热学PDF电子书下载

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