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绪论1

第一章 热学基本概念3

1.1 平衡态和状态参量3

1.1.1 系统和外界3

1.1.2 平衡态3

1.1.3 状态参量4

1.2 温度5

1.2.1 热力学第零定律和温度5

1.2.3 气体温度计和理想气体温标6

1.2.2 温标6

1.2.4 其他温标8

1.2.5 常用温度计9

1.3 理想气体状态方程12

1.3.1 状态方程12

1.3.2 理想气体状态方程13

1.3.3 混合理想气体状态方程15

1.4 分子力18

1.4.1 分子力概述 范德瓦耳斯力18

1.4.2 分子力经验公式和伦纳德-琼斯势20

1.4.4 分子碰撞有效直径22

1.4.3 其他分子作用势模型22

1.4.5 决定宏观物体热现象的基本因素23

1.5 理想气体压强和温度的微观意义24

1.5.1 理想气体微观模型24

1.5.2 理想气体压强25

1.5.3 温度的微观意义26

1.6 真实气体状态方程27

1.6.1 范德瓦耳斯方程27

1.6.2 昂尼斯方程30

附录1-1 水的三相点管32

附录1-2 压强单位换算表33

思考题33

习题33

第二章 近独立粒子系平衡态统计分布38

2.1 概率和统计基本概念38

2.1.1 概率和概率密度38

2.1.2 统计规律40

2.1.3 统计平均值40

2.1.4 涨落41

2.2.1 重力场中气体分子数密度按高度的分布43

2.2 重力场中粒子数密度按高度的分布43

2.2.2 悬浮微粒按高度的分布45

2.3 麦克斯韦-玻尔兹曼能量分布律45

2.3.1 相宇和子相宇45

2.3.2 宏观状态和微观状态46

2.3.3 经典统计中宏观态对应的微观态数47

2.3.4 等概率原理和最概然统计法48

2.3.5 最概然分布48

2.3.6 β的确定50

2.3.7 结论51

2.4 麦克斯韦速度和速率分布律56

2.4.1 麦克斯韦速度分布律56

2.4.2 速度空间59

2.4.3 麦克斯韦速率分布律60

2.4.4 分子速率的三个统计值61

2.4.5 误差函数64

2.5 分子通量及其应用65

2.5.1 分子通量65

2.5.2 理想气体压强公式67

2.5.3 泻流和分子束68

2.5.4 麦克斯韦速度分布律实验验证70

2.5.5 同位素分离的气体扩散法71

2.5.6 热分子压差72

2.6 能量均分原理72

2.6.1 力学系统的自由度数72

2.6.2 能量均分原理73

2.6.3 理想气体内能75

2.6.4 理想气体热容76

2.6.5 经典理论的局限77

2.7.1 量子统计应考虑的微观粒子特性80

2.7 量子统计法80

2.7.2 宏观状态对应的微观状态数82

2.7.3 平衡态粒子数分布83

2.7.4 从 FD 和 BE 分布到 MB 分布的过渡85

2.8 金属中电子气体88

2.8.1 自由电子模型88

2.8.2 T=OK 情形89

2.8.3 T＞OK 情形91

2.8.4 电子气体热容91

2.8.5 自由电子模型的进一步讨论93

2.9.1 玻色-爱因斯坦凝聚94

2.9 玻色-爱因斯坦凝聚和光子气体94

2.9.2 理想玻色气体的压强和热容96

2.9.3 玻色-爱因斯坦凝聚实例97

2.9.4 光子气体98

2.10 子系统温度和负温度100

2.10.1 子系统温度100

2.10.2 粒子数反转和负温度101

附录2-1 定积分公式102

附录2-2 误差函数简表102

习题103

思考题103

第三章 热量和热传递108

3.1 热力学过程和热量108

3.1.1 热力学过程108

3.1.2 热的本质109

3.1.3 热量109

3.2 热传导110

3.2.1 傅里叶定律111

3.2.2 热导率111

3.2.3 热欧姆定律113

3.3.1 瑞利的对流理论114

3.3 对流114

3.3.2 自然界一些对流现象115

3.3.3 牛顿冷却定律116

3.4 辐射传热118

3.4.1 热辐射118

3.4.2 黑体辐射120

3.4.3 基尔霍夫定律123

