熱學(xué)全套課件

引言（Preface）一、熱學(xué)的研究對象(StudyObjectofThermology)熱學(xué)研究物質(zhì)熱運動規(guī)律(ThermalMotion)描述熱運動引入溫度(Temperature)與溫度有關(guān)的現(xiàn)象稱為熱現(xiàn)象(ThermalPhenomenon)熱現(xiàn)象是自然界的一種普遍現(xiàn)象宏觀物體由大量微觀粒子組成;微觀粒子處在永恆的混亂運動之中。實驗表明：分子運動的激烈程度與溫度有關(guān)，大量分子的無規(guī)則運動稱為熱運動。熱運動是熱現(xiàn)象的微觀實質(zhì)。熱現(xiàn)象是熱運動的宏觀表現(xiàn)。熱運動在本質(zhì)上不同於機械運動。熱現(xiàn)象━隨機現(xiàn)象隨機事件隨機現(xiàn)象所具有的規(guī)律：1、每一個隨機事件出現(xiàn)的幾率都是一定的。以擲骰子為例．出現(xiàn)i點這個隨機事件的幾率２、大量無規(guī)律量的統(tǒng)計平均值是一定的。偶然性中存在著必然性仍以擲骰子為例，平均一次擲出的點數(shù)隨機現(xiàn)象所具有的這兩個規(guī)律稱為統(tǒng)計規(guī)律。熱運動—隨機現(xiàn)象—統(tǒng)計規(guī)律熱運動的基本特徵：1、遵循統(tǒng)計規(guī)律２．分子運動混亂無序概括：研究熱運動規(guī)律二、熱學(xué)的研究方法(StudyMethodsofThermology)宏觀方法微觀方法宏觀理論微觀理論熱力學(xué)統(tǒng)計物理學(xué)出發(fā)點：實驗定律物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)宏觀方法的實質(zhì)：用能量轉(zhuǎn)化的觀點研究熱現(xiàn)象微觀方法的實質(zhì)：視宏觀性質(zhì)為大量微觀粒子運動的平均效果，視宏觀物理量為相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計平均值一般說來，熱力學(xué)主要包括以下幾個大的方面：1、熱力學(xué)基本定律２．熱力學(xué)函數(shù)及其應(yīng)用３．相平衡與化學(xué)平衡統(tǒng)計物理主要包括以下三個方面：1、分子動理論2、統(tǒng)計力學(xué)３．漲落理論三、熱學(xué)的理論架構(gòu)

第一章溫度§1.1熱學(xué)基本概念§1.2熱力學(xué)第零定律溫度§1.3溫標(biāo)§1.4氣體的狀態(tài)方程

第一章溫度(Temperature)

§1.1熱學(xué)基本概念（theBasicConceptsofThermology）

教學(xué)設(shè)計

一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的

教學(xué)內(nèi)容：

1、系統(tǒng)與外界

①熱力學(xué)系統(tǒng)②系統(tǒng)的外界③孤立系統(tǒng)④封閉系統(tǒng)⑤開放系統(tǒng)2、平衡態(tài)3、狀態(tài)參量4、相5、系統(tǒng)與外界相互作用的方式教學(xué)目的：1、培養(yǎng)邏輯思維能力2、培養(yǎng)歸納、總結(jié)、概括能力3、培養(yǎng)分析問題、提出問題的能力4、培養(yǎng)辨證思維能力二、教學(xué)要求1、理解熱力學(xué)系統(tǒng)的兩個特點2、理解系統(tǒng)的外界在熱力學(xué)研究中的重要性3、瞭解熱學(xué)中的平衡態(tài)與力學(xué)中的平衡態(tài)概念的差異4、掌握強度量與廣延量的概念5、理解狀態(tài)參量是熱力學(xué)座標(biāo)6、瞭解相的概念7、瞭解系統(tǒng)與外界相互作用的方式三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、教學(xué)重點與難點1、重點：熱力學(xué)系統(tǒng)的特點，平衡態(tài)概念2、難點：平衡態(tài)——動態(tài)平衡，相●●●●●●●●第一章溫度(Temperature)§1.1熱學(xué)基本概念（theBasicConceptsofThermology）一、系統(tǒng)與外界(SystemandSurrounding)１．熱力學(xué)系統(tǒng)(ThermodynamicSystem)大量微觀粒子組成的宏觀物體這種被研究的客體稱為熱力學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)系統(tǒng)特點：具有宏觀的時空尺度具有極大數(shù)目的力學(xué)自由度２．系統(tǒng)的外界(SurroundingofSystem)與熱力學(xué)系統(tǒng)相互作用著的周圍環(huán)境稱為系統(tǒng)的外界。思考題：為什麼在熱學(xué)中要特別地提出系統(tǒng)的外界？３．孤立系統(tǒng)(IsolatedSystem)４．封閉系統(tǒng)(ClosedSystem)５．開放系統(tǒng)(OpeningSystem)二、平衡態(tài)系統(tǒng)不受外界影響，宏觀性質(zhì)不隨時間變化思考題：下圖中的這一金屬棒是否處於平衡態(tài)？三、狀態(tài)參量

化學(xué)純氣體，m一定，混合氣體，p,V,純熱學(xué)量—溫度純熱學(xué)量—溫度

四、相(Phase)當(dāng)系統(tǒng)中某一部分物質(zhì)具有相同的組成，相同的物理和化學(xué)性質(zhì)時，把這一均勻的部分稱為一個相。均勻系單相系當(dāng)系統(tǒng)中各部分物質(zhì)有所差別，並有邊界可分時，稱它為複相系.一個複相系可以分為若干個均勻的部分，每一個均勻的部分稱為一個相。

對於複相系，其中每一個相都要用上述四類狀態(tài)參量來描述，但當(dāng)整個複相系達到平衡時，描述各相的狀態(tài)參量不是完全獨立的，它們之間要滿足一些關(guān)係，這些關(guān)系稱為平衡條件。若一複相系=一均勻系＋另一均勻系，則力學(xué)平衡條件達到平衡的條件五、系統(tǒng)與外界相互作用的方式

(MethodofInterreactionbetweenSystemandSurrounding)1.力學(xué)的或機械的相互作用2.熱的相互作用3.物質(zhì)轉(zhuǎn)移的相互作用

§1.2熱力學(xué)第零定律溫度(theZerothLawofThermodynamics)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、熱平衡2、熱力學(xué)第零定律溫度教學(xué)目的：1、培養(yǎng)由實驗事實總結(jié)、概括出物理規(guī)律的能力。2、培養(yǎng)抽象思維能力。3、滲透現(xiàn)代物理學(xué)知識——對稱性原理，引導(dǎo)學(xué)生用對稱性原理重新審視熱力學(xué)第零定律。4、滲透物理美學(xué)思想，引導(dǎo)學(xué)生挖掘熱力學(xué)第零定律蘊涵的科學(xué)美學(xué)思想。5、培養(yǎng)以創(chuàng)新為目的的學(xué)習(xí)習(xí)慣。6、培養(yǎng)書面語言表達能力。二、教學(xué)要求掌握熱力學(xué)第零定律及溫度的科學(xué)定義。三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力知識載體，研究性課題熱力學(xué)第零定律的對稱性問題五、課程論文題目熱力學(xué)第零定律的對稱性六、教學(xué)重點、難點1、重點：熱力學(xué)第零定律2、難點：溫度的科學(xué)定義●●●●●●§1.2熱力學(xué)第零定律溫度(theZerothLawofThermodynamics)一、熱平衡(ThermalEquibibrium)絕熱壁透熱壁熱接觸熱平衡二、熱力學(xué)第零定律溫度(theZerothLawofThermodynamicsTemperature)（ThermalEquilibriumLaw）實驗事實：結(jié)論：如果兩個系統(tǒng)各自與第三個系統(tǒng)的同一熱狀態(tài)達到熱平衡，則這兩個系統(tǒng)彼此也必定處於熱平衡。這個事實稱作熱力學(xué)第零定律。

熱力學(xué)第零定律只能說明物體之間是否達到了熱平衡，即物體的溫度是否相同，它不能比較尚未達到熱平衡的物體的溫度的高低。溫度的數(shù)值表示法稱為溫標(biāo)

思考題：1、熱力學(xué)第零定律是不是邏輯推理的結(jié)果？2、熱力學(xué)第零定律是否反映了在某種意義下的某種對稱性?

