關(guān)于物理的熱力學(xué)內(nèi)容有什么
熱學(xué)是研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)時(shí)的有關(guān)性質(zhì)和規(guī)律的物理學(xué)分支，那么，物理熱力學(xué)有什么內(nèi)容呢?下面是小編為你搜集到的相關(guān)內(nèi)容，希望可以幫助到你。
物理熱力學(xué)的介紹
熱力學(xué)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)來(lái)研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)遵從的宏觀規(guī)律。
熱力學(xué)是總結(jié)物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學(xué)理論，不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。
熱力學(xué)三定律是熱力學(xué)的基本理論。熱力學(xué)第一定律反映了能量守恒和轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)該遵從的關(guān)系，它引進(jìn)了系統(tǒng)的態(tài)函數(shù)——內(nèi)能。熱力學(xué)第一定律也可以表述為：第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。
熱學(xué)中一個(gè)重要的基本現(xiàn)象是趨向平衡態(tài)，這是一個(gè)不可逆過(guò)程。例如使溫度不同的兩個(gè)物體接觸，最后到達(dá)平衡態(tài)，兩物體便有相同的溫度。但其逆過(guò)程，即具有相同溫度的兩個(gè)物體，不會(huì)自行回到溫度不同的狀態(tài)。
這說(shuō)明，不可逆過(guò)程的初態(tài)和終態(tài)間，存在著某種物理性質(zhì)上的差異，終態(tài)比初態(tài)具有某種優(yōu)勢(shì)。1854年克勞修斯引進(jìn)一個(gè)函數(shù)來(lái)描述這兩個(gè)狀態(tài)的差別，1865年他給此函數(shù)定名為熵。
1850年，克勞修斯在總結(jié)了這類(lèi)現(xiàn)象后指出：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，這就是熱力學(xué)第二定律的克氏表述。幾乎同時(shí)，開(kāi)爾文以不同的方式表述了熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容。
用熵的概念來(lái)表述熱力學(xué)第二定律就是：在封閉系統(tǒng)中，熱現(xiàn)象宏觀過(guò)程總是向著熵增加的方向進(jìn)行，當(dāng)熵到達(dá)最大值時(shí)，系統(tǒng)到達(dá)平衡態(tài)。第二定律的數(shù)學(xué)表述是對(duì)過(guò)程方向性的簡(jiǎn)明表述。
1912年能斯脫提出一個(gè)關(guān)于低溫現(xiàn)象的定律：用任何方法都不能使系統(tǒng)到達(dá)絕對(duì)零度。此定律稱(chēng)為熱力學(xué)第三定律。
熱力學(xué)的這些基本定律是以大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)建立起來(lái)的，在此基礎(chǔ)上，又引進(jìn)了三個(gè)基本狀態(tài)函數(shù)：溫度、內(nèi)能、熵，共同構(gòu)成了一個(gè)完整的熱力學(xué)理論體系。此后，為了在各種不同條件下討論系統(tǒng)狀態(tài)的熱力學(xué)特性，又引進(jìn)了一些輔助的狀態(tài)函數(shù)，如焓、亥姆霍茲函數(shù)(自由能)、吉布斯函數(shù)等。這會(huì)帶來(lái)運(yùn)算上的方便，并增加對(duì)熱力學(xué)狀態(tài)某些特性的了解。
從熱力學(xué)的基本定律出發(fā)，應(yīng)用這些狀態(tài)函數(shù)，利用數(shù)學(xué)推演得到系統(tǒng)平衡態(tài)各種特性的相互聯(lián)系，是熱力學(xué)方法的基本內(nèi)容。
熱力學(xué)理論是普遍性的理論，對(duì)一切物質(zhì)都適用，這是它的優(yōu)點(diǎn)，但它不能對(duì)某種特殊物質(zhì)的具體性質(zhì)作出推論。例如討論理想氣體時(shí)，需要給出理想氣體的狀態(tài)方程;討論電磁物質(zhì)時(shí)，需要補(bǔ)充電磁物質(zhì)的極化強(qiáng)度和場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系等。這樣才能從熱力學(xué)的一般關(guān)系中，得出某種特定物質(zhì)的具體知識(shí)。
