“不引起其他變化”的條件。 如果沒有這個條件，熱量就可以從低溫物體傳遞到高溫物體。 二、熱力學第二定律的兩個表達式 1、開爾文表達式：不可能從單一熱源吸收熱量，使其完全轉化為有用功而不引起其他變化。 開爾文表達式也可以簡單地描述為功不可逆地轉變為熱量，否則第二種永動機是不可能的。 “不引起其他變化”是條件。 如果沒有這個條件，熱量就可以全部轉化為功。 這種永動機并不違反熱力學第一定律。 它可以利用大氣或海洋作為單一熱源，可以吸收幾乎取之不竭的熱量而做功。 2.克勞修斯指出：不可以將熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化。 克勞修斯表達式的等價表達是：熱傳遞是不可逆的。 熱力學第二定律的本質是指出：一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。 熱力學第二定律可以用多種方式表達，但可以證明這些表達式是等價的。 自然過程的不可逆轉性導致樹葉永遠掉落，水也無法回收； 欲復興，難矣；欲復興，難矣。 若欲破鏡熱力學 物理學家，無緣重逢；若欲破鏡，無緣重逢； 人生容易老去，返老還童只是幻想； 生米和熟米沒有辦法恢復。 大多數自然現象、歷史和人類都是不可逆轉的。 生態環境的變化是不可逆轉的。 本課小結： 1.復習了正向循環（熱機循環）和反向循環（冰箱循環）的概念； 2.討論了熱力學第二定律的兩種表達式； 3.采用反證法證明了熱力學第二定律兩個表達式的等價性； 4、闡明了熱力學第二定律的本質。
家庭作業：1.5； 1.6； 1.7. §1.6 卡諾定理的應用 1. 熱力學溫標可逆卡諾循環的熱機效率與工質特性無關。 當該循環在具有經驗溫度 t1 和 t2 的兩個熱源之間工作時 當該循環在具有經驗溫度 t2 和 t3 的兩個熱源之間工作時。 當循環在經驗溫度為t1和t3的兩個熱源之間工作時，函數的形式與溫標的選擇有關。 現在選擇一個溫標。 ，來表示溫標測量的溫度，并以純水的三相點為標準溫度點，嚴格定義其溫度為273.16K ** 熱力學與統計物理講師：范建中 主要參考書目及文獻1.馬本坤等，《熱力學與統計物理》，高等教育出版社，1980年9月第1版。 2. 王志成，《熱力學與統計物理》，高等教育出版社，2003年3月第3版。 3. 彭匡鼎，李相如等.，熱力學與統計物理實例與練習，高等教育出版社，第1版，1989年8月。 4. 苗勝清，王碧和，熱力學與統計物理，安徽教育出版社，1986年7月第1版。 5. 李紅銀等。 ，《熱力學與統計物理》，河南大學出版社，1988年7月第1版。 6. F.瑞福著，周世勛等譯，《統計物理》，科學出版社，1979年9月第1版。 7. Л.Д 撰寫。 和EM ，楊訓凱譯，《統計物理》，人民教育出版社，1964年7月，第一版。 8. W. 、L. Ness、H. Stork，《熱力學與統計物理》，北京大學出版社，第 1 版，2001 年 12 月。 9. 馮宇光等，《熱力學與統計物理概論》，中國科學技術出版社，第 1 版，1993 年 6 月版。 10. 范建忠，《熱力學與統計物理》，科技文獻出版社，2005年7月。第一版簡介。 熱力學是研究熱現象的宏觀理論。 它不涉及物質的微觀結構，而是從能量的轉化開始。 以大量實踐總結出的若干基本宏觀規律為基礎，運用嚴格的邏輯推理而形成的一整套熱現象理論。