§1.3溫標(biāo)

(TemperatureScale)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、經(jīng)驗溫標(biāo)①華氏溫標(biāo)②攝氏溫標(biāo)2、理想氣體溫標(biāo)3、熱力學(xué)溫標(biāo)4、國際實用溫標(biāo)5、各種溫標(biāo)間的關(guān)係教學(xué)目的：1、讓學(xué)生感悟溫標(biāo)概念不斷發(fā)展完善的歷程，培養(yǎng)科學(xué)思維方法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)家不斷探索，勇於進取的精神。2、培養(yǎng)類比思維能力。3、培養(yǎng)邏輯思維能力。4、培養(yǎng)綜合分析論述能力。5、培養(yǎng)書面語言表達能力。二、教學(xué)要求掌握經(jīng)驗溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)，瞭解熱力學(xué)溫標(biāo)。三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、培養(yǎng)綜合分析論述能力的知識載體，研究性學(xué)習(xí)課題溫標(biāo)的建立過程五、課程論文題目溫標(biāo)六、教學(xué)重點、難點1、重點：攝氏溫標(biāo)、理想氣體溫標(biāo)

2、難點：極限溫標(biāo)●●●●●●

§1.3溫標(biāo)

(TemperatureScale)一、經(jīng)驗溫標(biāo)(ExperienceTemperatureScale)三要素a)測溫物質(zhì)和測溫屬性b)定標(biāo)點c)標(biāo)度法兩種常用的經(jīng)驗溫標(biāo)：1.華氏溫標(biāo)1714年，華侖海脫測溫物質(zhì)：水銀測溫屬性：水銀柱長度X定標(biāo)點：水的冰點：32°F水的沸點：212°F變化關(guān)係：2.攝氏溫標(biāo)1742年，攝爾西斯圖1-1為攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)的關(guān)係。圖1-2表明經(jīng)驗溫標(biāo)有賴於測溫物質(zhì)。百分度溫標(biāo)：二、理想氣體溫標(biāo)(Ideal-gasTemperatureScale)定容氣體溫標(biāo)測溫物質(zhì)：氣體測溫屬性：氣體壓強固定點：水的三相點關(guān)系：假設(shè)當(dāng)時，則定壓氣體溫標(biāo)：實驗發(fā)現(xiàn)：理想氣體溫標(biāo)——極限溫標(biāo)三、熱力學(xué)溫標(biāo)(ThermodynamicsTemperatureScale)四、各種溫標(biāo)間的關(guān)係

(theRelationbetweenVariousTemeratureScales)1960年，國際計量大會規(guī)定攝氏溫標(biāo)由熱力學(xué)溫標(biāo)導(dǎo)出

§1.4氣體的狀態(tài)方程（GasStateEquation）教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、理想氣體狀態(tài)方程2、普適氣體常數(shù)3、道耳頓分壓定律4、混合理想氣體狀態(tài)方程教學(xué)目的：1、培養(yǎng)綜合運用知識能力。2、培養(yǎng)邏輯思維能力。3、培養(yǎng)獨立分析問題、解決問題與提出問題的能力。4、培養(yǎng)類比思維能力。二、教學(xué)要求1、掌握理想氣體狀態(tài)方程及混合理想氣體狀態(tài)方程的推導(dǎo)過程。2、掌握普適氣體常數(shù)的三種不同量綱表示法。3、能綜合運用所學(xué)知識求解各種理想氣體問題。三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、教學(xué)重點和難點1、教學(xué)重點：理想氣體狀態(tài)方程、普適氣體常數(shù)2、教學(xué)難點：推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程●●●●●●

§1.4氣體的狀態(tài)方程（GasStateEquation）狀態(tài)方程：溫度與狀態(tài)參量之間的函數(shù)關(guān)係。簡單熱力學(xué)系統(tǒng)物態(tài)方程的一般形式:三個氣體實驗定律：玻意耳—馬略特定律蓋·呂薩克定律查理定律其中思考題：如果p,v,T同時變化，將服從什麼規(guī)律？一、理想氣體狀態(tài)方程(Ideal-gasStateEquation)?！R定律

又設(shè)用定壓氣體溫度計測溫據(jù)定壓氣體溫標(biāo)公式有將玻—馬定律代入上式，得從而有將C代回?！R定律，得據(jù)阿伏伽德羅定律當(dāng)p→0時，在同溫同壓下1摩爾的任何氣體所占的體積都相同，即都相同，因此對各種氣體都一樣，是普適氣體常數(shù)，理想氣體狀態(tài)方程二、普適氣體常數(shù)(UniversalGasConstant)思考題：R是宏觀常數(shù)還是微觀常數(shù)？三、道耳頓分壓定律(Dalton'sPartialPressureLaw)四、混合理想氣體狀態(tài)方程(MixtdIdealStateEquation)因此

第二章分子動理論的平衡態(tài)理論§2.1分子動理論的基本觀點§2.2概率論的基本知識§2.3理想氣體的壓強§2.4溫度的微觀解釋§2.5麥克斯韋速度分佈律§2.6玻耳茲曼分佈律§2.7能量按自由度均分定理§2.8理想氣體的內(nèi)能與熱容量§2.9分子力§2.10實際氣體與範(fàn)德瓦耳斯方程

第二章分子動理論的平衡態(tài)理論

(EquilibriumsTheoryofMoleculeMotionTheory)

§2.1分子動理論的基本觀點教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、歷史的回顧2、分子動理論的基本觀點教學(xué)目的：1、培養(yǎng)抽象思維能力2、培養(yǎng)意志品質(zhì)3、培養(yǎng)綜合分析論述能力4、培養(yǎng)書面語言表達能力二、教學(xué)要求1、瞭解分子動理論形成的歷史2、掌握分子動理論的三個基本觀點三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、課程論文題目1、分子動理論的建立2、阿伏伽德羅與阿伏伽德羅分子學(xué)說3、愛因斯坦與值4、皮爾與皮爾的實驗●●●●●●第二章分子動理論的平衡態(tài)理論

(EquilibriumsTheoryofMoleculeMotionTheory)

§2.1分子動理論的基本觀點一、歷史的回顧(LookingBacktheHistory)1、分子動理論的早期思想17世紀(jì),物質(zhì)原子論復(fù)興,分子動理論初步發(fā)展,定性的，新領(lǐng)域。

1638年，伽桑狄，古代原子論1661年，玻意耳，物質(zhì)微粒1678年，胡克，空氣由粒子組成牛頓，原子論者，平方反比力→玻意耳定律1738年，伯努利，《流體動力學(xué)》→壓強的微觀機制18世紀(jì)中葉以後，熱質(zhì)說2、阿伏伽德羅分子學(xué)說19世紀(jì)初，分子概念，化學(xué)領(lǐng)域

