任课老师：王加祥

1. 热学

2. 任课老师：王加祥 精密光谱科学和技术国家重点实验室 http://www.wangjiaxiang.cn/web/jxwang 研究领域： 强场物理

3. “热”的起源

5. 杭州西湖十景之一 “花港观鱼” 乾隆下江南游到杭州花港观花赏鱼，见那里的金鱼又大又肥灵动活泼，欣然题名：“花港观鱼”。 两点三点为水，四点就为火了，火上烤着的鱼还能活吗？

6. “冷” “冰”、“江”、“汪” …… “热”、“煮”、“蒸”、“熬” ……

7. 带“热”字的成语 耳热眼花；眼饧耳热；眼花耳热；趋炎附热；不冷不热；头痛脑热； 头痛额热；汤烧火热；说亲道热；热心快肠；热心苦口；热情洋溢； 热气腾腾；热可炙手；攀炎附热；面红耳热；满腔热忱；脸红耳热； 冷言热语；火热水深；附炎趋热；腹热心煎；腹热肠慌；腹热肠荒； 不着疼热；热肠古道；知疼着热；炙手可热；饮冰内热；头疼脑热； 水深火热；热泪盈眶；热熬翻饼；热血沸腾；热火朝天；满腔热枕； 冷嘲热讽；酒酣耳热；焦心热中；寒耕热耘；古道热肠；冬寒抱冰， 夏热握火；打铁趁热；打得火热；趁热打铁；不因人热；冰炭不言， 冷热自明；冷嘲热骂；忽冷忽热；乘热打铁；热锅上蝼蚁

12. 绪论 热学研究对象和方法

13. 内容 热现象 什么是热学 研究方法 研究意义 研究简史 课程安排

14. 绪论 1. 热现象 • 与火相关的现象： • 火山爆发，打雷闪电的时候，树林里也会起火；生火取暖，烤食物，烧水。。。。

15. 绪论 • 四季变更：春夏秋冬 春天 夏天 秋天 冬天 毛泽东词《沁园春.雪》 《水浒传》第16回 赤日炎炎似火烧，野田禾稻半枯焦。 农夫心内如汤煮，公子王孙把扇摇。 一九三六年二月 北国风光 千里冰封 万里雪飘 望长城内外 惟余莽莽 大河上下 顿失滔滔 山舞银蛇 原驰蜡象 欲与天公试比高 ......

16. 绪论 • 电冰箱，空调，取暖器 • 火力发电厂

17. 绪论 • 热机：汽油机，柴油机 热现象 :物质物理性质随温度变化的现象 本质: 物质内部大量粒子无规则运动

18. 绪论 2. 什么是热学？ 研究“热”的科学。 热物理学是研究有关物质的热运动以及与热相联系的各种规律的科学。

19. 绪论 3. 热学的研究内容 → 基本概念 温度，热量，功 → 基本规律 热力学第一定律 熵 热力学第二定律 热力学第零定律 热力学第三定律

20. 绪论 3. 热学的研究内容 → 基本应用 气体 液体 相变 固体 状态方程

21. 绪论 4. 热学的研究方法 “物理可以分成实验物理、唯象理论和理论构架三部分 ” - 杨振宁 16世纪，第谷天文观测 16－17世纪，开普勒三定律 17世纪，牛顿三定律 经典力学 19世纪下半叶，Kirehhoff，Stefan 20世纪初，普朗克 20世纪20年代，海森堡，薛定鄂，狄拉客 量子力学

22. 绪论 双道彩虹：外圈为霓，内圈为虹 霓虹的形成 18世纪，瓦特 19世纪，焦耳，开尔文，克劳修斯等 19世纪末－20世纪初，波尔兹曼，吉布斯 热学理论

23. 绪论 热学研究的基本方法 实验物理 从实验上探索和观测各种热学现象 唯象理论：热力学方法 以观测和实验事实为根据，从能量及转化的观点出发，对由实验总结出的热现象规律进行严密的逻辑推理从而研究物质热学性质 以观测和实验事实为根据，从能量及转化的观点出发，对由实验总结出的热现象规律进行严密的逻辑推理从而研究物质热学性质 理论构架：统计物理学方法 从分子微观模型，运用力学规律和数学统计方法，确定微观量和宏观量之间的关系，进而阐明宏观量微观的本质。

24. 绪论 4. 热学的重要性 4.1 物理理论的一个重要组成部分 普通物理学(经典物理四大支柱) 理论物理学(四大力学) 经典力学, 热力学和经典统计力学 电动力学, 量子力学 力学, 热学, 电磁学, 光学 专业物理：固体物理学 ，原子核物理学 ，原子物理学，等离子体物理学 ，粒子物理学，狭义相对论和相对论力学，....... 广义相对论和万有引力的基本理论 ，量子统计力学 ，量子多体理论量子场论，凝聚态理论，......