正如偉大的物理學家愛因斯坦所指出的：“熱力學使用的是分析方法，而不是合成方法。構成其基礎和起點的元素不是用假設構建的，而是在經驗中發現的。它們是自然過程的普遍特征。” ，即原理。 “統計物理學是研究熱運動的微觀理論。 它從物質的微觀結構出發，以微觀粒子所遵循的力學定律為基礎，然后利用概率統計的方法進行計算。 系統的宏觀性質及其變化規律。 諾貝爾獎獲得者中國物理學家李政道認為：“統計物理學是理論物理學中最完美的學科之一，因為它的基本假設很簡單，但它的應用卻很廣泛。物理學研究的目的是探索自然的基本原理，這基本原理簡單，其數學表達不一定復雜，但其研究領域一定很廣泛，而統計物理就具備這個特點。” 第一章熱力學基本定律§1.1 熱力學。 基本概念一：熱力學系統與外部世界熱力學的研究對象稱為熱力學系統，簡稱系統。 它是由大量微觀粒子（可以是原子、分子、電子，也可以是場等特殊物質）組成的有限的宏觀物體。 它的特點是時間和空間的宏觀尺度以及巨大的自由度。
根據系統各部分的物理、化學等性質是否均勻，可將系統分為均勻系統和非均勻系統兩類。 與系統互連的所有周圍對象或對象組稱為系統的外部世界，或簡稱為外部世界。 外界可以概括為對所研究的系統施加的一定的外部條件（如壓力、溫度、電磁場等），外界對系統的影響可以用外部條件來表示。 1、孤立系統：不與外界交互的系統稱為孤立系統。 此時系統與外界既沒有能量也沒有物質交換。 2、封閉系統：不與外界交換物質但進行能量交換的系統稱為封閉系統。 3、開放系統：不與外界進行物質和能量交換的系統稱為封閉系統，簡稱開放系統。 熱力學系統的狀態由表征系統宏觀物理性質的宏觀參數來描述。 這種用宏觀參數描述的狀態稱為熱力學狀態或宏觀狀態，相應的宏觀參數稱為狀態參數。 熱力學系統的宏觀狀態完全由一些獨立的物理量決定。 系統的狀態可以通過這些物理量的連續函數來描述，例如簡單系統的自由能F(T,V)。 當系統的溫度T和體積V確定后，系統的狀態就完全確定了。 狀態參數可分為內部參數和外部參數。 內部參數代表系統的內部狀態。 例如物理資源網，氣體的溫度、密度、介質的極化強度等都是內參； 外部參數代表系統外部世界的狀態，或者是施加在系統上的外部條件，例如容器的體積以及作用在系統上的電場和磁場的強度等，它們都是外部的參數。
狀態參數根據與系統質量的關系也可分為廣延量和強度量兩類。 在同一狀態下，與系統質量成正比的狀態參數稱為廣延量，如粒子數、體積、內能等； 與系統質量無關的狀態參數稱為強度量，如溫度、壓力、密度等。兩個熱力學系統的狀態描述了三種平衡態和非平衡態。 孤立系統所達到的不再隨時間變化的狀態稱為熱力學平衡狀態，簡稱平衡狀態。 不滿足上述條件的狀態稱為非平衡狀態。 熱力學平衡狀態具有以下特點： 1、當系統處于平衡狀態時，雖然其宏觀性質不再隨時間變化，但組成系統的大量微觀粒子仍然在不斷運動。 這只是這些微觀粒子運動的平均效果。 只是沒有改變。 因此，熱力學平衡狀態是一種動態平衡，通常稱為熱力學平衡。 2、均衡是一個理想化的概念，是一定條件下對實際情況的抽象和概括。 例如，在短時間內，狀態變化極其緩慢的系統狀態可以視為平衡狀態。 當系統處于非平衡狀態時，可以采用局部平衡法來近似，即將系統劃分為許多更小的部分，每個部分本身近似處于平衡狀態。 3、在平衡狀態下，系統的宏觀量的值仍然會波動。 但對于宏觀系統來說，波動極小，一般情況下可以忽略不計。 4、當系統處于熱力學平衡時，系統的宏觀狀態不隨時間變化，系統內部不發生宏觀物理過程（如熱傳導、擴散等）。
