本書內(nèi)容包括:基本概念預(yù)定義;熱力學(xué)第一定律;熱力學(xué)第二定律和第三定律;氣體動理論的基本概念;平衡態(tài)統(tǒng)計分布的初級理論;近平衡態(tài)輸運過程;簡單系統(tǒng)。
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熱學(xué)是一門研究熱現(xiàn)象及其本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)科。所謂熱現(xiàn)象,就是與冷和熱相關(guān)的現(xiàn)象。熱學(xué)的基本規(guī)律包含宏觀理論和微觀理論兩部分。前者是以熱力學(xué)第零、第一、第二和第三定律為基礎(chǔ)的熱力學(xué)理論,后者是以物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的氣體動理論(又稱分子運動論)。熱力學(xué)理論建立在無可辯駁的廣泛實驗基礎(chǔ)之上,不涉及物質(zhì)的具體結(jié)構(gòu),因而具有普適性,但不能揭示宏觀現(xiàn)象背后的微觀物理機(jī)制,即不能回答“為什么”。氣體動理論建立在物質(zhì)微觀模型的具體假設(shè)之上,能夠回答“為什么”,但不具有宏觀理論的普適性。宏觀理論與微觀理論優(yōu)勢互補(bǔ),仿佛兩個半圓,若要揭示物質(zhì)世界圓滿的自然法則,二者缺一不可。本書的內(nèi)容即是以熱力學(xué)理論和氣體動理論為主。
熱學(xué)是一門古老而常新的學(xué)科。熱學(xué)的發(fā)展史與人類文明進(jìn)步史息息相關(guān),最早可追溯到史前時期。人類還在茹毛飲血的時代,就已經(jīng)掌握了獲取火種的方法,學(xué)會了使用工具。17世紀(jì),玻意耳發(fā)現(xiàn)人類歷史上第一個實驗“定律”——氣體的玻意耳定律。17世紀(jì)末到18世紀(jì),人類發(fā)明改良了將熱和工具結(jié)合起來的強(qiáng)大機(jī)器——熱機(jī),并以此為契機(jī)突破性地推動了熱學(xué)的進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上,社會生產(chǎn)效率得到極大提高,第一次工業(yè)革命猶如星星之火,迅猛燎原。從此以后,人類社會就開始了日新月異的加速進(jìn)步。進(jìn)入21世紀(jì),熱學(xué)仍然活躍在各個前沿領(lǐng)域,從液氦制冷機(jī)到核裂變反應(yīng)堆,從計算機(jī)cPu芯片制造到外太空探索……繼續(xù)推進(jìn)人類的福祉和發(fā)展。熱學(xué)的發(fā)展史一再驗證,熱學(xué)是一門需要綜合運用宏觀與微觀視角的學(xué)科,非如此不能夠透過紛繁復(fù)雜的熱現(xiàn)象抓住其本質(zhì)。正如黃昆先生所言,“宏微交替,物窮其理”——這種宏微交替的科學(xué)思維方式和研究方法,在其他學(xué)科中是罕見的。因此,不管是從認(rèn)識、理解物質(zhì)世界運行規(guī)律并以之為人類造福的角度,還是從培養(yǎng)嚴(yán)格、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維方式的角度,熱學(xué)都是一門極其重要的學(xué)科。
熱學(xué)是科學(xué)的范本。從第一次工業(yè)革命,到第二次工業(yè)革命,到第三次工業(yè)革命,人類社會的發(fā)展進(jìn)步對科學(xué)的依賴日益深重?茖W(xué)是人類認(rèn)識世界的一種方式。由科學(xué)發(fā)現(xiàn)所累積起來的知識,是人類迄今為止所獲得的最可靠的知識。那么,科學(xué)的特征是什么?換言之,科學(xué)的目的是什么?科學(xué)的精神在于何處?科學(xué)的方法包含哪些?這些基本問題都可以在熱學(xué)這門學(xué)科中找到答案。
