第一章 热力学系统 1
1.1 物质的原子、分子结构 1
一、物质的原子、分子结构 1
二、分子的热运动 5
三、原子量和分子量 6
四、摩尔和摩尔质量 6
五、阿伏伽德罗常数 6
1.2 分子之间的相互作用 7
一、分子间的相互作用 7
二、分子相互作用模型 8
三、分子的对心碰撞与有效直径 13
1.3 物态与相 14
一、物态 14
二、相 15
1.4 热力学系统 17
一、热力学系统和外界 17
二、热力学系统的分类 17
1.5 热力学系统的平衡态 19
一、平衡态 19
二、非平衡态 20
一、宏观描述和状态参量 22
1.6 热力学系统的描述 22
二、状态图 24
三、微观描述 25
思考题 26
第二章 热力学第零定律与温度 28
2.1 热力学第零定律与温度 28
一、热力学第零定律 29
二、温度 29
2.2 温标 30
一、华氏温标、摄氏温标和经验温标 30
二、理想气体温标和气体温度计 33
三、热力学温标 36
四、摄氏、华氏和兰氏温标的新定义 36
五、国际温标(ITS-90) 38
2.3 状态方程 40
一、状态方程 40
二、压缩系数、膨胀系数和压强系数 41
三、理想气体的状态方程 42
四、热学中的单位 45
二、理想气体的压强公式 49
一、理想气体模型 49
2.4 理想气体的压强和温度的微观解释 49
三、温度的微观意义 55
2.5 非理想气体的状态方程 58
一、CO2气体的等温线 58
二、范德瓦耳斯气体状态方程 60
三、翁纳斯方程 65
2.6 水的三相点和几种温度计 67
一、水的三相点 67
二、铂电阻温度计 68
三、光学温度计 70
四、热电偶温度计 71
思考题 73
习题 74
第三章 热力学第一定律 77
3.1 热力学过程 77
一、热力学过程 77
二、非静态过程 79
三、准静态过程 80
3.2 功 82
一、准静态过程中与体积有关的功 83
二、热力学中其他形式的功 85
三、热力学中功的一般表示式 88
3.3 热量和热量的传递 90
一、关于热量概念的历史发展 90
二、热量的传输 93
三、例题 99
3.4 热力学第一定律 101
一、内能 101
二、热力学第一定律的数学表述 104
一、热容和比热 106
3.5 热容和焓 106
二、焓 107
3.6 理想气体的内能、焓和比热 109
一、焦耳定律 109
二、理想气体的内能和焓 111
三、Cp与Cv的关系 112
四、例题 113
3.7 理想气体的多方过程 114
一、等容过程 114
二、等压过程 115
三、等温过程 115
四、绝热过程 116
五、多方过程的一般表示 117
六、例题 119
3.8 循环过程、热机及致冷机的工作原理 125
一、循环过程 125
二、热机的工作原理及效率 126
三、致冷机的工作原理和致冷系数 128
四、热泵 131
五、例题 131
一、卡诺循环 137
3.9 卡诺循环 137
二、卡诺热机的效率 138
三、例题 140
3.10 内燃机的理想循环 142
一、奥托循环 142
二、狄塞尔(Diesel)循环 144
3.11 逆斯特令循环 146
一、理想逆斯特令循环 146
二、往复式斯特令致冷机简介 147
3.12 焦耳-汤姆逊效应 149
一、节流过程 149
二、焦汤系数 151
思考题 153
习题 155
第四章 热力学第二定律和熵 162
4.1 热力学第二定律 162
一、与热现象有关的几个例子 162
二、热力学第二定律的表述 164
三、克氏表述与开氏表述等效性的证明 167
4.2 可逆过程与不可逆过程 168
二、可逆过程与不可逆过程举例 169
一、可逆过程与不可逆过程的定义 169
三、不可逆过程之间的联系 171
四、产生不可逆过程的因素 175
4.3 卡诺定理和热力学温标 176
一、可逆与不可逆循环 176
二、卡诺定理 177
三、卡诺致冷机的致冷效能 180
四、热力学温标 181
五、内能与焓的微分表达式 184
六、例题 189
4.4 熵和热力学第二定律的数学表述 191
一、克劳修斯不等式 192
二、熵和热力学第二定律的数学表述 195
4.5 熵增加原理 198
一、熵的计算 198
二、熵增加原理 203
三、T-S图 207
四、例题 209
4.6 能量退化原理 213
一、最大功原理 213
二、能量退化原理 214
二、热力学第三定律 218
4.7 热力学第三定律 218
一、关于绝对零度的概念 218
4.8 负温度 220
一、核自旋系统 220
二、负温度 221
三、负温度状态下的热力学定律 222
4.9 熵的产生 227
一、多元开放系统的热力学第二定律 227
一、线性不可逆过程中“力”和流的关系 230
4.10 最小熵产生原理 230
二、最小熵产生原理 234
思考题 237
三、熵守恒方程 239
二、熵流和熵产生 239
习题 239
第五章 热力学系统平衡态的分子运动理论 243
5.1 几率的基本概念 243
一、伽尔顿板实验 243
二、几率的基本概念 245
一、二项式分布 248
5.2 二项式分布 248
二、理想气体分子在空间的最可几分布 251
三、伽尔顿板实验的定量分析 252
四、无规行走问题 254
5.3 麦克斯韦分布律 258
一、速率分布函数 258
二、麦克斯韦速度分布律 263
三、用麦克斯韦分布律求平均值 268