對于封閉系統和開放系統來說，只要有不斷的外部作用，系統在一定時間后就能達到其宏觀性質不隨時間變化，但系統內部仍然存在宏觀物理過程的狀態。 系統的這種狀態不是平衡狀態，而是穩定狀態。 5、孤立系統從某種非平衡狀態開始，直到達到孤立系統應有的平衡狀態所需的時間稱為弛豫時間，用符號τ表示。 其長度由系統的性質和弛豫機制決定。 非平衡態可分為近平衡態和遠平衡態兩種非平衡態。 前者稱為線性非平衡狀態，其變化趨于平衡。 這是一般熱力學中討論的非平衡問題。 后者稱為非線性非平衡態，由于遠離平衡態而形成新的結構，即耗散結構。 這是比利時布魯塞爾學派的普里戈金于1969年提出的新概念。 6、當系統處于平衡狀態時，系統具有一定的狀態參數，宏觀上它們處處相同，不發生宏觀物理過程（僅存在是熱運動）； 當系統處于非平衡狀態時，系統沒有確定的狀態參數，宏觀上處處不同，發生宏觀物理過程（定向輸運過程）； 當系統處于穩定狀態時，系統有確定的狀態參數，宏觀上各處不同，發生宏觀物理過程（定向輸運過程）； 在一定的平衡狀態下，描述熱力學系統宏觀性質的狀態參數所滿足的函數關系，稱為狀態方程。
①理想氣體的狀態方程pV=nRT 其中n為理想氣體的摩爾數，R為通用氣體常數，R=8.31 J/K﹒ mol，NA 是阿伏加德羅常數，k 是玻爾茲曼常數。 ② 范德韋爾斯方程四狀態方程 對于氣體、液體和各向同性固體等不受外力場影響的均勻系統，狀態方程可表示為 f(T, p, V)=0 1. 方程氣體的狀態方程： ③氣體系統較準確的狀態方程是Onnes方程，其中A、B、C、D分別稱為第一、第二、第三。 ...維里()系數。 當壓力趨于零時，上式應過渡到理想氣體狀態方程，故第一維里系數A=RT。 其他維里系數可以通過實驗確定。 這些維里系數是溫度的函數，與氣體的性質無關。 2、簡單固體和液體（均勻、各向同性）的狀態方程為V0為壓力p=0時的體積，T=T0，T0為常數。 α和κ的值很小，在一定溫度范圍內可以近似視為常數。 3. 介電固體的狀態方程 當均勻的電介質置于電場中時，會發生極化。 極化過程中電介質的體積變化很小。 當溫度不太低時，均質電介質的狀態方程為： P 為電極化強度，E 為電場強度，a、b 為常數 4、順磁性固體的狀態方程 當順磁性固體時置于磁場中，會發生磁化。
在通常的實驗中，磁化過程是在一個大氣壓下進行的，因此壓力是恒定的，并且只有很小的體積變化。 在高溫和弱磁場下，順磁固體的狀態方程為： 式中，m為磁化強度，H為磁場強度，a為與物質有關的常數。 上式也稱為居里定律。 5. 物質 與狀態方程相關的三個系數是定壓膨脹系數、定容壓力系數和等溫壓縮系數，可以從循環關系式中得到[例1]。 分別用實驗測得的某種氣體體系的等壓膨脹系數和等溫壓縮系數，其中a為常數，求出該氣體的狀態方程。 【解】以T和P為自變量，則V=V(T,p)。 兩邊同時乘以p，對兩邊積分得到方程。 與理想氣體狀態方程比較，可得 6。