V2
M RT ln V2
违反热力学第二定律
第4页 共30页
大学物理
热力学第二定律并不意味着热不能完全转变为功
例：理想气体等温膨胀
T 0 其他影响
V 0
E 0
QA
T
不违反热力学第二定律
关键词：“无其他影响” 热完全转变为功,而且系统和外界均复原是不可能的。
第5页 共30页
热力学第二定律指出了热功转换的方向性 功 自发 热 100 % 转换 热 非自发 功 不能 100% 转换
大学物理
实际自发的热力学过程是不可逆的，总是沿着系统 热力学概率（无序性）增加的方向进行。
无序性减小的状态不是绝对不可能发生，而是发 生的可能性趋于零。
（猴子打字，恰好打出莎士比亚作品；狗与跳蚤 的故事……)
热力学第二定律是一个统计规律，对大量粒子 体系才有意义，对只含少数分子的系统不适用。
第20页 共30页
单向性：什么方向？
大学物理
功：与宏观定向运动相联系，有序运动 热：与分子无规则运动相联系
自 动
非 自 动
热传导 高温 低温 T 差别 无序性 自动
低温 高温 T 差别 无序性 非自动
自由膨胀 体积 可能位置 无序性 自动
体积 可能位置 无序性 非自动 真空 单向性：无序性增大的方向
所以，原过程不可逆。
造成不可逆的原因：存在摩擦
无摩擦，非静态进行
正向（快提）
m
Q1 A1
V2 PdV
V1
M RT ln V2
V1
T
第16页 共30页
逆向（快压）
大学物理
Q2 A2
V1 PdV
V2
M RT ln V2
热力学与统计物理课件 统计物理部分 第一章 统计物理的基本概汇总
第一章统计物理的基本概念(The Fundamental Concepts of Statistical Physics §1.1统计物理简介(Simple Introduction of Statistical Physics历史:源于气体分子运动论(Kinetic Theory of Gases 1738Daniel Bernoulli提出。
Ludwig Bottzmann, 1844~1906J. Willard Gibbs, 1839~1903等人做了统计物理奠基性的工作,发展了统计系综理论,从而真正开创了统计物理的系统理论。
爱因斯坦(Einstein (1879~1955 , 普朗克(Planck (1858~1947等发扬光大。
在 20世纪(约 1910年后才被科学界广泛接受。
对这一事实确立起决定作用的是爱因斯坦的布朗运动的理论解释(1905年和 Jean Perrin (皮兰的实验验证。
统计物理起源于气体分子运动论,分子运动论的主要思想有三点:(1(2原子、分子处于不断热运动中。
(3原子、分子间有相互作用。
相互作用 Æ有序热运动 Æ无序这是一对矛盾。
热力学方法与统计物理方法的优缺点 :热力学方法的优缺点:逻辑推理和严格的数学运算来研究宏观物体的热学性质以及和热现象有关的一切规律。
所以热力学的结果较普遍、可靠,但不能求特殊性质。
统计物理方法的优缺点:现象有关的一切规律。
所以统计物理方法可求特殊性质,但其可靠性依赖于结构的假设,计算较麻烦。
此二者体现了归纳与演译的不同应用,可互相补充。
在统计物理方法中反映了三个问题 :(1微观结构?(2微观粒子运动态的描述?(3统计平均?这些是我们今后要特别关注的内容。
§1.2 系统微观运动状态的经典描述(Classical Description for Microscopic Motion State of System 一、物质的微观结构这是 20世纪三大基本理论问题之一,可以从不同层次进行讨论,从统计物理讨论物质的客观性质,主要在分子、原子层次。
热力学统计物理第一章
定律内容： 若A与C平衡且B与C平衡，则 必有： A与B平衡 推论：
PC FAC (VC ; PA ,VA ) } FAC (VC ; PA ,VA ) FBC (VC ; PB ,VB ) PC FBC (VC ; PB ,VB )