首先,科學(xué)的目的是求真,即尋找和發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,人類可以運用客觀規(guī)律理解世界萬象背后的本質(zhì),也可以利用這些規(guī)律為社會謀福利。例如,在熱學(xué)發(fā)展過程中,對于熱的本質(zhì),19世紀(jì)的科學(xué)家們一度有錯誤的認(rèn)識,認(rèn)為熱來自于“熱質(zhì)”,它是一種神秘的氣體,看不見摸不著,但可以穿透固體和液體的縫隙在物質(zhì)之間交換。對于熱的本質(zhì)的執(zhí)著探求,讓焦耳等在大量實驗的基礎(chǔ)上打破了熱質(zhì)說的錯誤理論,從而建立起熱力學(xué)第一定律,即能量守恒與轉(zhuǎn)化定律(見2。2節(jié))。實踐證明,這是具有最廣泛普適性的規(guī)律,人類從此有了一個非常強(qiáng)大的理論工具,可以用于分析一切物質(zhì)的一切狀態(tài)與一切過程。與熱力學(xué)第一定律一樣,熱力學(xué)的其他基本定律也建立在廣泛的實驗基礎(chǔ)之上,是普適性極強(qiáng)的客觀規(guī)律。因此愛因斯坦博士曾言,“(經(jīng)典熱力學(xué))是具有普遍內(nèi)容的、唯一的物理理論。我深信。在其基本概念適用的范圍內(nèi)是絕不會被推翻的”。自這些客觀規(guī)律被發(fā)現(xiàn)以來,科學(xué)家與工程師們就一直在運用它們?yōu)槿祟惙⻊?wù),例如內(nèi)燃機(jī)(見2。8節(jié))就是在熱力學(xué)理論,特別是卡諾熱機(jī)理論的指引下發(fā)明的,有了這個強(qiáng)大的動力心臟之后,才出現(xiàn)了汽車、飛機(jī)等現(xiàn)代交通工具。
目錄
前言
第1章 基本概念與定義 1
1.1 基本概念 1
1.2 熱力學(xué)第零定律與溫度 5
1.3 理想氣體的物態(tài)方程 10
1.4 解題技巧 12
思考題 15
習(xí)題 16
第2章 熱力學(xué)第一定律 18
2.1 功 18
2.2 熱功當(dāng)量 21
2.3 熱力學(xué)第一定律 23
2.4 熱容、內(nèi)能與焓 25
2.5 氣體的內(nèi)能 焦耳實驗與焦耳-湯姆孫實驗 28
2.6 熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用 31
2.7 循環(huán)過程與卡諾循環(huán) 42
2.8 內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)* 49
思考題 55
習(xí)題 57
第3章 熱力學(xué)第二定律和第三定律 62
3.1 可逆過程與不可逆過程 62
3.2 熱力學(xué)第二定律 65
3.3 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義 68
3.4 卡諾定理 71
3.5 熱力學(xué)溫標(biāo) 73
3.6 克勞修斯等式和不等式* 75
3.7 熵和熵增原理* 77
3.8 熵和可用能* 79
3.9 熵變的計算* 80
3.10 理想氣體的熵* 86
3.11 熵的統(tǒng)計意義* 88
3.12 熱力學(xué)第三定律* 91
思考題 92
習(xí)題 93
第4章 氣體動理論的基本概念 98
4.1 物質(zhì)的微觀模型 98
4.2 分子力 101
4.3 理想氣體的微觀模型 106
4.4 理想氣體的壓強(qiáng) 107
4.5 溫度的微觀解釋 112
思考題 115
習(xí)題 116
第5章 平衡態(tài)統(tǒng)計分布的初級理論 118
5.1 統(tǒng)計規(guī)律的基本知識 118
5.2 氣體分子的麥克斯韋速度分布律 122
5.3 玻爾茲曼密度分布律 139
5.4 能量按自由度均分定理與熱容 142
思考題 149
習(xí)題 150
第6章 近平衡態(tài)輸運過程 153
6.1 氣體分子的平均自由程 153
6.2 輸運過程的宏觀規(guī)律 160
6.3 輸運過程的微觀解釋 167
6.4 稀薄氣體中的輸運過程 173
思考題 174
習(xí)題 174
第7章 簡單系統(tǒng) 177
7.1 物態(tài)定理與簡單系統(tǒng) 177
7.2 相變與相圖 180
7.3 實際氣體的微觀模型與范氏方程 183
7.4 范氏氣體的性質(zhì) 189
7.5 范氏氣體的氣液相變* 192
7.6 實際氣體的其他物態(tài)方程* 194
7.7 固體的性質(zhì) 197
7.8 液體的性質(zhì)* 207
思考題 218
習(xí)題 219
常用物理學(xué)常量表 221
參考書目 222
索引 223
習(xí)題答案 226