1、热学的研究热学的研究对象、方法、对象、方法、发展史发展史宏观宏观理论理论部分部分温度（第一章）温度（第一章）热力学第一定律（二章）热力学第一定律（二章）热力学第二定律（三章）热力学第二定律（三章）微观微观理论理论部分部分气体动理论（平衡气体动理论（平衡态）（第四章）态）（第四章）气体内的输运过程（近气体内的输运过程（近平衡态）（第五章）平衡态）（第五章）物性物性学部学部分分非理想气体、固体、液非理想气体、固体、液体（第六章）体（第六章）相变相变 （第七章）（第七章）前五章着重研究理想气体前五章着重研究理想气体,并以此为例分别阐明两种理论不并以此为例分别阐明两种理论不同的观点和方法同的观点和方法
2、.后两章综合运用宏观和微观两种方法阐明费理后两章综合运用宏观和微观两种方法阐明费理想气体、固体、液体的性质及它们之间的转变规律。想气体、固体、液体的性质及它们之间的转变规律。热学热学（Thermal Physics）热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉。生命的源泉。恩格斯恩格斯 当物体的冷热程度发生变化时当物体的冷热程度发生变化时,物体的大小、聚集物体的大小、聚集状态、力学性质和电学性质等也将发生变化状态、力学性质和电学性质等也将发生变化.与物体冷与物体冷热程度有关的物理性质及状态变化热程度有关的物理性质及状态变化,统称为热现象统称为热
3、现象.宏宏观物质以热现象为主要标志的这种运动形态称为热运观物质以热现象为主要标志的这种运动形态称为热运动动.可足额研究结果表明可足额研究结果表明,宏观物质的热运动实质上就宏观物质的热运动实质上就是组成这物质的大量微观粒子的无规则是组成这物质的大量微观粒子的无规则(机械机械)运动在运动在总体上所表现出的一种运动总体上所表现出的一种运动(非机械运动非机械运动)的形态的形态.01热学的研究对象热学的研究对象 宏观物质这些热性质和热运动规律及其应用等是热学研究的基本内容.热学是物理学的一个重要的组成部分.热学是以物质的热运动以及热运动与其他运动形态之间的转化规律为其研究对象的一门学科.热学理论在热机的
4、研制,化学、冶金、气象学的研究，以及原子核的设计上，都有重要的应用。对象：对象：宏观物体（大量分子原子系统）宏观物体（大量分子原子系统）或物体系或物体系 热力学系统热力学系统。内容：内容：与与热现象热现象有关的性质和规律。有关的性质和规律。关。关。微观上说是与热运动有微观上说是与热运动有有关；有关；宏观上说是与温度宏观上说是与温度热现象热现象 T外界外界系统系统外界外界2 热力学系统的宏观描述和微观描述热力学系统的宏观描述和微观描述 热力学系统热力学系统：在研究物理现象时，人们通常在研究物理现象时，人们通常只注意某一物体或物体系，并想像地把它同周只注意某一物体或物体系，并想像地把它同周围的物体
5、隔离开来。在热学中，把这一确定为围的物体隔离开来。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。简研究对象的物体或物体系叫做热力学系统。简称系统。称系统。外界外界：在系统边界外部，与系统发生相互作在系统边界外部，与系统发生相互作用，从而对系统的状态直接产生影响的物质叫用，从而对系统的状态直接产生影响的物质叫做系统的外界。做系统的外界。根据对系统与外界相互关系的不同，可对系根据对系统与外界相互关系的不同，可对系统进行分类：统进行分类：孤立系统孤立系统：与外界既不交换物质又不交换：与外界既不交换物质又不交换能量的系统。能量的系统。封闭系统封闭系统：与外界既不交换物质但可交换：与外界既
6、不交换物质但可交换能量的系统。能量的系统。开放系统开放系统：与外界既交换物质又交换能量与外界既交换物质又交换能量的系统。的系统。在物理学中，通常根据物质层次的不同而把在物理学中，通常根据物质层次的不同而把物理现象分为宏观现象和微观现象。物理现象分为宏观现象和微观现象。宏观现象宏观现象：一般是指大量微观粒子组成的系一般是指大量微观粒子组成的系统在总体上所表现出来的现象，如气体的膨胀，统在总体上所表现出来的现象，如气体的膨胀，物质的聚集态的转变等物质的聚集态的转变等 微观现象微观现象：一般是指原子、分子等微观粒子所：一般是指原子、分子等微观粒子所发生的现象。如分子的运动，分子的碰撞等。发生的现象。
