“不引起其他变化”的条件。 如果没有这个条件，热量就可以从低温物体传递到高温物体。 二、热力学第二定律的两个表达式 1、开尔文表达式：不可能从单一热源吸收热量，使其完全转化为有用功而不引起其他变化。 开尔文表达式也可以简单地描述为功不可逆地转变为热量，否则第二种永动机是不可能的。 “不引起其他变化”是条件。 如果没有这个条件，热量就可以全部转化为功。 这种永动机并不违反热力学第一定律。 它可以利用大气或海洋作为单一热源，可以吸收几乎取之不竭的热量而做功。 2.克劳修斯指出：不可以将热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。 克劳修斯表达式的等价表达是：热传递是不可逆的。 热力学第二定律的本质是指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。 热力学第二定律可以用多种方式表达，但可以证明这些表达式是等价的。 自然过程的不可逆转性导致树叶永远掉落，水也无法回收； 欲复兴，难矣；欲复兴，难矣。 若欲破镜热力学 物理学家，无缘重逢；若欲破镜，无缘重逢； 人生容易老去，返老还童只是幻想； 生米和熟米没有办法恢复。 大多数自然现象、历史和人类都是不可逆转的。 生态环境的变化是不可逆转的。 本课小结： 1.复习了正向循环（热机循环）和反向循环（冰箱循环）的概念； 2.讨论了热力学第二定律的两种表达式； 3.采用反证法证明了热力学第二定律两个表达式的等价性； 4、阐明了热力学第二定律的本质。
家庭作业：1.5； 1.6； 1.7. §1.6 卡诺定理的应用 1. 热力学温标可逆卡诺循环的热机效率与工质特性无关。 当该循环在具有经验温度 t1 和 t2 的两个热源之间工作时 当该循环在具有经验温度 t2 和 t3 的两个热源之间工作时。 当循环在经验温度为t1和t3的两个热源之间工作时，函数的形式与温标的选择有关。 现在选择一个温标。 ，来表示温标测量的温度，并以纯水的三相点为标准温度点，严格定义其温度为273.16K ** 热力学与统计物理讲师：范建中 主要参考书目及文献1.马本坤等，《热力学与统计物理》，高等教育出版社，1980年9月第1版。 2. 王志成，《热力学与统计物理》，高等教育出版社，2003年3月第3版。 3. 彭匡鼎，李相如等.，热力学与统计物理实例与练习，高等教育出版社，第1版，1989年8月。 4. 苗胜清，王碧和，热力学与统计物理，安徽教育出版社，1986年7月第1版。 5. 李红银等。 ，《热力学与统计物理》，河南大学出版社，1988年7月第1版。 6. F.瑞福着，周世勋等译，《统计物理》，科学出版社，1979年9月第1版。 7. Л.Д 撰写。 和EM ，杨训凯译，《统计物理》，人民教育出版社，1964年7月，第一版。 8. W. 、L. Ness、H. Stork，《热力学与统计物理》，北京大学出版社，第 1 版，2001 年 12 月。 9. 冯宇光等，《热力学与统计物理概论》，中国科学技术出版社，第 1 版，1993 年 6 月版。 10. 范建忠，《热力学与统计物理》，科技文献出版社，2005年7月。第一版简介。 热力学是研究热现象的宏观理论。 它不涉及物质的微观结构，而是从能量的转化开始。 以大量实践总结出的若干基本宏观规律为基础，运用严格的逻辑推理而形成的一整套热现象理论。
正如伟大的物理学家爱因斯坦所指出的：“热力学使用的是分析方法，而不是合成方法。构成其基础和起点的元素不是用假设构建的，而是在经验中发现的。它们是自然过程的普遍特征。” ，即原理。 “统计物理学是研究热运动的微观理论。 它从物质的微观结构出发，以微观粒子所遵循的力学定律为基础，然后利用概率统计的方法进行计算。 系统的宏观性质及其变化规律。 诺贝尔奖获得者中国物理学家李政道认为：“统计物理学是理论物理学中最完美的学科之一，因为它的基本假设很简单，但它的应用却很广泛。物理学研究的目的是探索自然的基本原理，这基本原理简单，其数学表达不一定复杂，但其研究领域一定很广泛，而统计物理就具备这个特点。” 第一章热力学基本定律§1.1 热力学。 基本概念一：热力学系统与外部世界热力学的研究对象称为热力学系统，简称系统。 它是由大量微观粒子（可以是原子、分子、电子，也可以是场等特殊物质）组成的有限的宏观物体。 它的特点是时间和空间的宏观尺度以及巨大的自由度。