平衡態(tài)熱力學(xué)的理論已很完善，并有廣泛的應(yīng)用。但在自然界中，處于非平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)(物理的`、化學(xué)的、生物的)和不可逆的熱力學(xué)過(guò)程是大量存在的。因此，這方面的研究工作十分重要，并已取得一些重要的進(jìn)展。
21世紀(jì)以來(lái)，研究非平衡態(tài)熱力學(xué)的一種理論是在一定條件下，把非平衡態(tài)看成是數(shù)目眾多的局域平衡態(tài)的組合，借助原有的平衡態(tài)的概念描述非平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)。并且根據(jù)“流”和“力”的函數(shù)關(guān)系，將非平衡態(tài)熱力學(xué)劃分為近平衡區(qū)(線性區(qū))和遠(yuǎn)離平衡區(qū)(非線性區(qū))熱力學(xué)。這種理論稱(chēng)為廣義熱力學(xué)，另一種研究非平衡態(tài)熱力學(xué)的理論是理性熱力學(xué)。它是以熱力學(xué)第二定律為前提，從一些公理出發(fā)，在連續(xù)媒質(zhì)力學(xué)中加進(jìn)熱力學(xué)概念而建立起來(lái)的理論。它對(duì)某些具體問(wèn)題加以論證，在特殊的彈性物質(zhì)的應(yīng)用中取得了一定成果。
非平衡態(tài)熱力學(xué)領(lǐng)域提供了對(duì)不可逆過(guò)程宏觀描述的一般綱要。對(duì)非平衡態(tài)熱力學(xué)或者說(shuō)對(duì)不可逆過(guò)程熱力學(xué)的研究，涉及廣泛存在于自然界中的重要現(xiàn)象，是正在探討的一個(gè)領(lǐng)域。如平衡態(tài)的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的關(guān)系一樣，從微觀運(yùn)動(dòng)的角度研究非平衡態(tài)現(xiàn)象的理論是非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)力學(xué)。
熱力學(xué)的研究對(duì)象
自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式具有多樣性,除了存在如汽車(chē)、火車(chē)的運(yùn)行，車(chē)床飛輪的飛轉(zhuǎn)，天體運(yùn)動(dòng)等一類(lèi)現(xiàn)象之外,還有物質(zhì)的熱脹冷縮、熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散,導(dǎo)體電阻率隨溫度變化及物質(zhì)可進(jìn)行固、液、汽三種狀態(tài)的變化等另外一類(lèi)現(xiàn)象。前者的特征是物體的空間位置發(fā)生變化,被稱(chēng)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，力學(xué)研究其規(guī)律;仔細(xì)分析后一類(lèi)現(xiàn)象，會(huì)發(fā)現(xiàn)存在一共同的特點(diǎn)，即都與溫度有關(guān)。我們將這一類(lèi)的物質(zhì)物理性質(zhì)隨溫度變化的現(xiàn)象稱(chēng)為熱現(xiàn)象。
熱現(xiàn)象的產(chǎn)生是物質(zhì)內(nèi)部大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的.當(dāng)討論和研究熱現(xiàn)象規(guī)律時(shí)，物體的整體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)已不再屬于討論的范疇,人們將目光投向物質(zhì)內(nèi)部大量分子運(yùn)動(dòng)上。區(qū)別于機(jī)械運(yùn)動(dòng)物理概念，人們將由大量無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子所組成的宏觀物質(zhì)以熱現(xiàn)象為主要標(biāo)志的運(yùn)動(dòng)形態(tài)稱(chēng)為熱運(yùn)動(dòng)。
熱現(xiàn)象是熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn),熱運(yùn)動(dòng)是熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì).