熱力學過程使系統的狀態隨時間發生變化。 所經歷的變化稱為熱力學過程，或簡稱為過程。 1.準靜態過程和非靜態過程如果過程進行得非常緩慢，使得系統在過程中所經歷的每一個狀態都可以視為平衡狀態，這樣的過程稱為準靜態過程。 反之，如果在過程中系統的平衡狀態被破壞到不可忽視的程度，這樣的過程稱為非靜態過程。 通常，準靜態過程也稱為平衡過程，非靜態過程也稱為非平衡過程。 無限緩慢進行的過程 (Δt>>τ) 是準靜態過程。 2、可逆過程和不可逆過程假設一個系統從狀態A經過某個過程P到達狀態B，如果我們能找到另一個過程R，它可以將一切恢復到原來的狀態（系統和外界都回到原來的狀態） ），則過程P稱為可逆過程； 反之，如果找不到滿足上述條件的過程R，則稱過程P為不可逆過程。
無摩擦準靜態過程是可逆過程 §1.2 熱力學與溫度第零定律 如果任意兩個系統同時與第三個系統處于熱平衡，則這兩個系統必定處于熱平衡。 這種熱平衡的可傳遞性被稱為熱力學第零定律。 1.熱力學第零定律。 溫度是熱力學系統的獨特狀態參數。 2.溫度（系統I和II達到熱平衡）（系統II和III處于熱平衡）（系統I和III處于熱平衡）I和II都與III達到熱平衡函數。 t代表系統的溫度。 溫度是表示相互接觸的一個系統和另一個系統是否處于熱平衡的物理量。 I Ⅱ ⅢⅢⅠ 圖1-2 若Ⅰ～Ⅱ且Ⅱ～Ⅲ，則Ⅰ～Ⅲ。 （表示處于熱平衡狀態，如圖1-2） 3、溫標和溫度計經驗溫標：攝氏溫標（0～100℃）、華氏溫標（32～212℉） 理想氣體溫度標度：純水的三相點溫度規定為Ttr=273.16K。 ptr 表示溫度計內氣體在三相點的壓力。 當溫度計內氣體的壓力為p時，用線性關系規定此時的氣體溫度是各種氣體在壓力趨于零的極限條件下所決定的趨勢。 一個常見的極限溫度，這個極限溫標稱為理想氣體溫標。 單位是開爾文，用K表示，其大小與攝氏度相同。 熱力學溫標是完全獨立于任何測溫物質和性質的溫標。 它是根據熱力學第二定律引入的溫標。
歷史上，是開爾文首先提出的，也稱為開爾文溫標。 由這個溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，用T表示。理想氣體溫標的原點（零度）就是熱力學溫標的原點，稱為絕對零。 熱力學溫度與攝氏溫度之間的關系為 §1.3 熱力學第一定律 1. 準靜態過程中的功表達。 1、體積變化所做的功和外界對系統所做的功為如果過程是準靜態的，活塞的摩擦阻力可以忽略不計，那么W的大小就是活塞的面積pV 圖上準靜態過程曲線下的陰影面積。 系統對外所做的功是。 在非靜態過程中，外界對系統所做的功仍然等于外部壓力和活塞。 位移的乘積，但是2。液面膜面積變化所做的功如圖1-5所示。 將液面膜拉伸在金屬框架上。 長度為l的金屬絲可以自由移動。 液膜的表面張力系數為σ金屬絲。 當dx準靜態移動時，外界對液面膜所做的功為3。磁介質被磁化所做的功如圖1-6所示。 假設磁介質的長度為l，橫截面積為S，匝數為N。 線圈，并且認為磁介質的長度遠大于直徑。 當接通電源時，當改變電流的大小使磁介質中的磁場發生變化時，線圈中就會產生一個反電動勢V，外部電源必須克服這個反電動勢才能執行功，可以近似認為介質中的磁場和磁化強度是均勻的。 根據電磁感應定律，安培環路定律中，m為磁化強度，μ0為真空磁導率。 