根据定律，由此可得出
PCVC
透热壁
PAVA
绝热壁
PBVB
§1-4 功
一，准静态过程及其性质 系统状态的变化叫过程。如果一个系统经历的过程进行得无限缓 慢，系统在过程中的每一个状态都可以看作平衡态，则这种过程叫 准静态过程。准静态是一种理想情况。
v 等容
（1）可用p—V等状态图中的一条 连续曲线表示。理想气体的等温、 等压、等容过程曲线如图1.4.1所示。 （2）准静态过程中，外界对系统的 压强等于气体的压强。
热力学第一定律的微分形式
热力学第一定律的重要性
①它将机械能守恒规律推广到热现象中； ②它否定了制造第一类永动机（即不供给能量而不断对外作功的机 器）的可能性； ③它定义了内能、热量。
返回
§1-6 热容量和焓
1、热容量的概念
一个系统在某一过程中，温度升高1K所吸收的热量。称为系统在该过程 中的热容量。
准静态绝热过程：
pV C
W U CV dT CV (TB TA )
TA TB
返回
理想气体卡诺循环是以理想气体为工作物质、由两个等温过程和两
个绝热过程构成的可逆循环过程。在p—V图中如图1.9.1。
1， 等温膨胀过程：
气体吸热，外界对气体做负功
p 1 p1 p2 p3 0 V1 V4 V2 4 3 2
•温标：温度的数值表示（规定）——描述热运动状态的坐标 经验温标的局限性→寻找理想的理论温标→状态方程 热力学描述与机械运动状态描述的对比： 温标-坐标系；参考点-坐标原点； 状态方程-位移速度关系
PC FAC (VC ; PA ,VA ) } FAC (VC ; PA ,VA ) FBC (VC ; PB ,VB ) PC FBC (VC ; PB ,VB )
根据定律，由此可得出
PCVC
透热壁
PAVA
绝热壁
PBVB
§1-4 功
一，准静态过程及其性质 系统状态的变化叫过程。如果一个系统经历的过程进行得无限缓 慢，系统在过程中的每一个状态都可以看作平衡态，则这种过程叫 准静态过程。准静态是一种理想情况。
v 等容
（1）可用p—V等状态图中的一条 连续曲线表示。理想气体的等温、 等压、等容过程曲线如图1.4.1所示。 （2）准静态过程中，外界对系统的 压强等于气体的压强。
热力学第一定律的微分形式
热力学第一定律的重要性
①它将机械能守恒规律推广到热现象中； ②它否定了制造第一类永动机（即不供给能量而不断对外作功的机 器）的可能性； ③它定义了内能、热量。
返回
§1-6 热容量和焓
1、热容量的概念
一个系统在某一过程中，温度升高1K所吸收的热量。称为系统在该过程 中的热容量。
准静态绝热过程：
pV C
W U CV dT CV (TB TA )
TA TB
返回
理想气体卡诺循环是以理想气体为工作物质、由两个等温过程和两
个绝热过程构成的可逆循环过程。在p—V图中如图1.9.1。
1， 等温膨胀过程：
气体吸热，外界对气体做负功
p 1 p1 p2 p3 0 V1 V4 V2 4 3 2
•温标：温度的数值表示（规定）——描述热运动状态的坐标 经验温标的局限性→寻找理想的理论温标→状态方程 热力学描述与机械运动状态描述的对比： 温标-坐标系；参考点-坐标原点； 状态方程-位移速度关系
热力学与统计物理学的建立PPT课件
• 英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特（公元1736－1819），对纽可门机进行了根本性变 革。
• 在布莱克的帮助下，瓦特终于在1765年研制成了分离冷凝器，制成了一台“单动式蒸汽 机”。
• 1782年瓦特又将发动机从单动变为双动，可将汽缸的功率提高一倍。 • 1787年，瓦特又安装了离心式调速器，以保证发动机速度相对稳定。这样瓦特的双动旋转
第24页/共55页
五、焦耳对热功当量的测定
• 1849年6月21日，他通过法拉第把论文《论热的机械当量》送交皇家学会。在这篇论文 中，焦耳全面地整理了他用摩擦水、水银和铸铁的方法测量热功当量的实验结果，得出两 个重要结论：