根据系统各部分的物理、化学等性质是否均匀，可将系统分为均匀系统和非均匀系统两类。 与系统互连的所有周围对象或对象组称为系统的外部世界，或简称为外部世界。 外界可以概括为对所研究的系统施加的一定的外部条件（如压力、温度、电磁场等），外界对系统的影响可以用外部条件来表示。 1、孤立系统：不与外界交互的系统称为孤立系统。 此时系统与外界既没有能量也没有物质交换。 2、封闭系统：不与外界交换物质但进行能量交换的系统称为封闭系统。 3、开放系统：不与外界进行物质和能量交换的系统称为封闭系统，简称开放系统。 热力学系统的状态由表征系统宏观物理性质的宏观参数来描述。 这种用宏观参数描述的状态称为热力学状态或宏观状态，相应的宏观参数称为状态参数。 热力学系统的宏观状态完全由一些独立的物理量决定。 系统的状态可以通过这些物理量的连续函数来描述，例如简单系统的自由能F(T,V)。 当系统的温度T和体积V确定后，系统的状态就完全确定了。 状态参数可分为内部参数和外部参数。 内部参数代表系统的内部状态。 例如物理资源网，气体的温度、密度、介质的极化强度等都是内参； 外部参数代表系统外部世界的状态，或者是施加在系统上的外部条件，例如容器的体积以及作用在系统上的电场和磁场的强度等，它们都是外部的参数。
状态参数根据与系统质量的关系也可分为广延量和强度量两类。 在同一状态下，与系统质量成正比的状态参数称为广延量，如粒子数、体积、内能等； 与系统质量无关的状态参数称为强度量，如温度、压力、密度等。两个热力学系统的状态描述了三种平衡态和非平衡态。 孤立系统所达到的不再随时间变化的状态称为热力学平衡状态，简称平衡状态。 不满足上述条件的状态称为非平衡状态。 热力学平衡状态具有以下特点： 1、当系统处于平衡状态时，虽然其宏观性质不再随时间变化，但组成系统的大量微观粒子仍然在不断运动。 这只是这些微观粒子运动的平均效果。 只是没有改变。 因此，热力学平衡状态是一种动态平衡，通常称为热力学平衡。 2、均衡是一个理想化的概念，是一定条件下对实际情况的抽象和概括。 例如，在短时间内，状态变化极其缓慢的系统状态可以视为平衡状态。 当系统处于非平衡状态时，可以采用局部平衡法来近似，即将系统划分为许多更小的部分，每个部分本身近似处于平衡状态。 3、在平衡状态下，系统的宏观量的值仍然会波动。 但对于宏观系统来说，波动极小，一般情况下可以忽略不计。 4、当系统处于热力学平衡时，系统的宏观状态不随时间变化，系统内部不发生宏观物理过程（如热传导、扩散等）。
对于封闭系统和开放系统来说，只要有不断的外部作用，系统在一定时间后就能达到其宏观性质不随时间变化，但系统内部仍然存在宏观物理过程的状态。 系统的这种状态不是平衡状态，而是稳定状态。 5、孤立系统从某种非平衡状态开始，直到达到孤立系统应有的平衡状态所需的时间称为弛豫时间，用符号τ表示。 其长度由系统的性质和弛豫机制决定。 非平衡态可分为近平衡态和远平衡态两种非平衡态。 前者称为线性非平衡状态，其变化趋于平衡。 这是一般热力学中讨论的非平衡问题。 后者称为非线性非平衡态，由于远离平衡态而形成新的结构，即耗散结构。 这是比利时布鲁塞尔学派的普里戈金于1969年提出的新概念。 6、当系统处于平衡状态时，系统具有一定的状态参数，宏观上它们处处相同，不发生宏观物理过程（仅存在是热运动）； 当系统处于非平衡状态时，系统没有确定的状态参数，宏观上处处不同，发生宏观物理过程（定向输运过程）； 当系统处于稳定状态时，系统有确定的状态参数，宏观上各处不同，发生宏观物理过程（定向输运过程）； 在一定的平衡状态下，描述热力学系统宏观性质的状态参数所满足的函数关系，称为状态方程。
