熱學(xué)基礎(chǔ)教程

目錄
序
前言
第1章 分子動(dòng)理論 1
1.1 物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和物態(tài) 2
1.1.1 物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu) 2
1.1.2 物質(zhì)的狀態(tài)和特點(diǎn) 2
1.1.3 熱力學(xué)系統(tǒng) 2
1.2 氣體分子的數(shù)量級(jí) 3
1.2.1 阿伏伽德羅定律 3
1.2.2 氣體分子的特征參數(shù) 4
1.3 布朗運(yùn)動(dòng) 6
1.3.1 現(xiàn)象 6
1.3.2 定性解釋 6
1.3.3 定量解釋 7
1.4 氣體分子間的作用力 理想氣體 8
1.4.1 分子之間的作用力 8
1.4.2 分子間的勢(shì)能與幾種模型 9
1.4.3 理想氣體模型 12
1.5 分子運(yùn)動(dòng)的速率分布 13
1.5.1 分子按速率的分布 13
1.5.2 速率分布函數(shù) 14
1.5.3 三種速率 15
1.6 分子間的碰撞 平均自由程 18
1.6.1 分子碰撞截面 18
1.6.2 平均自由程 碰撞頻率 18
1.7 能量均分定理 分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與勢(shì)能 20
1.7.1 能量均分定理 20
1.7.2 分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能 22
1.7.3 內(nèi)能 23
1.8 壓強(qiáng)與溫度的微觀解釋 24
1.8.1 單位時(shí)間內(nèi)碰在單位面積上的平均分子數(shù) 24
1.8.2 計(jì)算氣體壓強(qiáng)的簡(jiǎn)單模型 25
1.8.3 壓強(qiáng)與溫度的微觀意義 26
習(xí)題 28
第2章 氣體系統(tǒng)的狀態(tài)和氣體的性質(zhì) 31
2.1 熱力學(xué)系統(tǒng)與環(huán)境 32
2.1.1 系統(tǒng)的分類(lèi) 32
2.1.2 熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀參量 32
2.1.3 廣延量和強(qiáng)度量 35
2.2 系統(tǒng)的平衡態(tài)與穩(wěn)定態(tài) 35
2.2.1 系統(tǒng)的平衡態(tài)與非平衡態(tài) 35
2.2.2 平衡態(tài)與穩(wěn)定態(tài) 36
2.3 壓強(qiáng) 37
2.3.1 液體的壓強(qiáng) 37
2.3.2 氣體的壓強(qiáng) 39
2.4 熱力學(xué)第零定律 溫度 44
2.4.1 熱接觸與熱平衡 44
2.4.2 熱平衡定律—熱力學(xué)第零定律 45
2.4.3 溫度的定義 45
2.5 溫標(biāo) 45
2.5.1 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 45
*2.5.2 熱力學(xué)溫標(biāo) 51
*2.5.3 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) 52
2.6 理想氣體的實(shí)驗(yàn)定律 53
2.6.1 玻意耳定律 53
2.6.2 蓋呂薩克定律 53
2.6.3 查理定律 53
2.7 理想氣體的狀態(tài)方程 56
2.7.1 理想氣體狀態(tài)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式 56
2.7.2 普適氣體常量與玻爾茲曼常量 57
2.7.3 理想氣體狀態(tài)方程的其他形式以及各參量之間的關(guān)系 58
2.7.4 理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用 59
2.7.5 多系統(tǒng)時(shí)的狀態(tài)方程 65
2.8 混合理想氣體的狀態(tài)方程 67
2.8.1 道爾頓分壓定律 67
2.8.2 體積百分比 68
2.8.3 混合理想氣體的狀態(tài)方程 68
*2.9 實(shí)際氣體的狀態(tài)方程 71
習(xí)題 72
第3章 熱力學(xué)第一定律 80
3.1 熱力學(xué)過(guò)程 80
3.1.1 熱力學(xué)過(guò)程的概念 80
3.1.2 非靜態(tài)過(guò)程 81
3.1.3 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 81
3.1.4 四種特殊的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 82
3.1.5 泊松公式 84
3.1.6 多方過(guò)程與非多方過(guò)程 86
3.1.7 熱力學(xué)過(guò)程中的溫度變化 86
3.2 熱力學(xué)過(guò)程中的體積功 88
3.2.1 體積功的概念 88
3.2.2 幾種特殊熱力學(xué)過(guò)程的功 90
3.3 熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能 93
3.3.1 分子動(dòng)理論中內(nèi)能的定義 93
3.3.2 焦耳定律 理想氣體的定義 94
3.3.3 理想氣體的內(nèi)能及內(nèi)能變化 94
3.4 熱力學(xué)過(guò)程的熱量 96
3.4.1 熱量的本質(zhì) 97
*3.4.2 焦耳的貢獻(xiàn) 98
3.4.3 熱、功和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化 99
3.4.4 過(guò)程量與狀態(tài)量 100
3.5 熱力學(xué)第一定律 100
*3.5.1 歷史溯源 100
3.5.2 熱力學(xué)第一定律的表述形式 102
3.5.3 熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 102
3.5.4 舉例 103
*3.5.5 第一類(lèi)永動(dòng)機(jī) 104
3.6 熱容 105
3.6.1 熱容的定義 105
3.6.2 等容過(guò)程的熱容 106
3.6.3 焓 等壓過(guò)程的熱容量 107
3.6.4 等容熱容與等壓熱容的關(guān)系 109