• 第一，由物体的摩擦所产生的热量总是与消耗的力之量成正比； • 第二，要使一磅水（在真空中55F一60F时称量）的温度升高 1F，需要消耗相当于使
• 1851年，迈尔出版了《论热的机械当量》一文中，详细地阐述了热功当量的计算。
第22页/共55页
四、亥姆霍兹的工作
• 1847年，德国青年科学家亥姆霍兹（公元1821— 1894）提出了《论力的守恒》一文，总结出以下三 点结论：
• l．当自然界中的物体在既与时间无关、又与速度 无关的吸力和斥力的相互作用下，系统中活力和张力 的总和始终不变；所得到的功的最大值就是一个确定 的和有限的。
第11页/共55页
五、关于热之本性的研究
•第二，认为热是物体粒子的内部运 动。热质说的成功，使人们相信了 热质说是正确的学说，但是到了十 八世纪末，热质说受到了严重的挑 战。1798年，英国物理学家汤普森 （即伦福德伯爵，公元1753－1814） 在德国进行炮膛钻孔时，提出了大 量的热是从哪里来的这个问题。
第26页/共55页
第三节 热力学第二定律的建立
• 在布莱克的帮助下，瓦特终于在1765年研制成了分离冷凝器，制成了一台“单动式蒸汽 机”。
• 1782年瓦特又将发动机从单动变为双动，可将汽缸的功率提高一倍。 • 1787年，瓦特又安装了离心式调速器，以保证发动机速度相对稳定。这样瓦特的双动旋转
第24页/共55页
五、焦耳对热功当量的测定
• 1849年6月21日，他通过法拉第把论文《论热的机械当量》送交皇家学会。在这篇论文 中，焦耳全面地整理了他用摩擦水、水银和铸铁的方法测量热功当量的实验结果，得出两 个重要结论：
• 第一，由物体的摩擦所产生的热量总是与消耗的力之量成正比； • 第二，要使一磅水（在真空中55F一60F时称量）的温度升高 1F，需要消耗相当于使
• 1851年，迈尔出版了《论热的机械当量》一文中，详细地阐述了热功当量的计算。
第22页/共55页
四、亥姆霍兹的工作
• 1847年，德国青年科学家亥姆霍兹（公元1821— 1894）提出了《论力的守恒》一文，总结出以下三 点结论：
• l．当自然界中的物体在既与时间无关、又与速度 无关的吸力和斥力的相互作用下，系统中活力和张力 的总和始终不变；所得到的功的最大值就是一个确定 的和有限的。
第11页/共55页
五、关于热之本性的研究
•第二，认为热是物体粒子的内部运 动。热质说的成功，使人们相信了 热质说是正确的学说，但是到了十 八世纪末，热质说受到了严重的挑 战。1798年，英国物理学家汤普森 （即伦福德伯爵，公元1753－1814） 在德国进行炮膛钻孔时，提出了大 量的热是从哪里来的这个问题。
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第三节 热力学第二定律的建立
热力学与统计物理-第一章-热力学与统计物理
• 将热量从冷物体传到热物体：---制冷机 • 逆卡诺循环的工作系数： ' Q2 Q2 T2
W Q1 Q2 T1 T2
• 热现象的逆过程结论完全不同，是否有方向性？
能把热力学的基本规律归结于一个 基本的统计原理；可以解释涨落现 象；可以求得物质的具体特性。
统计物理学所得到的理论结论往往 只是近似的结果。
第一章 热力学的基本规律
本章主要介绍热力学的基本规律以及常见的基本 热力学函数。
热平衡定律和温度
一. 热平衡定律 温度
各自与第三个物体达到热平衡的两个物体，彼此也处于 热平衡。而且它们具有共同的宏观性质——相同的温度。
热力学与统计物理
—— 关于热现象的理论
热·统
热力学
研究的对象 与任务相同
统计物理
热现象的宏观理论。
基础是热力学三个定律。
结论具有高度的可靠性和普 遍性。 不能导出具体物质的具体特 性；也不能解释物质宏观性 质的涨落现象等。
热现象的微观理论。
认为宏观系统由大量的微观粒子所 组成，宏观物理量就是相应微观量 的统计平均值。
