熱力學(xué)基礎(chǔ)-熵與概率

第七章熱力學(xué)基礎(chǔ)熵與概率

統(tǒng)計規(guī)律性已討論的尋找物理學(xué)規(guī)律的線索：從宏觀物體到微觀粒子的運動規(guī)律；電磁場和波的運動規(guī)律；最終在“波粒二象性”上統(tǒng)一起來。第三條線索：從單粒子的研究發(fā)展到

由大量粒子組成的復(fù)雜體系的研究12021§7.1熱的本質(zhì)熱功當(dāng)量熱學(xué)是研究物質(zhì)熱性質(zhì)和熱運動的

規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)熱是什么？1667年，德國化學(xué)家貝歇爾提出“燃素”理論：

可燃物中含有燃素（無色無味無質(zhì)量），

在燃燒時釋放出來；德國化學(xué)家斯塔耳做了進(jìn)一步發(fā)展，認(rèn)為“燃素”

是一種氣體，燃燒時從可燃物放出，與空氣結(jié)合，

發(fā)出光與熱。法國科學(xué)家拉瓦錫發(fā)現(xiàn)，燃燒時需要氧氣，過程違反了質(zhì)量守恒定律。提出了“熱質(zhì)”說：熱質(zhì)可以從高溫物體流向低溫物體，總熱質(zhì)守恒。22021熱的動力說“熱質(zhì)說”比起“燃素說”來，進(jìn)步有限。1798年，倫姆福伯爵發(fā)現(xiàn)，在炮膛鉆孔時，熱量似乎可以通過摩擦無限產(chǎn)生。因此熱的來源不是熱質(zhì)，而是一種運動。隨著原子論的興起，熱的動力說逐漸占據(jù)主流，認(rèn)為“熱”可能與和原子或者分子動能相聯(lián)系的“機械功”之間有互相對應(yīng)關(guān)系。熱量與功一樣，

是能量的一種傳遞方式。兩者之間，可能存在

一種當(dāng)量關(guān)系。32021焦耳實驗熱功當(dāng)量的測量“熱質(zhì)說”比起“燃素說”來，進(jìn)步有限。J＝4.186焦／卡W＝JQ42021§7.2溫度熱力學(xué)溫標(biāo)

理想氣體狀態(tài)方程熱學(xué)的兩種研究方法：熱力學(xué)（宏觀理論）

以實驗事實為基礎(chǔ)，整個理論完全建立在兩個基本定律（熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律）的基礎(chǔ)上并通過嚴(yán)密的邏輯推理得到一些重要的結(jié)論。分子動理論（微觀理論）

從構(gòu)成物質(zhì)的大量分子所遵從的統(tǒng)計規(guī)律出發(fā)，討論物質(zhì)的宏觀熱現(xiàn)象。52021一、熱力學(xué)第零定律——測溫原理熱平衡：

兩個物體互相熱接觸，經(jīng)過一段時間后它們的宏觀性質(zhì)不再變化，我們說它們達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。ABABAB熱平衡熱接觸

表征系統(tǒng)熱平衡的宏觀性質(zhì)的物理量為溫度62021熱力學(xué)第零定律：

在不受外界影響的條件下，如果處于確定狀態(tài)下的物體C分別與物體A、B達(dá)到熱平衡，則物體A和B也必相互熱平衡。一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。Thermalequilibrium熱平衡72021溫度的宏觀定義：表征系統(tǒng)熱平衡的宏觀性質(zhì)的物理量。如何標(biāo)定溫度？攝氏溫標(biāo)：壓強1atm下，冰點時溫度為0攝氏度,沸點為100攝氏度;華氏溫標(biāo)：壓強1atm下，冰點溫度定為32華氏度,沸點為212華氏度。熱力學(xué)中，可以通過理想氣體，定義一種自然的溫標(biāo)。理想氣體：忽略氣體分子的自身體積，看成是質(zhì)點；假設(shè)分子間沒有相互吸引和排斥，分子之間及分子與器壁之間發(fā)生的碰撞是完全彈性的，不造成動能損失。82021二、熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體狀態(tài)方程在1662年，玻意耳（Boyle）根據(jù)實驗結(jié)果提出：“在密閉容器中的定量氣體，在恒溫下，氣體的壓強和體積成反比關(guān)系?！边@是人類歷史上第一個被發(fā)現(xiàn)的“定律”。92021熱力學(xué)溫標(biāo)的確立：為了結(jié)束溫標(biāo)上的混亂局面，開爾文(即W·湯姆遜)創(chuàng)立了一種不依賴任何測溫質(zhì)(當(dāng)然也就不依賴任何測溫質(zhì)的任何物理性質(zhì))的絕對真實的絕對溫標(biāo)，也叫開氏溫標(biāo)或者熱力學(xué)溫標(biāo)。102021理想氣體溫標(biāo)絕對溫度氣體泡真空水銀貯管液體樣品軟管112021已有的溫度定義：單位為K熱力學(xué)溫度（T）：單位為℃攝氏溫度（t）：水的氣、液、固三相點為0℃。華氏溫度℉=9×℃/5+32單位為℉

華氏溫度（F）：12202113202110510610710810910101011101210131015……103810391014大爆炸后的溫度強子--夸克相變宇宙He合成熱核聚變溫度10-910-810-710-610-510-410-310-210-11011021031041太陽表面溫度室溫氫的液化稀釋制冷核自旋制冷溫度大觀142021100多億年前，宇宙在大爆炸中誕生時，其溫度在1039K以上。

大爆炸后10-43秒，宇宙溫度為1032K。

幾十萬年后，當(dāng)溫度降到4000K時，隨著中性原子的有效復(fù)合，宇宙變得透明了，今日的宇宙溫度已冷卻到2.735K，稱為微波背景輻射溫度。

當(dāng)代科學(xué)實驗室里能產(chǎn)生的最高溫度是108K，最低溫度是10-8K，上下跨越了16個數(shù)量級。

人體溫度為37℃，室溫為20℃--30℃，即300K左右，我們生活的環(huán)境溫度的起伏上下不過幾十度。152021絕對零度的探索：

從18世紀(jì)末到19世紀(jì)中降溫壓縮氨、氯、硫化氫、二氧化硫、乙炔、二氧化碳等氣體的液化1863年氣液轉(zhuǎn)換“臨界點”1875至1880年德國工程師林德（K.Linde）焦耳-湯姆孫效應(yīng)“循環(huán)對流冷卻法”氣體壓縮式致冷機氧、氫液化1877年蓋勒特（Gailletet）液化了氮和氧。1902年法國工程師喬治·克勞德（GeorgesClaude）液化了空氣。1620211908年7月9日，荷蘭物理學(xué)家昂納斯（H.K.Onnes，1853-1926）在萊頓大學(xué)他所建立的低溫實驗室里實現(xiàn)了1.15K的低溫后，才將氦氣液化了，從而消除了最后一種“永久氣體”。1933年，磁冷卻成功，用順磁鹽絕熱去磁方法獲得了0.25K的低溫，1950年又獲得了10-3K的低溫。1956年，牛津大學(xué)弗蘭西斯·西蒙與柯蒂等，原子核絕熱去磁法獲得