7、如分子的运动，分子的碰撞等。宏观量宏观量：描述系统宏观性质的物理量。如物：描述系统宏观性质的物理量。如物体的温度、压强、热容等。体的温度、压强、热容等。微观量微观量：描述粒子微观性质的物理量：描述粒子微观性质的物理量.如分子如分子的质量、分子的速度等的质量、分子的速度等 宏观现象和微观现象是紧密联系着的。宏观现象和微观现象是紧密联系着的。热现象是一种宏观现象，但可以从宏观和微观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两种不同的观点着眼，采用不同的方法加以研究。：究。：宏观观点宏观观点：是从系统的宏观总体上来观察：是从系统的宏观总体上来观察和考虑问题。用宏
8、观量来描述系统状态的方和考虑问题。用宏观量来描述系统状态的方法叫做宏观描述。法叫做宏观描述。微观的观点：微观的观点：则是从组成微观性质的大量分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的微观量来描述系统状态的方法叫做微观描述 研究方法：研究方法：热力学热力学（thermodynamics）宏观基本实验规律宏观基本实验规律热现象规律热现象规律逻辑推理逻辑推理特点：特点：普遍性、可靠性。普遍性、可靠性。统计力学统计力学（statistical mechanics）对微观结构提对微观结构提出模型、
9、假设出模型、假设统计方法统计方法热现象规律热现象规律特点：特点：可揭示本质，但受模型局限。可揭示本质，但受模型局限。0-3热学发展史热学发展史一、温度的定义和热机的研制一、温度的定义和热机的研制 1.对温度的研究对温度的研究1593年年，伽利略利用空气热胀冷缩的性质，制成了温度计，伽利略利用空气热胀冷缩的性质，制成了温度计的雏形。的雏形。1702年年，阿蒙顿制成空气温度计，但不准确。，阿蒙顿制成空气温度计，但不准确。1724年年，荷兰工人华伦海特在他的论文中，建立了华氏温，荷兰工人华伦海特在他的论文中，建立了华氏温标，首先使标，首先使 用水银代替酒精。用水银代替酒精。1742年瑞典的摄尔修斯定
10、义水的沸点为零度，冰的熔点为年瑞典的摄尔修斯定义水的沸点为零度，冰的熔点为100度，后施勒默尔将两个固定点倒过来，建立了摄氏温标。度，后施勒默尔将两个固定点倒过来，建立了摄氏温标。1779年年，全世界有温标，全世界有温标19种。种。1854年年，开尔文提出开氏温标，得到世界公认。，开尔文提出开氏温标，得到世界公认。2.热机的发展热机的发展“蒸汽机是一个真正的国际发明，而这个事实又证蒸汽机是一个真正的国际发明，而这个事实又证实了一个巨大的历史进步。实了一个巨大的历史进步。”1695年年，法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作不便，法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作不便，不安全。不安全。1705年年，
11、钮科门和科里制造了新蒸汽机，有一定实用价，钮科门和科里制造了新蒸汽机，有一定实用价值，但用水冷却气缸，能量损失很大。值，但用水冷却气缸，能量损失很大。1769年年，英国技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，英国技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的工业革命。大提高，导致了欧洲的工业革命。1785年年，热机被应用于纺织。，热机被应用于纺织。1807年年，热机被美国人富尔顿应用于轮船，热机被美国人富尔顿应用于轮船，1825年被用年被用于火车和铁路。于火车和铁路。瓦特发明的蒸汽机3.量热学和热
12、传导理论的建立在在18世纪前半叶，人们对什么世纪前半叶，人们对什么是温度，什么是热量的概念含糊是温度，什么是热量的概念含糊不清，热学要发展，有关热学的不清，热学要发展，有关热学的一系列概念就需要有科学的定义。一系列概念就需要有科学的定义。经彼得堡院士里赫曼于经彼得堡院士里赫曼于1744年年开始，英国人布拉克和他的学生开始，英国人布拉克和他的学生伊尔文等逐步工作，终于在伊尔文等逐步工作，终于在1780年前后，温度、热量、热容量、年前后，温度、热量、热容量、潜热等一系列概念都已形成。潜热等一系列概念都已形成。4.热本性说的争论热本性说的争论）认为热是一种物质，即热质说。）认为热是一种物质，即热质说
13、。代表人物：伊壁鸠鲁、付里叶、卡诺。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。认为热是物体粒子的内部运动。代表人物：笛卡尔、胡克、代表人物：笛卡尔、胡克、罗蒙诺索夫罗蒙诺索夫，伦福德。伦福德。他们认为：他们认为：“尽管看不到，也不能否定尽管看不到，也不能否定分子运动是存在的。分子运动是存在的。”二、热力学第一定律的建立二、热力学第一定律的建立（一）定律诞生的背景（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）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，适应生产力发展的功的关系，以提高热机效率，适应生产力发展的需要。需要。2）能量转化与