1811年，阿伏伽德羅假說：在同溫同壓下同體積的氣體中的有相同數(shù)目的分子。3、洛喜密脫的理論計算

1865年4、愛因斯坦的貢獻1905年，分析布朗運動

1827年，布朗，英國植物學(xué)家布朗運動是分子運動所造成的

1905年，1906年，論文碰撞暫態(tài)運動無法觀測，可觀測宏觀短時間內(nèi)平均運動。布朗運動的愛因斯坦公式測出布朗粒子位移平方的平均值→算出值5、皮爾的實驗1908~1909年，皮爾測值，1926年獲諾貝爾獎。粒子數(shù)13.00017.000

半徑差別近50倍實驗溫度-9℃~58℃

液體粘滯係數(shù)差別250倍二、分子動理論的基本觀點

(theBasicViewofMoleculeMotionTheory)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的三個基本事實

分子動理論的三個基本觀點1、宏觀物體由大量原子或分子構(gòu)成，原子或分子之間有空隙。

2、分子作永恆的無規(guī)則運動，運動的劇烈程度與物體的溫度有關(guān)。3、分子間有相互作用力

§2.2概率論的基本知識(thebasicknowledgeofprobability)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、伽爾頓板實驗2、等概率性與概率的基本性質(zhì)

3、平均值及其運算法則

4、均方偏差

5、概率分佈函數(shù)教學(xué)目的：1、培養(yǎng)形象思維能力2、使學(xué)生懂得隨機事件遵循統(tǒng)計規(guī)律，為學(xué)生更好地接受熱運動的統(tǒng)計規(guī)律打基礎(chǔ)。3、使學(xué)生認(rèn)識幾率的性質(zhì)二、教學(xué)要求1、理解等幾率原理2、掌握求統(tǒng)計平均值的方法3、理解概率分佈函數(shù)的意義三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、教學(xué)重點、難點1、重點：平均值及其運算法則2、難點：等幾率原理●●●●●●

§2.2概率論的基本知識(thebasicknowledgeofprobability)一、伽爾頓板實驗概率統(tǒng)計的最直觀的演示是伽爾頓板實驗,如下圖所示。因為無法使小球落入漏斗內(nèi)的初始狀態(tài)完全相同。因而小球進入那一小槽完全是隨機的。只要小球總數(shù)足夠多（N

∞），則每一小槽內(nèi)都有小球落入，且第個槽內(nèi)小球數(shù)

與小球總數(shù)N（N=∑Ni）之比有一定的分佈。若板中各釘子是等距離配置的，則其分佈曲線是對稱的,如下圖所示。重複實驗N次,（N

∞），其分佈曲線都相同。由此可見，雖然各小球在與任一釘子碰撞後向左還是向右運動都是隨機的，由很多偶然因素決定，但最終大量小球的總體在各槽內(nèi)的分佈卻有一定的分佈規(guī)律，這種規(guī)律由統(tǒng)計相關(guān)性所決定。二、等概率性與概率的基本性質(zhì)

1、概率的定義

在一定條件下，如果某一現(xiàn)象或某一事件可能發(fā)生也可能不發(fā)生，就稱為隨機事件。

倒如擲骰子哪一面朝上完全是隨機的，受到許多不能確定的偶然因素的影響。若在相同條件下重複進行同一個試驗（如擲骰子），在總次數(shù)N足夠多的情況下（即N

∞），出現(xiàn)某一事件（如哪一面向上）的次數(shù)的百分比即為該事件出現(xiàn)的概率2、等概率性在擲骰子時，一般認(rèn)為出現(xiàn)每一面向上的概率是相等的。但是若在某一面上鑽個小孔，在小孔中塞進些鉛，然後再封上，那一面向上的概率必然不相等。由此可總結(jié)出一條基本原理：等概率性——在沒有理由說明哪一事件出現(xiàn)概率更大些（或更小些）情況下，每一事件出現(xiàn)的概率都應(yīng)相等。3、概率的基本性質(zhì)（1）n個互相排斥事件發(fā)生的總概率是每個事件發(fā)生概率之和，簡稱概率相加法則。所謂n個互相排斥（簡稱互斥）的事件是指，出現(xiàn)事件1，就不可能同時出現(xiàn)事件2，3…n，同樣對2，3…n事件也是如此。（2）同時或依次發(fā)生的，互不相關(guān)（或相互統(tǒng)計獨立）的事件發(fā)生的概率等於各個事件概率之乘積，簡稱概率相乘法則。什麼是統(tǒng)計獨立?例如:把一個骰子連續(xù)擲兩次，若骰子擲第二次出現(xiàn)的概率與第一次擲過否，第一次出現(xiàn)的哪一面向上都無關(guān)，我們就說連續(xù)兩次擲骰子是統(tǒng)計獨立的。若骰子是剛性的，且每一面向上的概率都是(1/6)，連續(xù)擲兩次出現(xiàn)的花樣為11，12，……65，66共36種花樣。顯然這36種花樣也是等概率的，故連續(xù)擲兩次均出現(xiàn)“1”的概率是三、平均值及其運算法則

統(tǒng)計分佈的最直接的應(yīng)用是求平均值。以求平均年齡為例，N個人的年齡平均值就是N個人的年齡之和除以總?cè)藬?shù)N。求年齡之和可以將人按年齡分組，設(shè)為隨機變數(shù)（例如年齡），其中出現(xiàn)（年齡）值的次（或人）數(shù)為，值的次（或人）數(shù)為……，則該隨機變數(shù)（年齡）的平均值為因為是出現(xiàn)

值的百分比，當(dāng)N

時該百分比就是出現(xiàn)值的概率

，故這兩個式的不同是，上式是通過隨機變數(shù)的和（即求和式）來求平均值的，而下式是利用概率分佈來求平均值的。利用下式可把求平均值的方法推廣到較為複雜的情況，從而得到如下的平均值的運算公式平均值的性質(zhì):設(shè)f（u）是隨機變數(shù)u的函數(shù)，則⑴⑵

若C為常數(shù)，則

(3)若隨機變數(shù)u和隨機變數(shù)v相互統(tǒng)計獨立。又f(u)是u

的某一函數(shù)，g（v）是v的另一函數(shù)，則

應(yīng)該注意到，以上討論的各種概率都是歸一化的，即四、均方偏差

隨機變數(shù)會偏離平均值，即

其偏離值的平均值為零，但均方偏差不為零。定義相對均方根偏差當(dāng)所有值都等於相同值時，可見相對均方根偏差表示了隨機變數(shù)在平均值附近分散開的程度，也稱為漲落、散度或散差。五、概率分佈函數(shù)上面所討論的隨機變數(shù)只能取分立的，或稱離散的數(shù)值。實際上有很多變數(shù)是連續(xù)變化的，例如粒子的空間位置或粒子的速率。在隨機變數(shù)取連續(xù)值時，上述求平均值公式中也是連續(xù)分佈的。但是因為測量儀器總有一定誤差，在測量分子速率時，我們測不出分子速率恰好為100m/s的分子數(shù)是多少。若儀器的誤差範(fàn)圍為1m/s，則我們只能測出分子速率從99.5m/s到100.5m/s的分子數(shù)是多少。我們也不能講分子速率恰好處於100m/s的概率，而只能講分子速率介於某一範(fàn)圍（例如99m/s到101m/s）內(nèi)的概率。為了對連續(xù)變數(shù)的概率分佈瞭解得更清楚，下麵舉一個有關(guān)打靶試驗的例子。子彈沿靶板的分佈實驗:下圖是用直角坐標(biāo)表示靶板上靶點的分佈。把靶平面劃分出很多寬為的窄條，的寬度比黑點的大小要大得多。數(shù)出在到範(fàn)圍窄條內(nèi)的黑點數(shù)，把它除以靶板上總的黑點數(shù)N，則其百分比

