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第一章 导论1

1.1 宏观描述方法与微观描述方法1

1.1.1 热学的研究对象及其特点1

1.1.2 宏观描述方法与微观描述方法2

1.2 热力学系统的平衡态3

1.2.1 热力学系统3

1.2.2 平衡态与非平衡态4

1.2.3 热力学平衡5

1.2.4 非平衡态的宏观描述6

1.3 温度6

1.3.1 温度的概念6

1.3.2 热力学第零定律7

1.3.3 温标8

1.4 物态方程12

1.4.1 物态方程12

1.4.2 体膨胀系数、压缩系数、压强系数热膨胀现象13

1.4.3 理想气体物态方程14

1.4.4 混合理想气体物态方程16

1.5 物质的微观模型17

1.5.1 物质由大数分子组成17

1.5.2 分子热运动的例证——扩散·布朗运动·涨落18

1.5.3 分子间的吸引力与排斥力21

1.6 理想气体微观描述的初级理论23

1.6.1 理想气体微观模型23

1.6.2 单位时间内碰在单位面积器壁上平均分子数Γ≈nv/624

1.6.3 理想气体压强公式·压强的单位换算26

1.6.4 温度的微观意义28

1.6.5 气体分子碰壁数和p＝nkT公式的简单应用30

1.7 分子间作用力势能与真实气体物态方程31

1.7.1 分子间相互作用势能曲线32

1.7.2 分子碰撞有效直径、固体分子热振动、固体热膨胀33

1.7.3 范德瓦耳斯方程35

1.7.4 昂内斯方程38

1.7.5 几种典型的分子作用力势能曲线39

选读材料1.1 实用温度计简介40

选读材料1.2 热膨胀现象43

选1.2.1 岩石风化43

选1.2.2 在古代热胀冷缩用于开山凿河43

选1.2.3 伸缩缝高速铁路中的无缝钢轨43

选读材料1.3 高速铁路与高速列车45

选1.3.1 高速铁路的稳定性45

选1.3.2 高速铁路的无砟轨道及无缝长轨46

选1.3.3 高铁列车高速运行对车厢的要求46

选读材料1.4 天空中的涨落47

选1.4.1 为什么天空是蓝色的？为什么日出日落时太阳是红色的？47

选1.4.2 光的散射47

选读材料1.5 范德瓦耳斯方程中的b是分子固有体积4倍的证明48

思考题49

习题50

第二章 分子动理学理论的平衡态理论54

2.1 分子动理学理论与统计物理学54

2.2 概率论的基本知识55

2.2.1 伽尔顿板实验56

2.2.2 等概率性与概率的基本性质57

2.2.3 平均值及其运算法则58

2.2.4 均方偏差59

2.2.5 概率分布函数60

2.3 麦克斯韦速率分布62

2.3.1 分子射线束实验62

2.3.2 麦克斯韦速率分布63

2.4 麦克斯韦速度分布67

2.4.1 速度空间67

2.4.2 麦克斯韦速度分布70

2.4.3 相对于vp的（麦克斯韦）速度分量分布与速率分布·误差函数71

2.4.4 从麦克斯韦速度分布导出速率分布73

2.4.5 绝对零度时金属中自由电子的速度分布与速率分布（费米球）73

2.5 气体分子碰壁数及其应用74

2.5.1 由麦克斯韦速度分布导出气体分子碰壁数75

2.5.2 气体压强公式的导出·简并压强76

2.5.3 分子（原子）束技术与速率分布77

2.5.4 热电子发射79

2.6 外力场中自由粒子的分布·玻耳兹曼分布80

2.6.1 等温大气压强公式·悬浮微粒按高度分布80

2.6.2 旋转体中粒子径向分布·超速离心技术82

2.6.3 玻耳兹曼分布83

2.7 能量均分定理84

2.7.1 理想气体热容85

2.7.2 自由度与自由度数86

2.7.3 能量均分定理88

2.7.4 能量按自由度均分的物理原因90

2.7.5 能量均分定理用于布朗粒子91

2.7.6 能量均分定理的局限 自由度的冻结91

2.7.7 固体的热容·杜隆-珀蒂定律93

附录2.1 一些定积分公式95

选读材料2.1 地球大气逃逸、月球和行星大气、太阳和太阳风、地球磁层96

选2.1.1 地球大气逃逸96

选2.1.2 月球大气96

选2.1.3 行星大气97

选2.1.4 太阳99

选2.1.5 太阳风100

选2.1.6 地球磁层——地球生命的第一把保护伞100

选读材料2.2 同位素分离获得浓缩铀101

选读材料2.3 子系温度与负温度103

选读材料2.4 台风飓风龙卷风104

选读材料2.5 热辐射——分子动理论对于光子气体的应用105

选2.5.1 光子的主要特征105

选2.5.2 热辐射 普朗克定律 黑体106

选2.5.3 光压108

选2.5.4 斯持藩-玻耳兹曼定律110

选读材料2.6 微波和微波炉110

思考题112

习题114

第三章 输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论118

3.1 黏性现象的宏观规律118

3.1.1 牛顿黏性定律 层流 湍流与混沌118

3.1.2 泊肃叶定律·管道流阻123

3.1.3 斯托克斯定律·为什么云悬挂在空中不下落？125

3.2 扩散现象的宏观规律127

3.2.1 菲克定律·自扩散与互扩散127

3.2.2 看作布朗粒子运动的扩散公式x2＝2Dt129