14、守恒思想的萌发）能量转化与守恒思想的萌发俄国的赫斯，俄国的赫斯，1836年：年：“不论用什么方式完成不论用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的。化合，由此发出的热总是恒定的。”1830年，法国萨迪年，法国萨迪卡诺：卡诺：“准确地说，它既不准确地说，它既不会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形式。式。”但卡诺患了猩红热，脑膜炎，不幸又雪上加霜，患但卡诺患了猩红热，脑膜炎，不幸又雪上加霜，患了流行性霍乱，于了流行性霍乱，于1832年去世。卡诺的这一思想，年去世。卡诺的这一思想，在在1878年才公开发表，但热力学第一定律已建立年才公开发表，但热力学第
15、一定律已建立了。了。（二）确立能量转化与守恒定律的三位科学家（二）确立能量转化与守恒定律的三位科学家德国的迈尔德国的迈尔(1814-1878)迈尔曾是一位随船医生，在一次驶往印度尼西亚的航迈尔曾是一位随船医生，在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，发现血的颜色比温带行中，给生病的船员做手术时，发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮，这引起了迈尔的沉思。地区的新鲜红亮，这引起了迈尔的沉思。他认为，食物中含有的化学能，可转化为热能，在热他认为，食物中含有的化学能，可转化为热能，在热带情况下，机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的带情况下，机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的氧。迈尔的结论是：
16、氧。迈尔的结论是：“因此力（能量）是不灭的，而因此力（能量）是不灭的，而是可转化的，不可称量的客体是可转化的，不可称量的客体”。迈尔在迈尔在1841年、年、1842年撰文发表了他的观点，在年撰文发表了他的观点，在1845年的论文中，更明确写道：年的论文中，更明确写道：“无不能生有，有不无不能生有，有不能变无。能变无。”“在死的或活的自然界中，这个力（能）永远处于循在死的或活的自然界中，这个力（能）永远处于循环和转化之中。环和转化之中。”迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。亥姆霍兹
17、 德国科学家，他认为，大自然是统一的，自然力(即能量)是守恒的。1847年，发表著名论文力的守恒，把能量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒。焦耳的实验研究焦耳是英国著名的实验物理学家，家境富裕。焦耳是英国著名的实验物理学家，家境富裕。16岁岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。当时电机刚出现，焦耳在当时电机刚出现，焦耳在1841年发表文章指出年发表文章指出:“热热量与导体电阻和电流平方成正比。量与导体电阻和电流平方成正比。”这就是著名的焦这就是著名的焦耳耳楞次定律。楞次定律。探求热和得到的或失去的机械功之间是否存在一个探求热和得到的或失去的机械功之间
18、是否存在一个恒定的比值，又成了焦耳感兴趣的问题。恒定的比值，又成了焦耳感兴趣的问题。1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了设计了“热功当量实验仪热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。，并反复改进，反复实验。1849年发表年发表论热功当量论热功当量。1878年发表年发表热功当量的新测定热功当量的新测定，最后得到的数，最后得到的数值为值为423.85公斤公斤米米/千卡。千卡。焦耳测热功当量用了三十多年，实验了焦耳测热功当量用了三十多年，实验了400多次，付多次，付出大量的辛勤劳动。出大量的辛勤劳动。能量守恒和转化定律是自然界基本规律，恩格斯