3.4.4 计算辐射传热的网络法125

3.4.5 气体对辐射的吸收 温室效应和臭氧层131

3.5 热管133

习题134

第四章 热力学第一定律137

4.1 功137

4.1.1 气体系统准静态过程中的功137

4.1.2 其他热力学系统的功138

4.1.3 关于功的一般讨论139

4.1.4 位形功和耗散功140

4.2 热力学第一定律141

4.2.1 内能141

4.2.2 热力学第一定律142

4.2.3 热力学第一定律和能量转化与守恒定律143

4.3 热容和焓144

4.3.1 热容144

4.3.2 热容测量145

4.3.3 焓的性质及其应用146

4.4 焦耳-汤姆孙效应 理想气体的内能和焓148

4.4.1 焦耳-汤姆孙效应148

4.4.2 焦耳-汤姆孙系数150

4.4.3 焦-汤系数表达式151

4.4.5 理想气体的内能和焓 定压热容153

4.4.4 焦耳实验153

4.5 理想气体基本过程156

4.5.1 等体过程156

4.5.2 等压过程157

4.5.3 等温过程157

4.5.4 绝热过程158

4.5.5 多方过程159

4.6 循环过程165

4.6.1 热机和循环过程165

4.6.2 卡诺循环166

4.6.3 奥托循环和狄塞尔循环168

4.6.4 制冷机和热泵171

4.7 开放系统和控制体积的热力学第一定律173

4.7.1 开放系统的热力学第一定律和人体基础代谢173

4.7.2 控制体积的热力学第一定律174

4.7.3 稳态稳流过程的热力学第一定律176

附录4-1 流体中纵波传播速度公式推导178

思考题179

习题180

5.1.1 开尔文-普朗克表述和克劳修斯表述187

第五章 热力学第二定律187

5.1 热力学第二定律两种基本表述187

5.1.2 两种基本表述的等价性188

5.2 可逆过程和不可逆过程189

5.2.1 过程可逆与不可逆的定义189

5.2.2 过程可逆与不可逆的条件190

5.2.3 各种不可逆过程是互相联系的191

5.2.4 热力学第二定律实质193

5.3 卡诺定理193

5.3.1 卡诺定理193

5.3.2 热力学温度194

5.4 熵197

5.4.1 克劳修斯定理197

5.4.2 克劳修斯等式198

5.4.3 熵199

5.4.4 熵变的计算201

5.4.5 T-S 图202

5.4.6 熵增加原理和热力学第二定律的数学表述203

5.5 热力学基本方程205

5.5.1 热力学基本方程205

5.5.2 热力学基本方程应用举例206

5.6 热力势和化学势208

5.6.1 特征函数208

5.6.2 亥姆霍兹自由能210

5.6.3 吉布斯自由能211

5.6.4 化学势212

5.7 ？214

5.7.1 封闭系统的？215

5.7.2 稳态稳流系统的？216

5.7.3 不可逆过程？损失217

5.7.4 ？效率218

5.8 热力学第二定律和熵的微观意义219

5.8.1 热力学第二定律的统计意义219

5.8.2 熵的微观意义——熵是无序的量度220

5.8.3 玻尔兹曼关系221

思考题224

习题225

第六章 非平衡现象229

6.1 气体分子的平均自由程229

6.1.2 分子碰撞频率和平均自由程230

6.1.1 分子间的碰撞(散射)230

6.1.3 分子按自由程的分布232

6.2 气体输运现象233

6.2.1 输运现象的宏观规律233

6.2.2 气体输运现象的微观定性解释236

6.2.3 气体输运现象的初级微观理论237

6.2.4 理论和实验比较240

6.3 稀薄气体中的输运过程242

6.3.1 稀薄气体及其分子平均自由程242

6.3.2 极稀薄气体的黏性现象243

6.3.3 极稀薄气体的热传导244

6.4 近平衡不可逆过程热力学246

6.4.1 局域平衡246

6.4.2 熵产生“力”和“流”247

6.4.3 线性区不可逆过程248

6.4.4 交叉效应和昂萨格倒易关系249

6.4.5 最小熵产生原理250

6.5 远离平衡不可逆过程251

6.5.1 贝纳特失稳流251

6.5.2 耗散结构252

6.5.3 混沌253