25. 绪论 4.2 将要引入一个重要的基本物理单位：绝对温标 K 长度 米 m 质量 千克 kg 时间 秒 s 电流 安[培] A热力学温度 开[尔文] K物质的量 摩[尔] mol 发光强度 坎[德拉] cd 4.3 是唯一一门关于“生”和“死”的科学。 19世纪最重要的发现：进化论和热力学定律 4.4 是一门适用性极其广泛的一门学科。

26. 绪论 爱因斯坦晚年（1949年) 说过： “一个理论，如果它的前提越简单，而且能说明各种类型的问题越多，适用的范围越广，那么它给人的印象就越深刻。因此,经典热力学给我留下了深刻的印象。经典热力学是具有普遍内容的唯一的物理理论，我深信，在其基本概念适用的范围内是绝对不会被推翻的。” 热力学是具有最大普遍性的一门科学， 它不同于力学、电磁学， 因为它不提出任何一个特殊模型，但它又可应用于任何的宏观的物质系统.

27. 绪论 5. 热学研究简史 人类对热现象的认识首先源于对火的认识 古代物理学中的热学 古代西方：火、土、水、气是构成万物的四个主要元素。 中国古代：金、木、水、火、土五行学说。 实际古代物理学主要成就是古代原子论，人们用古代原子论解释一切现象，其特点是猜测性的思辫。

28. 17、18 世纪对热的认识 热是物质内部分子运动的表现这一基本思想逐步确立，但由于缺乏精确实验根据，尚未形成科学理论。 18 世纪中叶以后，系统的计温学和量热学的建立，使热现象的研究走上实验科学的道路，由于各种物理现象的相互联系尚未被揭示出来，“热质”这一特殊的“物质 ” 被臆想出来 , 在以“将错就错”的形式发挥一定作用后最终退出历史舞台。

29. 19 世纪的热学 能量转化和守恒定律的发现 哲学准备阶段 A) 在 1644 年笛卡儿在《哲学原理》中就提出了运动不变的思想，但没有 给出具体反映这种不变性本质的物理概念。 B) 德国科学家迈耶从哲学角度首先确定了这种永恒性，他坚信“无不生有，又不变无”，通过对马拉车运动过程进行了细致地分析，指明轮子摩擦散热和马做功一定有确定的比例。 实验准备阶段 英国科学家焦耳通过大量精确和严格的实验，测量出热功当量为 4.18J/cal ，确立了建立能量转化与守恒定律的实验基础。 理论总结阶段 德国科学家亥姆霍兹最终建立了能量守恒定律的数学表达。

30. 19 世纪的热学 热力学第二定律的确定 德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文通过分别对法国工程师卡诺关于理想热机效率问题研究成果的细致分析，各自独立的发现了热力学第二定律，并找到了反映物质各种性质的热力学函数。 统计物理学的建立 1850 年前后，物理学界普遍认识到了热现象和分子运动的联系，但微观结构和分子 运动的物理图像仍是模糊或未知的。 A)凭借着对分子运动的假设和运用统计方法，克劳修斯导出了气体实验公式。 B)麦克斯韦和玻尔兹曼在研究分子分布规律和平衡态伤做出了卓有成效的工作。 C)吉布斯把玻耳兹曼和麦克斯韦所创立的统计方法推广而发展成为系统的理论，将平衡态和涨落现象统一起来并结合分子动理论一起构成统计物理学。

31. 现代物理中的热学(20世纪) 量子统计物理的建立 在1900年欧洲物理年会上，英国物理学家开尔文发表过一段非常著名的讲话，其中他不仅讲道“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰完善这座大厦了”，而且又讲道“在物理学的天空中几乎一片晴朗，只存在两朵乌云。”他指的两朵乌云其实就是迈克尔逊 — 莫雷测量“以太风”实验和测量黑体辐射实验中用现有的经典物理无法解释。 非平衡态统计物理学的建立 二十世纪五十年代以后，非平衡态热力学和统计物理学得到迅速发展，其代表人物是比利时物理学家普里高金。

32. 《热学》这门课程的特点： • 和日常生活密切相关 • 概念抽象 • 逻辑推理较多，数学相对简单

33. 《热学》学习方法和注意事项 “物理概念的理解” 放在第一位，核心是“物 理思维方式的建立”。 1）教材和参考书目对照阅读 2）“习题” 是理解物理概念的补充和衡量理 解程度的标尺，而不是目的。 3）“透过现象看本质”，不要停留于具体的例子，要时刻提醒自己例子背后所反应的物理。 充分利用答疑时间。 笔记+PPT 不要缺课 “少教多学”

34. 绪论 5. 热学的课程安排 所用教材：李椿，章立源，钱尚武著，《热学》，第2版，高等教育出版社，2008.6 参考教材：赵凯华，罗蔚茵，《热学》，高等教育出版社。秦允豪， 《热学 》，高等教育出版社。张玉民，《热学》，科学出版社。 学期总共19周，56个学时。除去复习课、考试周、五一放假，上课课时48课时。

35. 考核方法 平时成绩 ：40％ 【作业，出勤】 期末考试： 60％ http://www.wangjiaxiang.cn/web/jxwang/ PPT 下载： http://www.wangjiaxiang.cn/web/jxwang/Lecture_notes/thermodynamics/index.htm 课程论坛： http://ecnu.wangjiaxiang.cn/bbs/ 【每章一次习题课】答疑时间？

36. “热学”的逻辑框架 液体（第八章) 固体（第七章) 相变（第九章) 气体内输运过程的宏观、微观描述（第四章)