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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μ493

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