N/N就是黑點處於到

範(fàn)圍內(nèi)這一窄條的概率。然後以為縱坐標(biāo)，以

為橫坐標(biāo)，畫出一根根豎條，每根豎條的寬度為。豎條面積才是粒子數(shù)所占的百分比，即概率。若令

0，就得到一條連續(xù)曲線，這時的縱坐標(biāo)稱為黑點沿方向分佈的概率密度，表示黑點沿方向的相對密集程度f（x）dx表示黑點的位置處於x到x+dx範(fàn)圍內(nèi)的概率。這就是曲線中x到x+dx微小線段下的面積。而黑點處於到範(fàn)圍內(nèi)的概率為如果把積分區(qū)域擴展為無窮大這稱為歸一化。

類似地可把靶板沿y方向劃分為若干寬為

y

的窄條,數(shù)出每一窄條中的黑點數(shù)，求出

F(y)=

N/N

y

。並令

y

0,可得到黑點處於y到y(tǒng)+dy範(fàn)圍內(nèi)的概率f（y）dy。顯然，黑點處於x到x+dx，同時處於y到y(tǒng)+dy範(fàn)圍內(nèi)的概率就是下圖中打上斜線的範(fàn)圍內(nèi)的黑點數(shù)與總黑點數(shù)之比。因為這樣的黑點既要處於x到x+dx範(fàn)圍內(nèi)，又要處於y到y(tǒng)+dy範(fàn)圍內(nèi)，這是同時事件。又粒子處於x座標(biāo)與y座標(biāo)是彼此獨立的。按相互獨立事件的概率相乘法則,粒子處於該面積上的概率為f（x）dx·f（y）dy

=f（x，y）dxdyf（x，y）稱為黑點沿平面位置的概率密度分佈函數(shù)，它表示在這一區(qū)域內(nèi)黑點相對密集的程度。

f（x，y）dxdy稱為沿平面位置的概率分佈函數(shù)。

如果要求出處於到、到內(nèi)的概率，只要對x、y積分有了概率分佈函數(shù)就可求平均值。例如，黑點的x方向座標(biāo)的平均值為X的某一函數(shù)F（x）的平均值為

§2.3理想氣體的壓強

(IdealGasPressure)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、理想氣體的微觀模型2、理想氣體的壓強3、討論教學(xué)目的：1、培養(yǎng)抽象思維能力2、培養(yǎng)邏輯思維能力3、培養(yǎng)用分子動理論分析問題、解決問題的能二、教學(xué)要求1、掌握推導(dǎo)理想氣體壓強公式的方法2、掌握求統(tǒng)計平均值的方法3、理解等幾率原理4、掌握用分子動理論研究熱運動的方法三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、教學(xué)重點、難點1、重點：理想氣體壓強公式的推導(dǎo)2、難點：等幾率原理●●●●●●

§2.3理想氣體的壓強

(IdealGasPressure)一、理想氣體的微觀模型(MicroscopicModelofIdealGas)實驗基礎(chǔ)：1、氣體很容易被壓縮2、氣體分子可以到達它所能到達的任何空間。3、平衡態(tài)下，氣體的溫度和壓強都不隨時間改變。理想氣體的微觀模型：1、分子本身的線度與分子之間的距離相比可忽略不計,視分子為沒有體積的質(zhì)點。

2、除碰撞瞬間外，分子之間及分子與器壁之間沒有相互作用力，不計分子所受的重力。

3、分子之間及分子與器壁之間作完全彈性碰撞，沒有能量損失，氣體分子的動能不因碰撞而損失。二、理想氣體的壓強(IdealGasPressure)壓強的微觀機制：大量分子對器壁碰撞的平均效果,單位時間作用在器壁單位面積上的平均衝量。dA1、一個分子在一次碰撞中對dA的作用結(jié)論：一個分子在一次碰撞中對dA施於的衝量。2、dt時間內(nèi)所有分子施於dA的總衝量dIdt內(nèi)能與dA相碰，分子速度為的分子數(shù)(2)dt內(nèi)能與dA相碰，分子速度為的分子施於dA的衝量(3)dt內(nèi)能與dA相碰的所有分子施於dA的總衝量dI（4）等幾率假設(shè)—平衡態(tài)下，分子向各個方向運動的幾率均等。3、壓強（1）的統(tǒng)計平均值（2）等幾率假設(shè)

三、討論(Disscussion)

3、是統(tǒng)計規(guī)律，不是力學(xué)規(guī)律

§2.4溫度的微觀解釋(MicroscopicExplanationofTemperature)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、溫度的微觀解釋2、基本方程的一些推論3、分子的方均根速率教學(xué)目的：1、培養(yǎng)綜合知識能力2、培養(yǎng)理論驗證能力3、滲透現(xiàn)代物理學(xué)知識—對稱性原理4、滲透物理美學(xué)思想5、培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力6、培養(yǎng)論文寫作能力7、培養(yǎng)發(fā)散思維能力二、教學(xué)要求1、掌握溫度公式2、掌握玻耳茲曼常數(shù)3、掌握分子的方均根速率三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的知識載體，研究性課題熱平衡的微觀圖象五、課程論文題目熱力學(xué)第零定律的對稱性●●●●●●

§2.4溫度的微觀解釋(MicroscopicExplanationofTemperature)一、溫度的微觀解釋討論：1、在相同溫度下，一切氣體的平均平動能都相等。2、溫度是分子平均平動能的量度。3、溫度是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)。4、熱平衡—分子的平均平動能相等二、基本方程的一些推論(InferenceoftheBasicEquations)1、阿伏伽德羅定律(Avogadro'sLaw)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下2、道耳頓分壓定律設(shè)有幾種不同的氣體，混合地貯在同一容器中，它們的溫度相同。因此三、分子的方均根速率(theSquareRootoftheMolecularSpeeds)§2.5麥克斯韋速度分佈律(MaxwallianSpeedsDistribution)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、氣體分子速率的測定2、麥克斯韋速度分佈律3、麥克斯韋速率分佈律4、瀉流分佈5、約化形式6、誤差函數(shù)教學(xué)目的：1、培養(yǎng)綜合知識能力2、培養(yǎng)逆向思維能力3、培養(yǎng)邏輯思維能力4、培養(yǎng)論文寫作能力二、教學(xué)要求1、掌握麥克斯韋速度分佈律、速率分佈律、三個特徵速率及瀉流分佈2、瞭解麥克斯韋速度分佈律的約化形式三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、課程論文題目1、麥克斯韋與麥克斯韋速度分佈律2、麥克斯韋的科學(xué)思維方法五、教學(xué)重點、難點1、重點：麥克斯韋速率分佈律2、難點：約化形式與誤差函數(shù)●●●●●●§2.5麥克斯韋速度分佈律(MaxwallianSpeedsDistribution)麥克斯韋從誤差理論得到啟發(fā)，從理論上證明瞭分子速度分佈有規(guī)可循。處於平衡態(tài)下氣體分子的速率有一個確定的分佈，未達到平衡態(tài)的氣體，它的分子偏離這個分佈，而碰撞的結(jié)果就由偏離這個分佈而達到這個分佈，宏觀量溫度和壓強的均勻化並不表示分子速率的均一，而表示速率分佈有一個比較穩(wěn)定的平均值。1859年,麥克斯韋首次推導(dǎo)1866年，麥克斯韋再次推導(dǎo)1868年，玻耳茲曼用統(tǒng)計物理的方法作了嚴(yán)格的推導(dǎo)1920年，斯特恩作了第一次驗證實驗1955年，密勒與庫士作了高精度的驗證實驗1934年，葛政權(quán)也作了驗證實驗一、氣體分子速率的測定(MeasureofMolecularSpeeds)旋轉(zhuǎn)圓柱體=分子速率選擇器分子沿細槽前進所需時間分子速率1955年，密勒與庫士測定了從加熱爐內(nèi)發(fā)射出來的鉈原子速率分佈，實驗溫度為1400K。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出的實驗曲線如圖5-5所示。注意：是分子（或原子）射線的速率分佈函數(shù)，不是加熱爐內(nèi)氣體分子速率分佈函數(shù)。由實驗曲線可見：1、值兩頭小，中間大，有一極大值。2、可認(rèn)為大量原子（或分子）的速率是連續(xù)分佈的，當(dāng)取得很小時，則有二、麥克斯韋速度分佈律(MaxwallianSpeedsDistribution)速度空間球速度空間麥克斯韋速度分佈律：當(dāng)氣體處於平衡態(tài)時，氣體分子的速度在間隔內(nèi)，即分子速度分量在間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)N的比率為