dW Yidyi
i
yi 是外参量，Yi 相应的广义力。
三. 广延量与强度量
广延量（Extensive Quantity） 与系统的大小（空间的范围或自由度的数目）成正比的热
力学量。如：系统的质量M，摩尔数n，体积V，内能U, 等等。
强度量（Intensive Quantity） 不随系统大小改变的热力学量。例如：系统的压强p，温
热力学系统（简称为系统） ⑴ 孤立系统：与外界没有任何相互作用的系统。 ⑵ 封闭系统：与外界有能量交换，但无物质交换的系统。 ⑶ 开放系统：与外界既有能量交换，又有物质交换的系统。
W Q1 Q2 T1 T2
• 热现象的逆过程结论完全不同，是否有方向性？
能把热力学的基本规律归结于一个 基本的统计原理；可以解释涨落现 象；可以求得物质的具体特性。
统计物理学所得到的理论结论往往 只是近似的结果。
第一章 热力学的基本规律
本章主要介绍热力学的基本规律以及常见的基本 热力学函数。
热平衡定律和温度
一. 热平衡定律 温度
各自与第三个物体达到热平衡的两个物体，彼此也处于 热平衡。而且它们具有共同的宏观性质——相同的温度。
热力学与统计物理
—— 关于热现象的理论
热·统
热力学
研究的对象 与任务相同
统计物理
热现象的宏观理论。
基础是热力学三个定律。
结论具有高度的可靠性和普 遍性。 不能导出具体物质的具体特 性；也不能解释物质宏观性 质的涨落现象等。
热现象的微观理论。
认为宏观系统由大量的微观粒子所 组成，宏观物理量就是相应微观量 的统计平均值。
dW Yidyi
i
yi 是外参量，Yi 相应的广义力。
三. 广延量与强度量
广延量（Extensive Quantity） 与系统的大小（空间的范围或自由度的数目）成正比的热
力学量。如：系统的质量M，摩尔数n，体积V，内能U, 等等。
强度量（Intensive Quantity） 不随系统大小改变的热力学量。例如：系统的压强p，温
热力学系统（简称为系统） ⑴ 孤立系统：与外界没有任何相互作用的系统。 ⑵ 封闭系统：与外界有能量交换，但无物质交换的系统。 ⑶ 开放系统：与外界既有能量交换，又有物质交换的系统。
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玻色--爱因斯坦凝聚
原子激光
通常的光子激光
原子激光模型
Higher Energy
Lower Temperature
Laser Cooling And Trapping
BEC的应用
原子光学
原子激光 原子刻蚀 原子钟 高精密度测量 光学晶格中的BEc 模拟研究量子多体动力学 量子信息学
平衡态是理想概念
平衡态是热动平衡
虽然宏观性质不变,但微观粒子仍然 不停做无规热运动,因而会产生涨落 在无外界影响时,系统在足够长时间内趋于平 衡态,历经时间称为弛豫时间 无限缓慢的准静态过程---
平衡态
§2.热平衡定律和物态方程
热平衡 初 态
A（低温）
绝热板
末 态
A B
导热板
B（高温）
A
三个新的热力学函数 麦克斯韦关系和特性函数及应用
焦耳-汤姆孙实验
获得低温的方法
第三章.热力学系统计平衡条件(Thermodynamical Equilibrium Conditions))
§1.开系的热力学基本方程 §2.单元系复相平衡 §3.克拉珀龙(clapeyron)方程 §4.多元系的复相平衡 §5.相变的分类及相律
1997年度诺贝尔物理学奖(美国科学家朱棣文，菲利浦斯 和法国科学家达诺基因)
2001年度诺贝尔物理学奖(威依迈、科纳尔和卡特勒)
JILA group,Rubidium atoms, Science 269,198 (1995)
MIT group, Sodium; Rice group, Lithium (1995) Phys. Rev. Lett. 75, 3969 (1995); ibid. 75, 1687(1995)