如果以磁介質為研究對象，則在準靜態磁化過程中，磁介質上的外磁化功為： 式中，M=Vm 為磁介質的總磁矩。 4、電介質極化所做的功當外電場E使電介質極化時，如圖1-7所示，當外電場E使電介質極化時，隨著電場E的變化，總電矩電介質的 P 值也會發生變化。 令增量為 dP。 如果僅以電介質作為研究對象，那么外部電場對電介質所做的功就是準靜態過程中外界對系統所做的基本功。 一般可以表示為 其中yi 稱為決定系統狀態（如體積V、面積A、磁矩M、電矩P 等）的廣義坐標，Yi 稱為對應的廣義力yi（如壓力-p、表面張力系數σ、磁場強度H、電場強度E等）。 傳熱：系統與外界之間不做任何宏觀功而傳遞熱量的過程 2.熱量的表示 熱量：熱交換過程中系統與外界之間傳遞的熱量 能量的計量： 熱容： In在一定過程中，當系統溫度升高（或降低）1K時，系統吸收（或釋放）的熱容量與質量成正比，因此是一個廣延量。 熱容的單位是定體積熱容、定壓熱容、比熱容的計算公式3、內能的表示方法在一個過程中，如果系統狀態的變化完全是由于直接的機械或電的作用而沒有任何其他作用影響，該過程稱為絕熱過程。 絕熱過程 過程中外界對系統所做的功只與初態和終態有關，而與過程所經過的路徑無關。 絕熱過程中外界對系統所做的功W用來表示最終狀態B與初始狀態A之間的狀態函數U。其差函數U稱為系統的內能。 內能是一個廣泛的量。 系統的內能是系統中微觀粒子無規則運動的動能與粒子間相互作用的勢能之和。 采用局部平衡的方法。 ，內能的概念也可以擴展到非平衡狀態的系統。 系統的內能等于各局部子系統的內能之和，可表示為 1. 絕熱過程 2. 焦耳實驗結論 3. 系統經過初始狀態 A 和終態后的內能B給定，可以有無窮多個絕熱過程來完成這種狀態的變化。 所有這些過程（包括非靜態絕熱過程）中外界對系統所做的功是相等的。 第一熱力學積分定律的公式為4。 熱力學第一定律。 如果系統沒有經歷絕熱過程，那么在此過程中外界對系統所做的功不等于內能的增加。 兩者之差就是系統吸收的熱量，即無窮大。 小型準靜態過程中熱力學第一定律的微分表達式。 熱力學第一定律的微分表達式對于絕熱系統和孤立系統有：當孤立系統中發生各種過程時，能量可以在子系統之間傳遞，但整個孤立系統的內能是守恒的，即能量轉換和守恒定律。 當系統經歷循環過程時，內能不發生變化。 這意味著系統通過循環過程所做的功等于它吸收的熱量。 如果外界沒有熱量的供應，系統就無法對外做功。 熱力學第一定律也可以表達為第一類永動機是不可能制造出來的。 §1.4 熱力學第一定律的應用 1. 熱容與內能的關系 對于簡單的均勻氣體系統，在沒有外場的情況下，可以用 p、V、T 三個參數來描述狀態系統的。 在體積恒定的情況下，dV=0，則有熱力學第一定律，加上等壓條件dp=0，我們可以得到兩個，理想氣體的內能1.焦耳定律或著名的自由膨脹焦耳實驗將理想氣體引入真空，證實對于理想氣體，在一定溫度范圍內，由理想氣體狀態方程求得，由CV、Cp和γ給出。 它可以被視為一個常數，因此積分得到 3. 理想氣體的多邊形過程。 當理想氣體系統經過一定的過程時，假設其熱容為C，由熱力學第一定律即可求得。 對理想氣體狀態方程兩邊求導，令多邊形指數為多邊形。 過程方程 = 常數 0 絕熱過程 PV = 常數 1 ±∞ 等溫過程 0 V = 常數 ±∞ 等容過程 P = 常數 0 等壓過程 系統對外界做功 過程方程多項式索引 z 熱容量項目 1698 英國 , 獨立1705年發明了蒸汽機，主要用于礦井抽水。 當時效率非常低。