表示分子速度向量的端點在速度體元dΓ內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。分子速度分佈函數(shù)：的物理意義：分子速度在附近，單位速度間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。分佈函數(shù)應(yīng)滿足歸一化條件若只限制速度的x分量，其他兩個分量可取一切可能的值，則分子速度的x分量在間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率為：利用積分公式並整理得：速度分量分佈函數(shù)速度分量分佈函數(shù)也應(yīng)滿足歸一化條件：同法可求得其他兩個速度分量分佈律利用麥克斯韋速度分量分佈律推導(dǎo)理想氣體的壓強公式。已知：一個分子一次碰撞施於器壁的衝量為，dt時間內(nèi)能有多少分子與dA相碰？單位體積內(nèi)，之間的分子數(shù)為柱體內(nèi)的分子數(shù)為柱體內(nèi)分子施於dA的衝量為

具有各種可能速度的所有分子施於dA的總衝量為

利用積分公式，並整理得壓強而所以

三、麥克斯韋速率分佈律分子速度在內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率為對θ、φ積分，得分子速率在內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率為分子速率分佈函數(shù)的物理意義：分子速率在附近，單位速率間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。按麥克斯韋速率分佈律畫鉈蒸氣原子速率分佈曲線。

鉈原子品質(zhì)

鉈蒸氣溫度T=1400K表2-11400K平衡態(tài)鉈蒸氣原子速率分佈曲線數(shù)據(jù)1、分佈曲線的特點：（1）兩頭小，中間大（2）

--最可幾速率的物理意義：在附近，單位速率間隔內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率最大。2、分佈曲線下麵積的物理意義（1）（2）（3）曲線下的全部面積3、特徵速率（1）最可幾速率（2）平均速率利用積分公式整理得（3）方均根速率利用積分公式,

並整理得所以三種特徵速率的大小次序為定性地說曲線與曲線的形狀相同定量地說，≠，是瀉流分子速率分佈函數(shù)四、瀉流分佈(LeakDistribution)碰壁數(shù)=瀉流數(shù)碰壁數(shù)—單位時間碰到器壁單位面積上的分子數(shù)柱體體積

單位體積內(nèi)，內(nèi)的分子數(shù)為dt時間內(nèi)能與dA相碰，速度在

內(nèi)的分子數(shù)dt時間內(nèi)能與dA相碰，速度在內(nèi)的分子數(shù)對積分得對一切可能的速度積分，即得dt內(nèi)能與dA相碰的總分子數(shù)利用積分公式並整理得碰壁數(shù)=瀉流數(shù)根據(jù)分佈函數(shù)的定義，瀉流分佈函數(shù)為

思考題：為什麼圖5-14的曲線形狀與溫度無關(guān)？五、約化形式相對速率六、誤差函數(shù)

§2.6玻耳茲曼分佈律(Boltzmann'sDistribution)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與目的教學(xué)內(nèi)容：1、玻耳茲曼分佈律2、重力場中微粒按高度分佈律3、氣壓公式和高度公式教學(xué)目的：1、培養(yǎng)發(fā)散思維能力2、培養(yǎng)綜合分析論述能力3、培養(yǎng)論文寫作能力二、教學(xué)要求掌握玻耳茲曼分佈律、重力場中微粒按高度分佈律、氣壓公式和高度公式三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、課程論文題目玻耳茲曼與玻耳茲曼分佈律●●●●●●

§2.6玻耳茲曼分佈律

(Boltzmann'sDistribution)一、玻耳茲曼分佈律氣體處在外力場中分子動能分子勢能分子總能玻耳茲曼分佈律：系統(tǒng)在外力場中處於熱平衡態(tài)時,座標(biāo)介於間隔內(nèi),同時速度介於間隔內(nèi)的分子數(shù)為對所有可能的速度積分分子在座標(biāo)間隔內(nèi)的分子數(shù)密度為二、重力場中微粒按高度分佈律

(MinuteParticlesinGravityDistributeaccordingtoHeight)分佈在高度h處單位體積內(nèi)的分子數(shù)為三、氣壓公式和高度公式（PressureFormulaandHeightFormula）等溫大氣標(biāo)高：因為上式中無量綱，所以具有高度的量綱。定義大氣標(biāo)高H大氣標(biāo)高的物理意義：1、在高度H處的大氣壓強為處大氣壓強的。2、設(shè)把整個大氣分子都壓縮成環(huán)繞地球表面的、密度與海平面處大氣密度相等的一層假想的均勻大氣層，則這一大氣層的厚度也是H。3、大氣標(biāo)高是粒子按高度分佈的特徵量，它反映了氣體分子熱運動與分子受重力場作用這一對矛盾之間的關(guān)係。kT表示了分子熱運動平均能量的數(shù)量級。氣體分子熱運動越激烈，它們散開到空間各高度使之均勻分佈的概率也越大，而重力mg又欲使粒子儘量靠近地面。這一對矛盾的相互協(xié)調(diào)形成穩(wěn)定的大氣壓強分佈。

可以想像，一旦熱運動停止，大氣中所有分子都會像砂粒一樣落到地面。同樣若溫度足夠高，砂粒也可能像氣體分子一樣彌漫在空中。

以上討論的是等溫大氣，實際上，大氣溫度並非處處相等，而且隨高度分佈較複雜，所以大氣壓強隨高度的分佈也很複雜。

§2.7能量按自由度均分定理

(TheoremofEquipartitionofEnergyaccordingtoDegreeofFreedom)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、自由度2、分子能量按自由度均分定理教學(xué)目的：1、培養(yǎng)類比思維能力2、培養(yǎng)建立物理模型的能力3、學(xué)習(xí)求統(tǒng)計平均值的方法二、教學(xué)要求熟練掌握能量均分定理三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、教學(xué)重點能量均分定理的應(yīng)用●●●●●●

§2.7能量按自由度均分定理

(TheoremofEquipartitionofEnergyaccordingtoDegreeofFreedom)一、自由度(DegreeofFreedom)1、物體運動的自由度質(zhì)點的自由度：2、分子運動的自由度單原子分子：3平質(zhì)心的平動能剛性雙原子分子：3平+2轉(zhuǎn)彈性雙原子分子：3平+2轉(zhuǎn)+1振分子能量均分自由度二、分子能量按自由度均分定理(TheormofEquipartitionofMolecularEnergyaccordingtoDegreeofFreedom)利用積分公式,並整理得同理可得因此,分子每一自由度的平均平動能均為推廣到振動和轉(zhuǎn)動自由度