处于热平衡的热力学系统，描述系统温度与 状态参量间关系的数学表达式 物态方程 f ( x x x .......x , t ) 0
1 2 3 n
理想气体状态方程
PV nRT
a 非理想气体状态方程 ( p 2 )(v b) RT v
顺磁固体居里定律 电介质
(1mol)
M：磁矩，C:与物质常 数, H：磁场强度
宏观理论 ----热力学 1.出发点 2.物理量 3.理论基础
微观理论 ----统计物理学 从物质的微观结构出发 微观量， 不可直接观测
微观粒子的规律，统计理论
不考虑物质的微观结构
宏观量，可直接观测 热力学三大定律 数学方法
（逻辑推理等）
三大定律 4.研究方法 实验
宏观规律 5.优点
微观粒子热运动 统计平均 物质的宏观性质
Q1
热力学第零定律 四 个 研究方法： 热力学第一定律 基 热力学是宏观唯象理论： 本 热力学第二定律 热 定 力 律 热力学第三定律 学 特点： 普适性、可靠性 不能解释涨落
统 计 物 理
统计物理是研究热现象的微观理论，研究大 量微观粒子组成热力学系统, 应用几率规律 和力学定律求出大量粒子运动的统计规律。 特点： 在一定近似条件下解释实验现象 较好解释涨落现象
需要注意的几个问题:
要区分平衡态和稳定态:
金属杆 热流
冰水
沸水
热传递有三种方式 传导、对流、热辐射
但当一实际系统所受的外界影响很弱，系统本身状态又处 于相对稳定或接近于相对稳定状态时，就可以近似地当作
平衡态处理。这样使问题变得简单而易于解决.
指气体向真空膨胀时不受阻碍
气体的自由膨胀：
终态平衡
x y z ( ) z ( ) x ( ) y 1 y z x
z f ( ) y x x
f z
V T p ( ) p ( )V ( )T 1 T p V
对于f ( p,V , T ) 0 则有
冷原子的操控
玻色－爱因斯坦凝聚(BEC) 1924-25年玻色提出不可区分的粒子(玻色子)的统计方法， 爱因斯坦预言 0 K时，大量这样的粒子将表现出一个粒子的 行为，即出现玻色－爱因斯坦凝聚状态。 玻色－爱因斯坦凝聚的实现 1995年朱棣文等人发展的激光冷却和磁阱技术使得 JILA小 组的威依迈和科纳尔和MIT的卡特勒实现了铷原子和钠原子 的玻色－爱因斯坦凝聚。
第一章
热力学基本定律
(Thermodynamical laws)
§1.热力学基本概念 §2.热平衡定律和物态方程 §3.热力学第一定律 §4.热力学第二 定律 §5.热力学第三 定律
第二章.热力学函数及应用 (Thermodynamic Functions and their applications)
新材料。
Tokamak
核电工作原理
家 用 电 冰 箱 循 环
3atm 节 流 阀
10 C
0
蒸发器 储 氟 Q2 液 利 器 昂 冷冻室
200 C
70 C
0
10atm
散热器
压 缩 机
氟利昂被压缩 (周围环境) 机压缩成高压 高温热源 蒸气送到散热 器,把热量传给 Q1 周围环境.高压 A 蒸气通过节流 Q2 后降压,低压氟 利昂在蒸发室 低温热源 汽化吸热,致使 (冷冻室) 物体降温
热力学规律是自然界的普适规律。 只要在数学推理过程中不设其他假 弥补了热力学的不足，使热力 设结论具有同样的可靠性与普遍性 学理论更具意义 ①只适用于粒子数很多的宏观系统
6.局限性
②研究平衡态，不能解答非平衡到 数学上困难，因而在此基础上 平衡的过渡过程 做出的简化假设所得结果与实 ③只能说明应当有怎样的关系，而 验不能完全吻合
f ( x, y, z ) 0 则有
f f f f ( x, y, z ) 0 则有 df dx dy dz 0 x y z
x f ( )z y y y f ( )x z z f x f y x y z ( ) z ( ) x ( ) y 1 y z x
0.8
600mA 500mA 0 (n.c.) -100mA
R [a.u.]