①理想气体的状态方程pV=nRT 其中n为理想气体的摩尔数，R为通用气体常数，R=8.31 J/K﹒ mol，NA 是阿伏加德罗常数，k 是玻尔兹曼常数。 ② 范德韦尔斯方程四状态方程 对于气体、液体和各向同性固体等不受外力场影响的均匀系统，状态方程可表示为 f(T, p, V)=0 1. 方程气体的状态方程： ③气体系统较准确的状态方程是Onnes方程，其中A、B、C、D分别称为第一、第二、第三。 ...维里()系数。 当压力趋于零时，上式应过渡到理想气体状态方程，故第一维里系数A=RT。 其他维里系数可以通过实验确定。 这些维里系数是温度的函数，与气体的性质无关。 2、简单固体和液体（均匀、各向同性）的状态方程为V0为压力p=0时的体积，T=T0，T0为常数。 α和κ的值很小，在一定温度范围内可以近似视为常数。 3. 介电固体的状态方程 当均匀的电介质置于电场中时，会发生极化。 极化过程中电介质的体积变化很小。 当温度不太低时，均质电介质的状态方程为： P 为电极化强度，E 为电场强度，a、b 为常数 4、顺磁性固体的状态方程 当顺磁性固体时置于磁场中，会发生磁化。
在通常的实验中，磁化过程是在一个大气压下进行的，因此压力是恒定的，并且只有很小的体积变化。 在高温和弱磁场下，顺磁固体的状态方程为： 式中，m为磁化强度，H为磁场强度，a为与物质有关的常数。 上式也称为居里定律。 5. 物质 与状态方程相关的三个系数是定压膨胀系数、定容压力系数和等温压缩系数，可以从循环关系式中得到[例1]。 分别用实验测得的某种气体体系的等压膨胀系数和等温压缩系数，其中a为常数，求出该气体的状态方程。 【解】以T和P为自变量，则V=V(T,p)。 两边同时乘以p，对两边积分得到方程。 与理想气体状态方程比较，可得 6。热力学过程使系统的状态随时间发生变化。 所经历的变化称为热力学过程，或简称为过程。 1.准静态过程和非静态过程如果过程进行得非常缓慢，使得系统在过程中所经历的每一个状态都可以视为平衡状态，这样的过程称为准静态过程。 反之，如果在过程中系统的平衡状态被破坏到不可忽视的程度，这样的过程称为非静态过程。 通常，准静态过程也称为平衡过程，非静态过程也称为非平衡过程。 无限缓慢进行的过程 (Δt>>τ) 是准静态过程。 2、可逆过程和不可逆过程假设一个系统从状态A经过某个过程P到达状态B，如果我们能找到另一个过程R，它可以将一切恢复到原来的状态（系统和外界都回到原来的状态） ），则过程P称为可逆过程； 反之，如果找不到满足上述条件的过程R，则称过程P为不可逆过程。
无摩擦准静态过程是可逆过程 §1.2 热力学与温度第零定律 如果任意两个系统同时与第三个系统处于热平衡，则这两个系统必定处于热平衡。 这种热平衡的可传递性被称为热力学第零定律。 1.热力学第零定律。 温度是热力学系统的独特状态参数。 2.温度（系统I和II达到热平衡）（系统II和III处于热平衡）（系统I和III处于热平衡）I和II都与III达到热平衡函数。 t代表系统的温度。 温度是表示相互接触的一个系统和另一个系统是否处于热平衡的物理量。 I Ⅱ ⅢⅢⅠ 图1-2 若Ⅰ～Ⅱ且Ⅱ～Ⅲ，则Ⅰ～Ⅲ。 （表示处于热平衡状态，如图1-2） 3、温标和温度计经验温标：摄氏温标（0～100℃）、华氏温标（32～212℉） 理想气体温度标度：纯水的三相点温度规定为Ttr=273.16K。 ptr 表示温度计内气体在三相点的压力。 当温度计内气体的压力为p时，用线性关系规定此时的气体温度是各种气体在压力趋于零的极限条件下所决定的趋势。 一个常见的极限温度，这个极限温标称为理想气体温标。 单位是开尔文，用K表示，其大小与摄氏度相同。 热力学温标是完全独立于任何测温物质和性质的温标。 它是根据热力学第二定律引入的温标。