能量按自由度均分定理：

在溫度為T的平衡態(tài)時,物質(zhì)分子每一個自由度都具有相同的平均動能,其大小都為

kT/2。幾點說明：①只有在平衡態(tài)下才能應(yīng)用能量均分定理，非平衡態(tài)不能應(yīng)用能量均分定理。②能量均分定理本質(zhì)上是關(guān)於熱運動的統(tǒng)計規(guī)律，是對大量分子求統(tǒng)計平均的結(jié)果，利用統(tǒng)計物理可以作嚴(yán)格的證明。③能量均分定理不僅適用於理想氣體，一般也適用於液體和固體。④對於氣體，能量按自由度均分是通過分子間的頻繁碰撞來實現(xiàn)的。

氣體從非平衡態(tài)演化為平衡態(tài)的過程是通過分子間頻繁的碰撞來實現(xiàn)的。一個在某一自由度上動能較大的分子與另一個動能較小的分子發(fā)生非對心完全彈性碰撞時，一般總要發(fā)生動能從一個分子轉(zhuǎn)移到另一個分子，從一個自由度轉(zhuǎn)移到另一個自由度，從這種形式的自由度轉(zhuǎn)移到另一種形式的自由度的能量上去的過程。氣體就是在分子的頻繁碰撞中發(fā)生不同粒子間、不同自由度間能量的轉(zhuǎn)移，最終實現(xiàn)能量按自由度均分。對液體和固體，能量均分是通過分子間很強的相互作用來實現(xiàn)的。

§2.8理想氣體的內(nèi)能與熱容量(InternalEnergyandHeatCapacityofIdealGas)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、理想氣體的內(nèi)能2、理想氣體的摩爾熱容3、經(jīng)典理論的缺陷教學(xué)目的：1、培養(yǎng)從不同視角觀察問題、分析問題的能力2、使學(xué)生懂得研究熱運動的宏觀方法與微觀方法殊途同歸3、引導(dǎo)學(xué)生第三次認(rèn)識內(nèi)能4、引導(dǎo)學(xué)生第五次認(rèn)識熱容5、培養(yǎng)科學(xué)的思維方法6、培養(yǎng)邏輯思維能力二、教學(xué)要求1、熟練掌握理想氣體的內(nèi)能與理想氣體的摩爾熱容2、瞭解能量均分定理這一經(jīng)典理論的缺陷3、掌握由比熱計算原子品質(zhì)的方法4、掌握混合氣體比熱的求法三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、教學(xué)重點1、理想氣體的內(nèi)能2、理想氣體的摩爾熱容●●●●●●§2.8理想氣體的內(nèi)能與熱容量(InternalEnergyandHeatCapacityofIdealGas)一、理想氣體的內(nèi)能(InternalEnergyofIdealGas)品質(zhì)為M千克的理想氣體的內(nèi)能為1mol理想氣體的內(nèi)能為二、理想氣體的摩爾熱容（MolarheatcapacityofIdealGas）定容摩爾熱容理論結(jié)果表明：1.一切自由度相同的氣體,都相同2.與T無關(guān)實驗結(jié)果表明:1.自由度相同的氣體,並不相同,見表2-4表2-4在0℃時,幾種氣體實驗值的比較(單位:)2.與T有關(guān),見表2-5與表2-6表2-5在不同溫度下幾種雙原子氣體實驗值的比較(單位：)表2-6在不同溫度下，氫的實驗值的比較（單位：）3．單原子分子的與理論值相符，見表2-4。4．高溫時，雙原子分子的與理論值相符，見表2-6與表2-5的高溫部分。溫度℃-233-183-760500100015002000250012.4613.5918.3120.2121.1922.9525.0426.7127.96三、經(jīng)典理論的缺陷（theDefectofClassicTheory）

的隨溫度變化的“階梯”行為意味著微觀粒子的轉(zhuǎn)動能量和振動能量是分立的，只有當(dāng)分子的平均熱運動動能達到一定的數(shù)值時，才能使分子內(nèi)部自由度的能量從一個“臺階”跳躍到另一個“臺階”。

§2.9分子力

(MolecularForce)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、有心力模型2、無引力的彈性質(zhì)點模型3、無引力的彈性剛球模型4、有引力的剛球模型—蘇則朗模型教學(xué)目的；1、培養(yǎng)建立物理模型的能力2、培養(yǎng)抽象思維能力二、教學(xué)要求瞭解分子力的四種模型三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法●●●●●●●

§2.9分子力

(MolecularForce)

一、有心力模型(CentralForceModel)

短程力分子力—保守力用勢能曲線說明兩個分子的相互碰撞過程二、無引力的彈性質(zhì)點模型

(ModelofElasticMassPointwithoutGravity)三、無引力的彈性剛球模型

(ModelofElasticHardBallwithoutGravity)四、有引力的剛球模型——蘇則朗模型

(HardBallModelHavingGravity-Model)

§2.10實際氣體與範(fàn)德瓦耳斯方程(RealGasandVanderWaalsEquation)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、實際氣體2、範(fàn)德瓦耳斯方程3、關(guān)於範(fàn)德瓦耳斯方程的說明教學(xué)目的：1、培養(yǎng)近似分析、處理問題的能力2、培養(yǎng)建構(gòu)物理模型的能力3、培養(yǎng)綜合分析論述能力二、教學(xué)要求熟練掌握範(fàn)德瓦耳斯方程三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、培養(yǎng)綜合分析論述能力的知識載體，研究性學(xué)習(xí)課題範(fàn)德瓦耳斯方程的前前後後五、課程論文題目範(fàn)德瓦耳斯與範(fàn)德瓦耳斯方程六、教學(xué)重點範(fàn)德瓦耳斯方程●●●●●●

§2.10實際氣體與範(fàn)德瓦耳斯方程

(RealGasandVanderWaalsEquation一、實際氣體(RealGas)表7-10℃時，幾種氣體在不同壓強下的值二、範(fàn)德瓦耳斯方程(VanderWaalsEquation)1、分子體積引起的修正

b—1mol氣體分子活動空間的減少量分子自由活動空間氣體的壓強為2、分子引力引起的修正內(nèi)壓強：

氣體的壓強：M，μ,,品質(zhì)為M的氣體的範(fàn)德瓦耳斯方程為：三、關(guān)於範(fàn)德瓦耳斯方程的說明

(ExplanationonVanderWaalsEquation)1、2、近似描寫表7-3

在0℃時,1mol氮氣在不同壓強下的pv和值a昂尼斯方程

A——第一維裏係數(shù)A=RT第三章輸運現(xiàn)象與分子動理論的非平衡態(tài)理論§3.1輸運過程的宏觀規(guī)律§3.2氣體分子的平均自由程§3.3輸運過程的微觀解釋§3.4低壓下的熱傳導(dǎo)和粘滯現(xiàn)象第三章輸運現(xiàn)象與分子動理論的非平衡態(tài)理論(TransportPhenomenaandNonequilibriumsTheoryofMoleculeMotionTheory)

§3.1輸運過程的宏觀規(guī)律(MacroscopicLawofTransportProcess)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、粘滯現(xiàn)象2、熱傳導(dǎo)現(xiàn)象3、擴散現(xiàn)象4、輸運過程三個宏觀規(guī)律的比較教學(xué)目的：1、培養(yǎng)類比思維能力2、培養(yǎng)綜合知識能力3、培養(yǎng)抽象思維能力二、教學(xué)要求掌握輸運過程的三個宏觀規(guī)律三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法●●●●●●