附录6-1 平均相对速率公式证明254

思考题256

习题257

第七章 物质聚集态260

7.1 晶体、非晶体和纳米材料260

7.1.1 晶体的宏观特性261

7.1.2 晶体的微观结构262

7.1.3 非晶态物质265

7.1.4 纳米结构材料267

7.2.1 晶体的结合力268

7.2 晶体的结合力和内聚能268

7.2.2 晶体的内聚能272

7.3 固体的热学性质与原子热运动274

7.3.1 晶格原子的热运动274

7.3.2 摩尔热容275

7.3.3 热传导276

7.3.4 热膨胀277

7.3.5 热缺陷279

7.3.6 固体中的扩散280

7.4.1 液体的微观结构282

7.4 液体的微观结构和彻体性质282

7.4.2 液体分子的热运动283

7.4.3 液体的彻体性质284

7.5 液体表面的性质285

7.5.1 表面张力285

7.5.2 表面内能和表面自由能287

7.5.3 表面张力的微观解释289

7.5.4 弯曲液面内外的压强差290

7.5.5 润湿和不润湿 接触角292

7.5.6 毛细现象293

7.6 液晶297

7.6.1 热致液晶分类298

7.6.2 热致液晶的一些电光性质及应用299

7.6.3 溶致液晶301

7.7 等离子体302

7.7.1 等离子体振荡303

7.7.2 德拜长度304

7.7.3 聚变等离子体305

7.7.4 低温等离子体306

7.7.5 日地空间等离子体306

思考题307

习题308

第八章 相变311

8.1 气液相变311

8.1.1 蒸发与凝结 饱和蒸气压311

8.1.2 弯曲液面对饱和蒸气压的影响313

8.1.3 液滴的形成和增大314

8.1.4 沸腾316

8.2 单元系气液二相系统等温线317

8.2.1 真实气体等温线317

8.2.2 范德瓦耳斯等温线319

8.2.3 临界常量与范德瓦耳斯常量关系321

8.2.4 对应态定理和特鲁顿定则322

8.3 固液和固气相变 相图322

8.3.1 潜热322

8.3.2 气液二相图323

8.3.3 熔解324

8.3.4 结晶324

8.3.5 固气相变326

8.3.6 相图327

8.3.7 P-V-T 面328

8.4 相平衡条件和克拉珀龙方程329

8.4.1 相平衡条件329

8.4.2 克拉珀龙方程330

8.4.3 饱和蒸气压方程331

8.4.4 熔点与压强的关系332

8.4.5 渗透与反渗透 反渗透在水处理中的应用333

8.5 一级相变和连续相变336

8.5.1 相变的分类336

8.5.2 对称破缺和序参量336

8.5.3 一级相变和连续相变比较337

8.5.4 相变的物理原因及更广义上的相变339

8.5.5 超导相变340

8.6 临界现象343

8.6.1 单轴铁磁体相变和汽化曲线临界点343

8.6.2 临界现象345

附录8-1 低温的获得346

1.液体抽气降温346

2.绝热膨胀和节流膨胀347

3.绝热离子去磁和绝热核去磁348

4.3He-4He 稀释致冷机349

5.激光冷却和射频感应蒸发冷却351

思考题352

习题353

第九章 能量直接转换356

9.1 温差电效应356

9.1.1 功函数和接触电势差356

9.1.2 佩尔捷效应358

9.1.3 汤姆孙效应359

9.1.4 泽贝克效应360

9.1.5 温差电效应系数间关系361

9.2.1 温差电单元362

9.2 温差电致冷器362

9.2.2 温差电堆和级联364

9.2.3 材料和应用364

9.3 热电子发射365

9.3.1 热电子发射基本公式365

9.3.2 热电子发电367

9.4 磁流体发电367

9.4.1 基本原理367

9.4.2 回旋运动的影响369

9.5.1 化学电池和燃料电池370

9.5 燃料电池370

9.5.2 燃料电池反应热力学分析372

9.5.3 燃料电池的优点和发展前景374

9.6 太阳能利用375

9.6.1 太阳能热利用375

9.6.2 太阳电池和太阳能卫星发电376

9.6.3 太阳能制氢377

思考题和习题的提示与答案378

主要参考书目388

索引390