历史上，是开尔文首先提出的，也称为开尔文温标。 由这个温标确定的温度称为热力学温度，用T表示。理想气体温标的原点（零度）就是热力学温标的原点，称为绝对零。 热力学温度与摄氏温度之间的关系为 §1.3 热力学第一定律 1. 准静态过程中的功表达。 1、体积变化所做的功和外界对系统所做的功为如果过程是准静态的，活塞的摩擦阻力可以忽略不计，那么W的大小就是活塞的面积pV 图上准静态过程曲线下的阴影面积。 系统对外所做的功是。 在非静态过程中，外界对系统所做的功仍然等于外部压力和活塞。 位移的乘积，但是2。液面膜面积变化所做的功如图1-5所示。 将液面膜拉伸在金属框架上。 长度为l的金属丝可以自由移动。 液膜的表面张力系数为σ金属丝。 当dx准静态移动时，外界对液面膜所做的功为3。磁介质被磁化所做的功如图1-6所示。 假设磁介质的长度为l，横截面积为S，匝数为N。 线圈，并且认为磁介质的长度远大于直径。 当接通电源时，当改变电流的大小使磁介质中的磁场发生变化时，线圈中就会产生一个反电动势V，外部电源必须克服这个反电动势才能执行功，可以近似认为介质中的磁场和磁化强度是均匀的。 根据电磁感应定律，安培环路定律中，m为磁化强度，μ0为真空磁导率。 如果以磁介质为研究对象，则在准静态磁化过程中，磁介质上的外磁化功为： 式中，M=Vm 为磁介质的总磁矩。 4、电介质极化所做的功当外电场E使电介质极化时，如图1-7所示，当外电场E使电介质极化时，随着电场E的变化，总电矩电介质的 P 值也会发生变化。 令增量为 dP。 如果仅以电介质作为研究对象，那么外部电场对电介质所做的功就是准静态过程中外界对系统所做的基本功。 一般可以表示为 其中yi 称为决定系统状态（如体积V、面积A、磁矩M、电矩P 等）的广义坐标，Yi 称为对应的广义力yi（如压力-p、表面张力系数σ、磁场强度H、电场强度E等）。 传热：系统与外界之间不做任何宏观功而传递热量的过程 2.热量的表示 热量：热交换过程中系统与外界之间传递的热量 能量的计量： 热容： In在一定过程中，当系统温度升高（或降低）1K时，系统吸收（或释放）的热容量与质量成正比，因此是一个广延量。 热容的单位是定体积热容、定压热容、比热容的计算公式3、内能的表示方法在一个过程中，如果系统状态的变化完全是由于直接的机械或电的作用而没有任何其他作用影响，该过程称为绝热过程。 绝热过程 过程中外界对系统所做的功只与初态和终态有关，而与过程所经过的路径无关。 绝热过程中外界对系统所做的功W用来表示最终状态B与初始状态A之间的状态函数U。其差函数U称为系统的内能。 内能是一个广泛的量。 系统的内能是系统中微观粒子无规则运动的动能与粒子间相互作用的势能之和。 采用局部平衡的方法。 ，内能的概念也可以扩展到非平衡状态的系统。 系统的内能等于各局部子系统的内能之和，可表示为 1. 绝热过程 2. 焦耳实验结论 3. 系统经过初始状态 A 和终态后的内能B给定，可以有无穷多个绝热过程来完成这种状态的变化。 所有这些过程（包括非静态绝热过程）中外界对系统所做的功是相等的。 第一热力学积分定律的公式为4。 热力学第一定律。 如果系统没有经历绝热过程，那么在此过程中外界对系统所做的功不等于内能的增加。 两者之差就是系统吸收的热量，即无穷大。 小型准静态过程中热力学第一定律的微分表达式。 热力学第一定律的微分表达式对于绝热系统和孤立系统有：当孤立系统中发生各种过程时，能量可以在子系统之间传递，但整个孤立系统的内能是守恒的，即能量转换和守恒定律。 当系统经历循环过程时，内能不发生变化。 这意味着系统通过循环过程所做的功等于它吸收的热量。 如果外界没有热量的供应，系统就无法对外做功。 热力学第一定律也可以表达为第一类永动机是不可能制造出来的。 §1.4 热力学第一定律的应用 1. 