第三章輸運現(xiàn)象與分子動理論的非平衡態(tài)理論(TransportPhenomenaandNonequilibriumsTheoryofMoleculeMotionTheory)§3.1輸運過程的宏觀規(guī)律(MacroscopicLawofTransportProcess)一、粘滯現(xiàn)象(StickyPhenomenon)實驗發(fā)現(xiàn)粘滯定律的另一種形式：二、熱傳導(dǎo)現(xiàn)象(HeatConductionPhenomenon)三、擴散現(xiàn)象(DiffusePhenomenon)純擴散--僅僅是由於分子的無規(guī)則運動和碰撞引起的擴散過程。例如，不均勻的與CO的混和氣體D—擴散係數(shù)四、輸運過程三個宏觀規(guī)律的比較

(ComparisonofThreeMacroscopicLawofTrasportProcess)

三種輸運現(xiàn)象的類比§3.2氣體分子的平均自由程(ArerageFreeRouteofMoleculeinGas)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：分子的平均自由程、碰撞頻率教學(xué)目的：1、培養(yǎng)建立、運用物理模型的能力2、培養(yǎng)近似思維能力3、培養(yǎng)抽象思維能力二、教學(xué)要求1、掌握平均自由程和碰撞頻率的物理圖象2、會計算各種分子的平均自由程和碰撞頻率三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、課程論文題目克勞修斯與分子動理論●●●●●●

§3.2氣體分子的平均自由程

(ArerageFreeRouteofMoleculeinGas)分子的平均自由程假設(shè)分子A以平均相對速率運動圓柱體的截面積，叫做分子的碰撞截面。碰撞頻率表3-1在15℃,下幾種氣體的和d表3-2在0℃,不同壓強下,空氣的

§3.3輸運過程的微觀解釋(MicroscoicExplanationofStickyPhenomenon)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、粘滯現(xiàn)象的微觀解釋2、熱傳導(dǎo)的微觀解釋3、擴散現(xiàn)象的微觀解釋4、理論結(jié)果與實驗的比較教學(xué)目的：1、培養(yǎng)建立簡化模型的能力2、培養(yǎng)用簡化模型分析問題、解決問題的能力3、學(xué)習(xí)用分子動理論研究熱學(xué)問題的一般方法4、培養(yǎng)邏輯思維能力5、培養(yǎng)抽象思維能力二、教學(xué)要求1、掌握分子動理論處理熱學(xué)問題的一般方法2、會應(yīng)用簡化模型3、掌握輸運過程的微觀解釋三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、教學(xué)重點與難點1、重點:輸運過程的微觀解釋2、難點：簡化模型的應(yīng)用●●●●●●●§3.3輸運過程的微觀解釋(MicroscoicExplanationofStickyPhenomenon)決定輸運過程的兩個主要因素：分子熱運動分子間的相互碰撞一、粘滯現(xiàn)象的微觀解釋

(MicroscopicExplanationofStickyPhenomenon)1.dt時間內(nèi)過ds面交換的分子對數(shù)簡化假設(shè):（1）沿z軸正向運動的分子數(shù)只是總分子數(shù)的（2）所有分子都以運動

dt時間內(nèi),過ds面交換的分子對數(shù)2.每交換一對分子輸運的動量簡化假設(shè)3:一次同化簡化假設(shè)4:分子平均在距ds面處受碰每交換一對分子沿z軸正向輸運的動量為處的速度梯度

所以3.dt內(nèi)過ds面沿z軸正向輸運的總動量與牛頓粘滯定律相比較，有二、熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的微觀解釋(MicroscopicExplanationofHeatConduction)dt時間內(nèi)過ds面交換的分子對數(shù)為每交換一對分子沿z軸正向輸運的能量dt時間內(nèi),通過ds面沿z軸正向輸運的總能量,即沿z軸正向傳遞的熱量為與付裏葉定律相比較，有定容熱容定容比熱所以三、擴散現(xiàn)象的微觀解釋

(MicroscopicExplanationofDiffusePhenomenon)沿z軸正向輸運的淨(jìng)分子數(shù)為沿z軸正向輸運的淨(jìng)品質(zhì)為與斐克定律相比較，有四、理論結(jié)果與實驗的比較（ComparisonofTheoryandExperiments）1.η，，D與氣體狀態(tài)參量的關(guān)係（1）η，，D與p的關(guān)係（2）η，，D與T的關(guān)係2.η,,D之間的關(guān)係3.η,,D的數(shù)量級理論值與實驗值數(shù)量級相同§3.4低壓下的熱傳導(dǎo)和粘滯現(xiàn)象(HeatConductionandStiekyPhenomenoninLawPressure)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容:1、低壓氣體2、低壓氣體的粘滯現(xiàn)象3、低壓氣體的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象教學(xué)目的：1、培養(yǎng)用基本理論和基本方法解決實際問題的能力2、培養(yǎng)類比思維能力3、培養(yǎng)邏輯思維能力二、教學(xué)要求掌握低壓氣體的粘滯現(xiàn)象與熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的宏觀規(guī)律與微觀解釋三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法●●●●●●

§3.4低壓下的熱傳導(dǎo)和粘滯現(xiàn)象

(HeatConductionandStiekyPhenomenoninLawPressure)一、低壓氣體(GasinLawPressure)凡是大於容器限度的氣體稱為低壓氣體.容器內(nèi)的空間稱為真空,低壓氣體的壓強稱為真空度。一般，p>1.33×10Pa為低真空

1.33×10Pa<p<1.33×10Pa為高真空

p<1.33×10Pa為超高真空二、低壓氣體的粘滯現(xiàn)象(StictyPhenomenonofGasinlawPressure)dt時間內(nèi)，碰到B板dS面積之上的分子數(shù)dN個分子動量的增量按動量定理，B板作用在分子上的力按牛頓第三運動定律，分子作用在B板上的力同理，分子作用在A板上的力低壓氣體的粘滯係數(shù)三、低壓氣體的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象

(HeatConductionPhenomenonofGasinLowPressure)1個分子在dt時間內(nèi)由A板向B板輸運的淨(jìng)能量為dt時間內(nèi)，向B板dS面元碰撞的分子數(shù)為dt時間內(nèi)，由A板向B板輸運的總能量為低壓氣體的導(dǎo)熱係數(shù)

第四章熱力學(xué)第一定律§4.1熱力學(xué)過程§4.2功§4.3熱§4.4熱力學(xué)第一定律§4.5熱力學(xué)第一定律對pV系統(tǒng)的應(yīng)用§4.6理想氣體的內(nèi)能與熱容§4.7熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用§4.8熱力學(xué)第一定律對迴圈過程的應(yīng)用§4.9卡諾迴圈§4.10焦耳-湯姆遜效應(yīng)§4.11焦耳—湯姆遜效應(yīng)的微觀解釋

§4.1熱力學(xué)過程(ThermodynamicProcess)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：熱力學(xué)過程、弛豫過程、弛豫時間、準(zhǔn)靜態(tài)過程教學(xué)目的：1、引導(dǎo)學(xué)生用對立統(tǒng)一觀點認(rèn)識準(zhǔn)靜態(tài)過程，培養(yǎng)辨證思維能力。2、培養(yǎng)形象思維能力。二、教學(xué)要求1、瞭解弛豫過程、弛豫時間的概念2、正確理解準(zhǔn)靜態(tài)過程三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、培養(yǎng)辨證思維能力的知識載體，研究性學(xué)習(xí)課題正確理解準(zhǔn)靜態(tài)過程的概念五、課程論文題目準(zhǔn)靜態(tài)過程