四、例题 271
5.4 麦克斯韦分布律的实验验证 277
一、分子束 277
二、斯特恩实验 278
三、葛正权实验 279
四、密勒与库士实验 280
五、例题 282
5.5 玻耳兹曼分布律 283
一、气体分子在重力场中按高度的分布 283
二、玻耳兹曼分布律 284
三、粒子按能级的分布 286
四、粒子数反转及负温度 287
五、例题 289
一、自由度 290
5.6 能量按自由度均分定理 290
二、能量按自由度均分定理 292
三、理想气体的内能及热容量 293
四、经典理论的缺陷和量子理论的定性解释 296
5.7 布朗运动 299
一、爱因斯坦对布朗运动的理论解释 300
二、朗之万方程 303
三、佩兰实验 305
四、例题 307
5.8 噪声 309
一、散粒噪声 310
二、热噪声 311
5.9 第二定律的微观解释和熵的统计意义 312
一、热力学几率 312
二、玻耳兹曼假设 316
三、熵的统计意义 317
思考题 319
习题 322
第六章 气体中的输运现象 326
6.1 气体分子的平均自由程 326
一、分子的碰撞和碰撞截面 326
二、分子的碰撞频率和平均自由程 328
三、分子按自由程的分布 331
四、例题 333
6.2 分子的碰壁数与余弦定律 335
一、分子碰壁数 335
6.6 热流逸现象 335
二、余弦定律 337
三、平均碰撞距离 338
四、例题 338
6.3 气体的扩散 340
一、气体扩散的宏观规律 340
二、稳定扩散的微观解释 344
一、粘滞现象的宏观规律 346
6.4 粘滞现象 346
二、气体粘滞现象的微观解释 347
三、例题 350
6.5 气体中热传导的微观解释 352
一、压强较高(λ？d) 355
二、压强较低(λ？d) 355
三、热流逸现象 356
6.7 分子辐射力现象 357
思考题 359
习题 360
第七章 液体 363
7.1 液体的种类 363
7.2 液体的压缩性和热膨胀 365
一、液体的压缩性 365
二、液体的热膨胀 366
三、压缩系数k和膨胀系数a之间的关系 368
7.3 液体的热容量 369
一、液体分子的排列情况 371
7.4 液体的微观结构 371
二、液体分子的热运动 372
三、液体分子间的作用 372
四、径向分布函数 375
7.5 液体的输运性质 376
一、扩散 377
二、粘滞性 379
三、热导系数 380
7.6 液体的表面张力 381
一、表面张力 381
二、自由能 384
三、影响表面张力的因素 386
四、表面张力的微观分析 387
五、例题 389
7.7 弯曲液面内外的压强差 392
一、球形液面下的附加压强 392
二、任意弯曲液面内外的压强差 394
三、例题 396
7.8 毛细现象 398
一、液体与固体接触处的表面现象 398
二、决定接触角的因素 399
三、毛细现象 402
四、例题 404
7.9 液晶 407
一、概况 407
二、热变形液晶 409
三、溶变型液晶 411
四、液晶的应用简介 412
思考题 413
习题 415
8.1 晶体与非晶体 418
一、晶体 418
第八章 固体 418
二、非晶体 420
8.2 晶体的对称结构 423
8.3 晶体结合的基本形式 427
一、离子结合 428
二、共价结合 429
三、金属性结合 430
四、范德瓦耳斯结合 430
五、氢键结合 431
8.4 晶体的结合能 433
一、晶体中粒子的热运动 435
8.5 晶体的热学性质 435
二、热容量 436
三、热膨胀 437
四、热传导 438
8.6 晶体中的缺陷及其运动 439
一、晶体中的缺陷 439
二、热缺陷的运动 440
8.7 晶体中的扩散 442
8.8 固-气界面现象 446
一、固体及其表面 446
二、吸附机理 447
8.9 准晶 449
思考题 451
习题 452
第九章 相变 454
9.1 气液相变 454
一、汽化和凝结 454
二、饱和蒸气压 456
三、过饱和现象和凝结核 458
四、沸腾 461
五、过热液体和汽化核 465
一、熔解 467
9.2 固液相变和固气相变 467
二、结晶 468
三、固气相变 469
9.3 单元系的相图 471
一、实际气体的等温相变 471
二、临界状态 473
三、气液两相图 475
四、三相图 475
五、例题 476
一、单元系相变的特征 478
9.4 克拉珀龙方程 478
二、克拉珀龙方程 480
三、克拉珀龙方程的应用 482
四、例题 484
9.5 范德瓦耳斯等温线 对比态方程 489
一、范德瓦耳斯等温线 489
二、等面积法则 491
三、临界参数 491
四、对比态方程 492
一、吉布斯自由能和化学热μ 493
9.6 相平衡条件 493
二、相平衡条件 495
三、单元系相变特征的描述 496
四、克拉珀龙方程的另一导出法 498
9.7 非平衡相变与自组织现象 499
一、贝纳德(Benard)花样 499
二、激光 501
三、化学钟 501
四、生物学方面的例子 501
思考题 504
习题 505
附录 508
A.获得低温的三种方法 508
一、液氦机工作原理 509
二、3He-4He稀释致冷机 510
三、绝热去磁冷却法 511
B.一些基本物理常数值 515
C.一些单位的换算 516
习题答案 517
主要参考文献 524