19、曾将它能量守恒和转化定律是自然界基本规律，恩格斯曾将它和进化论、细胞学说并列为三大发现。和进化论、细胞学说并列为三大发现。热力学第一定律建立的成因热力学第一定律建立的成因）理论）理论迈尔迈尔迈尔是明确提出迈尔是明确提出“无不能生有无不能生有”，“有不能变无有不能变无”的能量守恒与转化思想的第一人。而这理论正是建立的能量守恒与转化思想的第一人。而这理论正是建立热力学第一定律的基础。热力学第一定律的基础。）实验）实验焦耳焦耳由于焦耳精心严谨地进行了热功当量测定等一系列由于焦耳精心严谨地进行了热功当量测定等一系列实验，奠定了热力学第一定律的实验基础，得到了人实验，奠定了热力学第一定律的实验基础，得到
20、了人们的认同。们的认同。）一批科学家的不懈努力）一批科学家的不懈努力亥姆霍兹将能量守恒定律第一次以数学形式提出来，亥姆霍兹将能量守恒定律第一次以数学形式提出来，而卡诺、赛贝等人也都有过这方面的见解。而卡诺、赛贝等人也都有过这方面的见解。）说明了客观条件成熟，相应的自然规律一定会）说明了客观条件成熟，相应的自然规律一定会发现。发现。热力学第二定律的建立：在实际情况中，热力学第二定律的建立：在实际情况中，并不是所有满足热力学第一定律的过程并不是所有满足热力学第一定律的过程都能实现，比如热不会自动地由低温传都能实现，比如热不会自动地由低温传向高温，过程具有方向性。这就导致了向高温，过程具有方向性。这
21、就导致了热力学第二定律的出台。克劳修斯、开热力学第二定律的出台。克劳修斯、开尔文、玻尔兹曼等科学家为此做了重要尔文、玻尔兹曼等科学家为此做了重要贡献。贡献。1917年，能斯特进一步提出年，能斯特进一步提出“绝绝对零度是不可能达到的对零度是不可能达到的”热力学第三定热力学第三定律。律。三分子运动论的发展三分子运动论的发展 一、早期的分子运动论一、早期的分子运动论1）德莫克里特（公元前460-前371）：认为物质皆由各种不同微粒组成。2）1658年，伽桑狄提出，物质是由分子构成的。二、克劳修斯的理想气体分子模型二、克劳修斯的理想气体分子模型1857年发表论热运动的类型的文章，以十分明晰和信服的推理
22、，建立了理想气体分子模型和压强公式，引入了平均自由程的概念。三、麦克斯韦的贡献三、麦克斯韦的贡献1860年，麦克斯韦发表了年，麦克斯韦发表了气体动力论的说明气体动力论的说明，第一次用概率的思想，建立了麦克斯韦分子速率第一次用概率的思想，建立了麦克斯韦分子速率分布律。分布律。四、玻尔兹曼的工作四、玻尔兹曼的工作在麦氏速率分布率的基础上，第一次考虑了重力在麦氏速率分布率的基础上，第一次考虑了重力对分子运动的影响，建立了更全面的玻尔兹曼分对分子运动的影响，建立了更全面的玻尔兹曼分布律，建立了知名过程方向性的玻尔兹曼布律，建立了知名过程方向性的玻尔兹曼H定理，定理，建立了玻尔兹曼熵公式。建立了玻尔兹曼
23、熵公式。五、统计物理学的创立五、统计物理学的创立在克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼研究的基础上，在克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼研究的基础上，吉布斯提出：吉布斯提出：“热力学的发现基础建立在力学的热力学的发现基础建立在力学的一个分支上一个分支上”，吉布斯吉布斯由此建立了统计力学。由此建立了统计力学。1902年发表了年发表了统计力学的基本理论统计力学的基本理论，建立了，建立了完整的完整的“系综理论系综理论”。主要参考书目：主要参考书目：成绩考核：成绩考核：平时作业、期中考试占平时作业、期中考试占20%、期末占、期末占80%1.秦允豪，秦允豪，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社2.赵凯华等，赵凯华等，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社3.黄淑清等，黄淑清等，热学教程热学教程，高等教育出版社，高等教育出版社4.李椿等，李椿等，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社5.肖国平，肖国平，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社6.吴瑞贤等，吴瑞贤等，热学教程热学教程，四川大学出版社，四川大学出版社7.徐行，徐行，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社8.张玉民等，张玉民等，热学热学，高等教育出版社，高等教育出版社9.李洪芳，李洪芳，热学热学，复旦大学出版社，复旦大学出版社10.D.哈理德等，哈理德等，物理学物理学（第二册），科学出版社（第二册），科学出版社