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§4.1熱力學(xué)過程

(ThermodynamicProcess)平衡態(tài)非平衡態(tài)新的平衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)過程從非準(zhǔn)靜態(tài)過程向準(zhǔn)靜態(tài)過程逼近過程曲線只有準(zhǔn)靜態(tài)過程才能夠在相圖上用曲線表示出來迅速與緩慢是相對的Δt>τ準(zhǔn)靜態(tài)過程Δt<τ非準(zhǔn)靜態(tài)過程弛豫時間τ與物質(zhì)的性質(zhì)，所處的狀態(tài)及過程的性質(zhì)有關(guān)。

§4.2功(Work)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、功的運算式2、功的圖示3、功是過程量4、廣義功教學(xué)目的：1、培養(yǎng)用類比的方法解決物理問題的能力。2、培養(yǎng)用幾何圖形描述物理問題的能力。3、培養(yǎng)發(fā)散思維能力。4、培養(yǎng)由特殊到一般的科學(xué)思維方法。二、教學(xué)要求1、掌握流體體積變化功的計算方法。2、掌握功的圖示法。3、理解功是過程量。4、理解廣義功概念三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、培養(yǎng)發(fā)散思維能力的知識載體，研究性學(xué)習(xí)課題在有摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程中，功如何？五、課程論文題目有摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程的功

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§4.2功(Work)無摩擦準(zhǔn)靜態(tài)過程流體體積變化功一、功的運算式（theExpressionofWork）總功：思考題：如果是有摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程，功如何？二、功的圖示（FiguredWork）迴圈過程afbia三、功是過程量（WorkisProcessQuality）四、廣義功（GeneralizedWork）σ—表面張力係數(shù)，單位長度上的表面張力

§4.3熱(Heat)

教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、熱的本質(zhì)2、功與功的比較3、熱容、比熱容、摩爾熱容教學(xué)目的：1、培養(yǎng)善於觀察事物的能力。2、培養(yǎng)創(chuàng)新精神。3、培養(yǎng)橫向思維能力。4、培養(yǎng)比較思維能力，昇華熱與功的概念，同時為熱力學(xué)第二定律及其統(tǒng)計意義埋下伏筆。5、培養(yǎng)綜合分析論述能力。二、教學(xué)要求1、瞭解對熱的本質(zhì)的認(rèn)識過程。。2、掌握熱容、比熱容、摩爾熱容概念。3、理解熱是過程量。三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、培養(yǎng)綜合分析論述能力的知識載體，研究性學(xué)習(xí)課題認(rèn)識熱的本質(zhì)的歷程，熱容的物理內(nèi)涵五、培養(yǎng)比較思維能力的知識載體熱與功的比較六、課程論文題目1、熱2、熱與功3、熱容●●●●●§4.3熱(Work)一、熱的本質(zhì)(EssenceofHeat)兩種觀點熱是一種運動正確熱質(zhì)說錯誤倫福德１７９８年炮膛鑽孔３０分鐘水60°F→130°F銅屑50多克“在這些實驗中被激發(fā)出來的熱，除了把它看做運動之外我似乎很難把它看做其他的任何東西”愛因斯坦判決性實驗1799年戴維獨創(chuàng)性實驗冰在真空中摩擦融化“熱質(zhì)是不存在的”二、熱與功的比較(ComparisonofHeatandWork)熱與功一樣是過程量，不是態(tài)函數(shù)，不能說系統(tǒng)處在某一狀態(tài)時有多少熱，只有當(dāng)過程發(fā)生時熱才有意義。思考題：1.傳熱和做功都是系統(tǒng)和外界交換能量的方式。產(chǎn)生這兩種能量交換的原因是否相同？2．傳熱和做功的微觀本質(zhì)有何不同？三.熱容比熱容摩爾熱容

(HeatCapacity,SpecificHeatCapacity,MolarHeatCapacity)熱容C為

比熱容c為摩爾熱容為定容熱容定壓熱容

§4.4熱力學(xué)第一定律

(theFirstLawofThermodynamics)教學(xué)設(shè)計一、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目的教學(xué)內(nèi)容：1、熱力學(xué)第一定律的建立2、熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)運算式教學(xué)目的：1、通過U的引入，學(xué)習(xí)建立物理概念的方法。2、滲透現(xiàn)代物理學(xué)知識——對稱性原理，引導(dǎo)學(xué)生用對稱性原理重新審視熱力學(xué)第一定律。3、滲透交叉學(xué)科——物理美學(xué)思想，引導(dǎo)學(xué)生挖掘熱力學(xué)第一定律蘊涵的美學(xué)思想。4、引入物理學(xué)史，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)家對科學(xué)執(zhí)著的追求精神，勇於為科學(xué)而獻身的犧牲精神。5、培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。6、培養(yǎng)從實驗事實，從習(xí)以為常的現(xiàn)象中提取科學(xué)原理的能力。7、培養(yǎng)批判意識8、培養(yǎng)綜合分析論述能力二、教學(xué)要求1、瞭解熱力學(xué)第一定律的建立過程2、熟練掌握熱力學(xué)第一定律三、教學(xué)方法1、研究型教學(xué)法2、師生互動教學(xué)法3、多媒體輔助教學(xué)法四、培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力的知識載體，研究性課題熱力學(xué)第一定律的對稱性五、培養(yǎng)批判意識的知識載體，研究性課題熱力學(xué)第一定律內(nèi)在的矛盾性六、培養(yǎng)綜合分析論述能力的知識載體，研究性學(xué)習(xí)課題1、對熱力學(xué)第一定律建立過程的描述及其現(xiàn)實意義的研究2、焦耳、亥姆霍茲和邁爾科學(xué)思維方法的研究七、課程論文題目1、熱力學(xué)第一定律的對稱性2、熱力學(xué)第一定律內(nèi)在的矛盾性3、熱力學(xué)第一定律的建立及其現(xiàn)實意義4、熱力學(xué)第一定律的建立5、焦耳與熱力學(xué)第一定律6、亥姆霍茲與熱力學(xué)第一定律7、邁爾與熱力學(xué)第一定律8、焦耳的科學(xué)思維方法9、邁爾的科學(xué)思維方法10、亥姆霍茲的科學(xué)思維方法八、教學(xué)重點熱力學(xué)第一定律，內(nèi)能概念●●●●●●

§4.4熱力學(xué)第一定律

(theFirstLawofThermodynamics)一、熱力學(xué)第一定律的建立

(SetupontheFirstLawofThermodynamics)1、蒸汽技術(shù)的成就是能量守恆與轉(zhuǎn)化定律基本的物質(zhì)前提之一。2、永動機之不可能實現(xiàn)是導(dǎo)致能量守恆與轉(zhuǎn)化定律建立的重要線索之一。3、自然界各種基本運動形式之間的聯(lián)繫和轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn)為能量守恆與轉(zhuǎn)化定律的建立提供了適宜的科學(xué)氣氛。4、能量守恆與轉(zhuǎn)化定律的建立。⑴邁爾的工作⑵亥姆霍茲的《能的守恆》⑶焦耳關(guān)於熱功當(dāng)量的測量焦耳實驗說明：⑴一定量的功與一定量的熱量相當(dāng)；⑵絕熱過程的功只與過程的始末狀態(tài)有關(guān)，與做功所經(jīng)歷的過程無關(guān)；⑶做功和傳熱都是運動轉(zhuǎn)化或傳遞的方式和量度；⑷一定熱量的產(chǎn)生（或消失）總是伴隨著等量的其他形式能量（如機械能，電能等）的消失（或產(chǎn)生），熱能與機械能，電能等