1765年，瓦特在修理紐科門蒸汽機的基礎上，對蒸汽機進行了重大改進，將凝汽器與汽缸分離，發明了曲軸和齒輪傳動裝置、離心調速器等，使蒸汽機現代化，大大提高了蒸汽機的效率。 效率使蒸汽機成為當時普遍適合工業生產的通用原動機，但當時的效率只有3%左右。 熱機的發明和使用是18世紀中葉開始的第一次工業革命的重要標志之一。 熱機的研究促進了熱力學的快速發展。 與熱力學相關的循環過程的研究是熱力學第一定律的輝煌成就。 為了提高熱機效率而進行的卡諾循環研究，對于熱力學第二定律的建立也起到了關鍵作用。 熱機發展簡介 §1.5 熱力學第二定律 1. 熱機與循環 1. 正向循環：循環過程的方向為順時針方向。 當系統循環一周時，將從高溫熱源吸收Q1的熱量，并將Q2的熱量釋放到低溫熱源。 同時，系統輸出的凈功為W′=Q1-Q2，其值等于pV圖上循環曲線所圍成的面積。 正循環可以對外界做正功，是熱機的循環。 熱機的效率為p VAB 圖1-9 系統從初始狀態開始，經過一系列中間狀態，最后回到初始狀態的過程稱為循環過程。 如果循環過程是無耗散的準靜態過程，則循環過程是可逆的； 如果循環過程是非靜態過程或耗散過程，則循環過程是不可逆的。 相應的熱機分別稱為可逆熱機和不可逆熱機。 熱機是一種能連續地將熱能轉化為機械能的機器。 0.46 燃氣輪機 0.07 熱電偶 0.08 蒸汽機車 0.25 汽油機 0.37 柴油機 0.48 液體燃料火箭效率熱機 目前蒸汽機主要用于發電廠。
除蒸汽機外，熱機還包括內燃機、噴氣機等，雖然它們的工作方式和效率不同，但其工作原理基本相同，都是不斷地將熱量轉化為功。 幾種設備的效率如下： 循環過程的方向為逆時針方向。 當系統循環一個周期時，會從低溫熱源吸收熱量Q2，并向高溫熱源釋放熱量Q1。 同時，系統對外所做的功為W=Q1-Q2，其值等于pV圖上循環曲線所圍成的面積。 逆循環是外界對系統做正功熱力學 物理學家，是冰箱的一個循環。 其循環效率就是冰箱的制冷系數。制冷系數為2，逆循環：冰箱的循環就是冰箱的循環。 其工作原理如圖所示。 壓縮機冷凝器（減壓蒸發）冰柜Q1 Q2 W = Q1-Q2節氣門閥烘干機2， Cycle和 1. Cycle可逆 循環是一個循環過程，由兩個等溫度過程和兩個完美的過程組成如圖1-12所示。 AB過程是一個等溫過程，系統吸收的熱量為1）在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間起作用的所有可逆熱發動機都具有相同的效率，無論工作實質如何， IS（2）在相同的高溫熱源和相同的低溫熱源之間起作用的所有不可逆的熱發動機，在相同條件下，加熱發動機的效率小于可逆熱發動機的效率。 也就是說，定理的提議清楚地表明，理想的熱發動機效率的上限不是1，而是理想的熱發動機的效率。 ①提高熱溫發動機溫度差的高溫和低溫熱源的效率； ②減少熱發動機每個部分的耗散因子。 提高熱發動機效率的有效方法是：低溫熱源的溫度無法降低，因此唯一的方法是增加高溫熱源的溫度并減少耗散因子。