热学基础教程

桑苏玲

教授，博士，硕士研究生导师。主要从事非线性光学及物理教学论的研究工作。省级一流专业(物理学)负责人，宁夏“十三五”重点建设专业(物理学)负责人，自治区产教融合示范专业(电子信息工程)负责人，区级“热学”一流课程和优质资源课程负责人。主持省部级以上教学科研项目十余项。在国际知名学术期刊上发表论文二十余篇，出版专著3部。主讲课程包括力学、热学、中学物理教学设计与实施等。

绪论

选读一一科学、技术和工程

第1章热力学第一定律与温度

大单元教学设计的核心环节

1.1平衡态和状态参量

1.2热力学第零定律与温度

1.3温标的建立

1.4理想气体状态方程

选读一一几种常用的温度计

第2章热力学第一定律和内能

大单元教学设计的核心环节

2.1热力学系统的过程

2.2功内能热量

2.3热力学第一定律

2.4理想气体的内能、热容和焓

2.5热力学第一定律对理想气体几种典型过程的应用2.6循环过程

选读

热的本质

选读二

热机

选读三

机械功.

选读四

守恒和对称

第3章热力学第二定律

大单元教学设计的核心环节

3.1热力学第二定律

3.2实际宏观过程的不可逆性

3.3卡诺定理

3.4熵与热力学第二定律

选读

卡诺及其贡献

选读二物理规律的适用范围

选读三经典物理学时空观

第4章分子动理论

大单元教学设计的核心环节

4.1分子动理论的基本观点

4.2

分子力

4.3

理想气体的压强

4.4

温度的微观实质

4.5能量按自由度均分定理

4.6理想气体的内能和摩尔热容

4.7麦克斯韦分子分布定律

玻尔兹曼分布规律

4.8

4.9气体动理论与热力学定律

选读-熵

一-

选读二一简谐振动的能量

第5章气体内的输运过程

5.1

分子碰撞和平均自由程

气体内的输运过程及其基本定律

5.2

选读一一斯托克斯定律

第6章范德瓦尔斯气体固体液体

6.1

范德瓦尔斯方程

6.2

非理想气体内能，焦耳一汤姆逊实验

6.3

晶体的基本性质

6.4

液体的微观结构

6.5

液体的表面张力

6.6

弯曲液面下的附加压强

6.7

毛细现象及毛细管公式

选读

等离子体

选读二液晶

选读三一物理学的理想模型第7章相变

7.1相・

7.2相变

7.3相平衡

参考文献

绪论

科学是指反映自然、社会、思维等客观规律的分科的知识体系，按研究对象可分为社会科学、自然科学等。研究各种社会现象的科学叫做社会科学，包括政治经济学、法律学、历史学、文艺学等。研究自然界各种物质和现象的科学叫做自然科学，包括物理学、化学、数学等。物理学是自然科学的重要组成部分，它的迅速发展和巨大成就对许多领域都有重大影响。

一、物理学的形成和发展

1，物理学的形成

物理学一词来源于希腊文，它在希腊文中的原义是“自然”。在古代欧洲的时候，“物理学”一词曾经是自然科学的总称。随着自然科学的发展，它的许多分支都一一独立出去了，物理学的研究范围也随之变化。19世纪中期，物理学的研究范围仅限于物质性质不发生变化的过程。但是这种限制已逐渐被突破，物理学的研究对象已扩大到较宽的领域。现在认为，物理学是研究物质的结构、物体间的相互作用及它们的运动规律的科学。通常，它又分为力学、热学和分子物理学、电磁学、光学、原子物理学和原子核物理学，以及固体物理学等许多分支。物理学的发展，大致可以分作古代物理学、经典物理学和现代物理学三个时期。

16世纪之前的物理学被称为古代物理学。古代物理学历时几千年，主要成果有公元前420年，德莫克利特提出“原子论”，认为一切物质均由无限多个不可分割、看不见的“原子”所组成;公元前300年，古希腊数学家和力学家阿基米德等制造了杠杆、轮轴等物理器械;罗马灭亡后，科学进入停滞期，基督教的神学主宰一切;直到文艺复兴时期，科学从神学禁锢中解放出米;1543年波兰天文学家、数学家哥白尼对神学提出质疑，发表《天体运行》，说明天体运行是以太阳为中心。

17世纪到19世纪形成的物理学被称为经典物理学。人们对客观世界的认识，在早期起源于感觉。根据感觉，将观察到的现象加以分类，如与视觉有关的现象归为一类，对它们的研究称为光学;与听觉有关的一类称为声学;热现象与另一种感觉有关，由此而建立起热学。当然，物体的机械运动是自然界中最常见的现象，也便于观察，所以力学的建立比光学、热学和声学都早。17世纪时，力学已形成为相对独立且完整的学科。对物质微观结构的正确认识影响了热学的发展，而电磁学与直接感觉的联系较少，所以这两个学科直到19世纪才形成物理学的一个独立分支。对光现象的研究显而易见取决于电磁学的成就，所以20世纪初，光学最后构建完成。以上所讲的力学、热学、声学、光学和电磁学称为物理学的经典分支或统称为经典物理学。牛顿于1687年发表了他的不朽名著《自然哲学的数学原理》，从而结束了前后约200年的对自然界的探索时期，确定了经典物理学的完整体系。由伽利略和牛顿等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个基础学科的拓展，到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展，达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建立了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱一一经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学-一已臻于成熟和完善，不仅在理论的表述和结构上十分严谨和完美，而且其中所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观念，对人类的科学认识也产生了深远的影响。提到经典物理学的发展，不得不提到的人有很多。比如，伽利略，经典物理学中的力学尤其是动力学的创建是伽利略的功劳。他原本是研究医学的，但却放弃了医学转而从事物理学研究，他在比萨斜塔上著名的落体实验证明了轻的物体和重的物体落体速度是相同的，他发明了望远镜、显微镜和空气温度计，他宜讲并论证哥白尼的太阳中心说，他还是最早教导人们不能把圣经当作科学教科书的人之一，并因此受到教会的迫害。历史上，牛顿力学体系的创立，曾给物理学一个巨大的推动力，牛顿对物理学基本定律的叙述是权威的，直到19世纪末著名的三大实验揭开了现代物理学的序幕，经典物理学的局限性和内在矛盾开始显露出来。三大实验包括伦琴的X射线的发现、放射性的发现及汤姆孙电子的发现，众多新发现和旧原理之间产生了矛盾，比如居里夫妇发现了铺的永恒发热现象违反了能量守恒原理，而电子质量随着速度的增加而增大违反了质量守恒原理，这接连不断的新发现，使经典物理学几乎在所有领域都遇到了困难，人们不得不承认在经典物理学晴朗的天空下出现了两朵“乌云”，第一朵“乌云”指的是以……