熱運(yùn)動(dòng)不是孤立，往往在一定條件下可向其它運(yùn)動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)化。如摩擦生熱、揮發(fā)降溫、氣缸內(nèi)氣體吸熱對(duì)外做功、電流通過(guò)電阻發(fā)熱和溫差電池等。因此研究熱運(yùn)動(dòng)同其它運(yùn)動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)化的規(guī)律也是熱學(xué)研究的另一個(gè)重要基本內(nèi)容。
熱學(xué)是研究物質(zhì)熱現(xiàn)象、熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及
熱運(yùn)動(dòng)同其它運(yùn)動(dòng)形式之間轉(zhuǎn)化規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。
物理熱力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史
人類(lèi)對(duì)熱現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)首先源于對(duì)火的認(rèn)識(shí)
古代物理學(xué)
古代西方：火、土、水、風(fēng)是構(gòu)成萬(wàn)物的四個(gè)主要元素。
中國(guó)古代：金、木、水、火、土五行學(xué)說(shuō)。
實(shí)際古代物理學(xué)主要成就是古代原子論，人們用古代原子論解釋一切現(xiàn)象，其特點(diǎn)是猜測(cè)性的思辮。
18世紀(jì)的熱學(xué)
熱是物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)這一基本思想逐步確立，但由于缺乏精確實(shí)驗(yàn)根據(jù)，尚未形成科學(xué)理論。
18世紀(jì)中葉以后，系統(tǒng)的計(jì)溫學(xué)和量熱學(xué)的建立，使熱現(xiàn)象的研究走上實(shí)驗(yàn)科學(xué)的道路，由于各種物理現(xiàn)象的相互聯(lián)系尚未被揭示出來(lái)，“熱質(zhì)”這一特殊的“物質(zhì)”被臆想出來(lái),在以“將錯(cuò)就錯(cuò)”的形式發(fā)揮一定作用后最終退出歷史舞臺(tái)。
19世紀(jì)的熱學(xué)
在1644年笛卡兒在《哲學(xué)原理》中就提出了運(yùn)動(dòng)不變的思想，但沒(méi)有給出具體反映這種不變性本質(zhì)的物理概念。隨著人們對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的不斷加深和拓廣，逐步發(fā)現(xiàn)不同的物理現(xiàn)象之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。德國(guó)科學(xué)家邁耶從哲學(xué)角度首先確定了這種永恒性，他堅(jiān)信“無(wú)不生有，有不變無(wú)”，通過(guò)對(duì)馬拉車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致地分析，指明輪子摩擦散熱和馬做功一定有確定的比例;后來(lái)英國(guó)科學(xué)家焦耳通過(guò)大量精確和嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出熱功當(dāng)量為4.18J/cal，確立了建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ);德國(guó)科學(xué)家亥姆霍茲最終建立了能量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)。他從v=推出了mgh=1/2mv^2,并建議用1/2mv^2代替mv表示機(jī)械運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱，用來(lái)度量能量的改變。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的建立過(guò)程說(shuō)明了正確的哲學(xué)思想、嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理是自然科學(xué)認(rèn)知過(guò)程的三個(gè)基本要素。
熱力學(xué)第一定律就是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在熱現(xiàn)象過(guò)程中的具體表現(xiàn)。在熱力學(xué)第一定律建立以后，德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯和英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文通過(guò)分別對(duì)法國(guó)工程師卡諾關(guān)于理想熱機(jī)效率問(wèn)題研究成果的細(xì)致分析，各自獨(dú)立的發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律，并找到了反映物質(zhì)各種性質(zhì)的熱力學(xué)函數(shù)。
1850年前后，物理學(xué)界普遍認(rèn)識(shí)到了熱現(xiàn)象和分子運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，但微觀結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的物理圖像仍是模糊或未知的。憑借著對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的假設(shè)和運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，克勞修斯正確地導(dǎo)出了氣體實(shí)驗(yàn)公式。另外，麥克斯韋和玻爾茲曼在研究分子分布規(guī)律和平衡態(tài)方面也做出了卓有成效的工作。后來(lái)吉布斯把玻耳茲曼和麥克斯韋所創(chuàng)立的統(tǒng)計(jì)方法推廣而發(fā)展成為系統(tǒng)的理論，將平衡態(tài)和漲落現(xiàn)象統(tǒng)一起來(lái)并結(jié)合分子動(dòng)理論一起構(gòu)成統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。
現(xiàn)代物理的熱學(xué)
在1900年歐洲物理年會(huì)上，英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文發(fā)表過(guò)一段非常著名的講話，其中他不僅講道“19世紀(jì)已
將物理學(xué)大廈全部建成，今后物理學(xué)家的任務(wù)就是修飾完善這座大廈了”，而且又講道“在物理學(xué)的天空中幾乎一片晴朗，只存在兩朵烏云。”他所指的兩朵烏云其實(shí)就是邁克爾遜—莫雷測(cè)量“以太風(fēng)”實(shí)驗(yàn)和測(cè)量黑體輻射實(shí)驗(yàn)中用現(xiàn)有的經(jīng)典物理無(wú)法解釋。后來(lái)對(duì)“以太”的測(cè)量的研究和愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的建立，揭示了經(jīng)典牛頓時(shí)空觀的嚴(yán)重缺陷;而對(duì)黑體輻射能譜分布規(guī)律的研究及對(duì)熱容量的研究，揭示了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論的重大缺陷，發(fā)現(xiàn)了微觀運(yùn)動(dòng)的新特性。1900年普朗克提出了能量量子化的假設(shè)，用這種假設(shè)成功地揭示了黑體輻射問(wèn)題。與量子力學(xué)的有機(jī)結(jié)合使經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)發(fā)展成為量子統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。二十世紀(jì)五十年代以后，非平衡態(tài)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)得到迅速發(fā)展，其代表人物是比利時(shí)物理學(xué)家普里高金。
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