0.6
100mA 200mA 300mA 400mA 500mA
0.4
0.2
0.0
迈斯纳效应
1.50 1.55 1.60
1.45
T [K]
超导在磁悬浮列车方面的应用
1999年４月，日本 研制的超导磁悬浮 列车时速已达552公 里
p
已知α β如何求物态方程 κ
解 题 步 驟
选择合适变量 写出有关量全微分 全微分积分
定积分常数
凑微分（视察法） 先对某一变量变量积分得到含另一变量的待 定函数，然后利用已知条件确定待定函数 选择简单路径积分（全微分积分与路径无关）
全微分积分方法
常用数学工具 多元函数全微分
Ps-玻色爱因斯坦凝聚(BEC)
Ps是玻色子, Tc 可以是室温或更高
109 Ps在100 m x(0.1 m )2 体积内 Ps密度将为1021 /cm3, Tc=1500K
ls, NIM. B,192(2002)107-116
超流现象
在极低温度下，液态氦的粘性会消失，它在任何东西 上流动都没有阻力，甚至可以垂直的爬上容器的壁， 其传热系数比铜还好。科学家把这种没有阻力的流动 叫作超流。超流现象是一种宏观范围内的量子效应。 由于玻色—爱因斯坦凝聚，氦原子形成一个“抱团很 紧”的集体。超流正是这种“抱团”现象的具体表现。 玻色子体系不受泡利原理的限制，而且，由于粒子总 是自发地向低能级跃迁，玻色子有向基态能级凝聚的 倾向，这是产生超流现象的基本原因。
2002年，德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可 逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方 面带来重大突破
氦:室溫 → 气态 降溫至4.2 K (摄氏零下269度) 降溫至2.17 K (摄氏零下271度)
→→Biblioteka 液态氦超流态液氦直到內外同高 直到內外同高
超流态液氦 (溫度低於2.17K)
如：压强、温度、磁场强度、mol量等
力学平衡 相平衡 热平衡 化学平衡 如果一个热力学系统在不受外界影响 的条件下(指外界对系统既不做功又 不传热)，其宏观性质不随时间变化 热力学平衡态
热力学系统平衡态
平衡态与非平衡态 热力学系统 的宏观状态
平衡态
(equilibrium state)
非平衡态 (non-equilibrium state)
未来新能源
正 电 子 火 箭
极限材料:
1亿度的高温 在超高压、超高温、超低温、超高真空等极端条件 下应用和制取的各种材料。如超导、超硬、超塑性、 超弹性、超纯、超晶格膜等材料。
原子分子设计材料:
这是在材料科学深入研究的基础上，对表面、非晶 态、结构点阵与缺陷、固态杂质、非平衡态、相变 以及变形、断裂、磨损等领域研究探索的发展方向， 以期获得原子、分子组成结构按性能要求设计的
热平衡定律
如果系统中每一个子系统都和第三个 达到平衡，则他们互为热平衡
温度
定义： 处于热平衡的所有热力学系统具有共同的物理 性质 描述这一性质的物理量即温度 宏观：反映物体冷热程度 物理意义 微观：反映分子热运动剧烈程度 国际温标
T t 273.15 ( K ) 绝对温度
物态方程
§5.固体比热量子理论
第六章.涨落理论(Fluctuation Theory)
§1.分布函数法 §2.准热力学方法
热力学与统计物理学
研究对象：
物质热运动规律。热运动是物质世界基本运 动形态。与温度有关现象----- 热现象
热胀冷縮、物态及物性变化、超导与超流
1.0
Mag. Field [a.u.]
多元系： 多种化学成分
依据系统 的均匀性
单相系
多相系
广延量与强度量
广延量：在给定状态下，那些与系统质量成正