3.7 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用110
3.7.1 四種特殊熱力學(xué)過(guò)程的定性分析110
3.7.2 四種特殊熱力學(xué)過(guò)程的定量分析113
3.8 循環(huán)過(guò)程 123
3.8.1 正循環(huán)與熱機(jī) 123
3.8.2 逆循環(huán) 124
*3.8.3 蒸汽機(jī)簡(jiǎn)介 125
*3.8.4 內(nèi)燃機(jī) 128
習(xí)題 129
第4章 熱力學(xué)第二定律 138
4.1 自然過(guò)程的方向 139
4.1.1 理想氣體的絕熱自由膨脹 139
4.1.2 自然過(guò)程的方向 140
4.2 可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程 141
4.2.1 可逆過(guò)程 141
4.2.2 自然界的實(shí)際過(guò)程都是不可逆的 142
4.2.3 可逆過(guò)程和準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 142
4.3 熱力學(xué)第二定律的兩種文字表述 143
4.3.1 克勞修斯表述 143
4.3.2 開(kāi)爾文表述 143
*4.3.3 第二類(lèi)永動(dòng)機(jī) 144
4.3.4 兩種表述的關(guān)系 148
4.3.5 各種不可逆過(guò)程是互相關(guān)聯(lián)的 150
4.4 卡諾定理熱力學(xué)溫標(biāo) 151
4.4.1 卡諾定理 151
4.4.2 熱力學(xué)溫標(biāo) 153
4.4.3 熱力學(xué)第三定律 負(fù)溫度 154
4.4.4 關(guān)于各種溫標(biāo)的小結(jié) 154
4.5 熱力學(xué)概率 155
4.5.1 熱現(xiàn)象的微觀解釋 155
4.5.2 宏觀量是相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值 157
4.5.3 微觀配容與宏觀分布 158
4.5.4 宏觀分布和微觀配容數(shù)的計(jì)算 159
4.5.5 等概率原理 160
4.5.6 熱力學(xué)概率 160
4.5.7 自發(fā)過(guò)程中的熱力學(xué)概率總是增大的 161
4.6 熵 熵增原理 161
4.6.1 玻爾茲曼關(guān)系 162
4.6.2 熵的物理意義 163
*4.6.3 信息熵 164
4.6.4 熵增原理 165
4.7 熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 165
4.7.1 熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 165
*4.7.2 熵差的計(jì)算 167
習(xí)題 168
第5章 固體和液體的性質(zhì) 170
5.1 物質(zhì)的物態(tài) 170
5.1.1 物態(tài) 170
5.1.2 氣液固三態(tài)的特點(diǎn) 171
5.1.3 液晶 172
*5.1.4 流變學(xué) 172
*5.1.5 凝聚態(tài)物理 174
5.2 固體的性質(zhì)簡(jiǎn)介 174
5.2.1 晶體 174
5.2.2 非晶體 177
5.3 液體的微觀結(jié)構(gòu) 179
5.3.1 液體的微觀結(jié)構(gòu) 179
5.3.2 液體分子的熱運(yùn)動(dòng)與作用能 179
5.4 液體的徹體性質(zhì) 180
5.4.1 液體的壓縮 180
5.4.2 液體的熱膨脹 180
5.4.3 液體的熱容 181
5.4.4 擴(kuò)散 181
5.4.5 熱傳導(dǎo) 181
5.4.6 黏滯 181
5.5 液體的表面現(xiàn)象 182
5.5.1 表面張力 182
5.5.2 彎曲液面的附加壓強(qiáng) 189
5.6 潤(rùn)濕與毛細(xì)現(xiàn)象 192
5.6.1 潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕現(xiàn)象 192
5.6.2 接觸角 193
5.6.3 毛細(xì)現(xiàn)象 195
習(xí)題 198
第6章 相變 203
6.1 物態(tài)變化相變 203
6.1.1 物態(tài)物態(tài)變化 203
6.1.2 相相變 204
6.1.3 一級(jí)相變 206
6.2 液-氣相轉(zhuǎn)變 206
6.2.1 汽化和液化 206
6.2.2 蒸發(fā)飽和蒸氣壓 207
6.2.3 沸騰 213
6.2.4 蒸發(fā)與沸騰的比較 215
6.2.5 氣體的液化 215
6.2.6 汽化曲線或液化曲線 217
6.2.7 汽化熱和液化熱 217
6.2.8 空氣的濕度 219
6.3 固-液相變 221
6.3.1 熔化與凝固 221
6.3.2 影響熔點(diǎn)的因素 222
6.3.3 熔化熱凝固熱 222
6.3.4 熔化曲線 224
6.4 固-氣相變 226
6.4.1 升華與凝華 226
6.4.2 升華熱和凝華熱 227
6.4.3 升華曲線 227
6.5 三相圖和三相點(diǎn) 228
6.5.1 三相圖 228
6.5.2 三相點(diǎn) 229
6.5.3 相變潛熱 229
習(xí)題 230
第7章 熱傳遞與熱膨脹 234
7.1 熱平衡方程 234
7.2 熱傳遞概述 238
7.3 熱傳導(dǎo) 239
7.3.1 導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率) 239
7.3.2 傅里葉熱傳導(dǎo)定律 240
7.4 對(duì)流傳熱 243
7.4.1 牛頓冷卻定律 244
7.4.2 熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流所傳遞的熱量與溫度差 245
*7.4.3 大氣環(huán)流 246
7.5 輻射傳熱 246
7.5.1 黑體與黑體輻射 247
7.5.2 斯特藩-玻爾茲曼定律 248
7.5.3 維恩位移律 249
*7.5.4 色溫 250
7.6 熱膨脹 251
7.6.1 分子動(dòng)理論的定性解釋 251
7.6.2 熱膨脹系數(shù) 251
7.6.3 固體的熱膨脹 253
7.6.4 液體的熱膨脹 255
7.6.5 氣體的熱膨脹 256
習(xí)題 257
習(xí)題參考答案 262