热容与内能的关系 对于简单的均匀气体系统，在没有外场的情况下，可以用 p、V、T 三个参数来描述状态系统的。 在体积恒定的情况下，dV=0，则有热力学第一定律，加上等压条件dp=0，我们可以得到两个，理想气体的内能1.焦耳定律或著名的自由膨胀焦耳实验将理想气体引入真空，证实对于理想气体，在一定温度范围内，由理想气体状态方程求得，由CV、Cp和γ给出。 它可以被视为一个常数，因此积分得到 3. 理想气体的多边形过程。 当理想气体系统经过一定的过程时，假设其热容为C，由热力学第一定律即可求得。 对理想气体状态方程两边求导，令多边形指数为多边形。 过程方程 = 常数 0 绝热过程 PV = 常数 1 ±∞ 等温过程 0 V = 常数 ±∞ 等容过程 P = 常数 0 等压过程 系统对外界做功 过程方程多项式索引 z 热容量项目 1698 英国 , 独立1705年发明了蒸汽机，主要用于矿井抽水。 当时效率非常低。
1765年，瓦特在修理纽科门蒸汽机的基础上，对蒸汽机进行了重大改进，将凝汽器与汽缸分离，发明了曲轴和齿轮传动装置、离心调速器等，使蒸汽机现代化，大大提高了蒸汽机的效率。 效率使蒸汽机成为当时普遍适合工业生产的通用原动机，但当时的效率只有3%左右。 热机的发明和使用是18世纪中叶开始的第一次工业革命的重要标志之一。 热机的研究促进了热力学的快速发展。 与热力学相关的循环过程的研究是热力学第一定律的辉煌成就。 为了提高热机效率而进行的卡诺循环研究，对于热力学第二定律的建立也起到了关键作用。 热机发展简介 §1.5 热力学第二定律 1. 热机与循环 1. 正向循环：循环过程的方向为顺时针方向。 当系统循环一周时，将从高温热源吸收Q1的热量，并将Q2的热量释放到低温热源。 同时，系统输出的净功为W′=Q1-Q2，其值等于pV图上循环曲线所围成的面积。 正循环可以对外界做正功，是热机的循环。 热机的效率为p VAB 图1-9 系统从初始状态开始，经过一系列中间状态，最后回到初始状态的过程称为循环过程。 如果循环过程是无耗散的准静态过程，则循环过程是可逆的； 如果循环过程是非静态过程或耗散过程，则循环过程是不可逆的。 相应的热机分别称为可逆热机和不可逆热机。 热机是一种能连续地将热能转化为机械能的机器。 0.46 燃气轮机 0.07 热电偶 0.08 蒸汽机车 0.25 汽油机 0.37 柴油机 0.48 液体燃料火箭效率热机 目前蒸汽机主要用于发电厂。
除蒸汽机外，热机还包括内燃机、喷气机等，虽然它们的工作方式和效率不同，但其工作原理基本相同，都是不断地将热量转化为功。 几种设备的效率如下： 循环过程的方向为逆时针方向。 当系统循环一个周期时，会从低温热源吸收热量Q2，并向高温热源释放热量Q1。 同时，系统对外所做的功为W=Q1-Q2，其值等于pV图上循环曲线所围成的面积。 逆循环是外界对系统做正功热力学 物理学家，是冰箱的一个循环。 其循环效率就是冰箱的制冷系数。制冷系数为2，逆循环：冰箱的循环就是冰箱的循环。 其工作原理如图所示。 压缩机冷凝器（减压蒸发）冰柜Q1 Q2 W = Q1-Q2节气门阀烘干机2， Cycle和 1. Cycle可逆 循环是一个循环过程，由两个等温度过程和两个完美的过程组成如图1-12所示。 AB过程是一个等温过程，系统吸收的热量为1）在相同的高温热源和相同的低温热源之间起作用的所有可逆热发动机都具有相同的效率，无论工作实质如何， IS（2）在相同的高温热源和相同的低温热源之间起作用的所有不可逆的热发动机，在相同条件下，加热发动机的效率小于可逆热发动机的效率。 也就是说，定理的提议清楚地表明，理想的热发动机效率的上限不是1，而是理想的热发动机的效率。 ①提高热温发动机温度差的高温和低温热源的效率； ②减少热发动机每个部分的耗散因子。 提高热发动机效率的有效方法是：低温热源的温度无法降低，因此唯一的方法是增加高温热源的温度并减少耗散因子。