3.3 热传导现象的宏观规律130

3.3.1 傅里叶定律·线性输运与非线性输运131

3.3.2 热欧姆定律132

3.3.3 多孔绝热技术134

3.4 对流传热135

3.4.1 自然对流135

3.4.2 牛顿冷却定律·集成电路的散热136

3.4.3 两相对流传热·热管137

3.5 气体分子平均自由程138

3.5.1 碰撞（散射）截面138

3.5.2 分子间平均碰撞频率139

3.5.3 气体分子间相对运动速率分布141

3.5.4 气体分子平均自由程141

3.6 气体分子碰撞的概率分布143

3.6.1 气体分子的自由程分布143

3.6.2 气体分子碰撞时间的概率分布145

3.7 气体输运系数的导出145

3.7.1 气体黏度导出146

3.7.2 气体的热导率与扩散系数148

3.7.3 与实验结果的比较150

3.8 稀薄气体中的输运过程152

3.8.1 稀薄气体的特征·真空152

3.8.2 稀薄气体中的热传导现象及黏性现象、扩散现象153

选读材料3.1 量纲分析法简介156

选读材料3.2 化学反应动力学 催化剂与酶158

选读材料3.3 辐射传热161

选3.3.1 基尔霍夫定律161

选3.3.2 辐射传热162

选3.3.3 太阳表面温度的估计164

选3.3.4 温室减少热辐射 地球表面平均温度的估计164

选3.3.5 空腔辐射传热 人体辐射热损失166

选读材料3.4 温室效应167

选读材料3.5 大气环流——大气中的自然对流传热169

选读材料3.6 太阳能热水器170

选读材料3.7 雾霾天气171

思考题173

习题173

第四章 热力学第一定律177

4.1 可逆与不可逆过程177

4.1.1 准静态过程177

4.1.2 弛豫时间179

4.1.3 可逆与不可逆过程180

4.2 功和热量181

4.2.1 功是力学相互作用下的能量转移181

4.2.2 体积膨胀功182

4.2.3 其他形式的功184

4.2.4 热量与热质说186

4.3 热力学第一定律187

4.3.1 能量守恒与转化定律187

4.3.2 内能定理189

4.4 热容与焓191

4.4.1 定容热容与内能191

4.4.2 定压热容与焓192

4.4.3 化学反应中的反应热、生成焓及赫斯定律193

4.5 第一定律对气体的应用194

4.5.1 理想气体的内能·焦耳实验194

4.5.2 理想气体的等体、等压、等温过程196

4.5.3 绝热过程197

4.5.4 大气温度绝热递减率201

4.5.5 气体声速公式204

4.5.6 多方过程206

4.6 热机210

4.6.1 热机·蒸汽机210

4.6.2 卡诺热机212

4.6.3 内燃机循环214

4.7 焦耳-汤姆孙效应与制冷机218

4.7.1 制冷循环与制冷系数218

4.7.2 焦耳-汤姆孙效应219

4.7.3 气体压缩式制冷机221

4.7.4 热泵型空调器222

选读材料4.1 宇宙大爆炸与宇宙膨胀223

选4.1.1 宇宙是有限的还是无限的？223

选4.1.2 爱因斯坦的静态宇宙模型224

选4.1.3 宇宙膨胀、哈勃定律和宇宙大爆炸224

选4.1.4 宇宙年龄225

选4.1.5 热宇宙模型226

选4.1.6 暗能量和暗物质227

选读材料4.2 大气层结构和臭氧层228

选4.2.1 大气层热层结构228

选4.2.2 臭氧层——地球上生命的第二把保护伞230

选读材料4.3 汽轮机·燃气轮机·喷气发动机232

思考题234

习题236

第五章 热力学第二定律与熵241

5.1 热力学第二定律的表述及其实质241

5.1.1 热力学第二定律的两种表述及其等效性241

5.1.2 利用两种表述判别可逆、不可逆243

5.1.3 利用四种不可逆因素判别可逆、不可逆245

5.1.4 热力学第二定律的实质·第二定律与第一定律、第零定律的比较·可用能246

5.2 卡诺定理247

5.2.1 卡诺定理·不可能性与基本定律247

5.2.2 卡诺定理的应用250

5.2.3 热力学温标251

5.3 熵与熵增加原理252

5.3.1 克劳修斯等式252

5.3.2 熵和熵的计算254

5.3.3 温-熵图257

5.3.4 熵增加原理258

5.3.5 热寂说261

5.3.6 “熵恒增”与“能贬值”·“最大功”与“最小功”262

5.3.7 热力学第二定律的数学表达式263

5.3.8 熵的微观意义·玻耳兹曼关系264

选读材料5.1 热力学第二定律的统计解释268

选5.1.1 宏观状态与微观状态268

选5.1.2 热力学第二定律的微观解释270

选读材料5.2 熵与信息272

选5.2.1 信息与信息量272

选5.2.2 信息熵273

选5.2.3 麦克斯韦妖273

选5.2.4 信息处理消耗能量的下限274

选读材料5.3 生命“赖负熵为生”275

选5.3.1 遗传密码·生物高聚物中的信息275

选5.3.2 生物中的负熵（流）276

选读材料5.4 转基因技术278

选读材料5.5 超流氦的喷泉效应，它违背热力学第二定律吗？280

选5.5.1 喷泉效应，它违背热力学第二定律吗？280

选5.5.2 液氦Ⅱ的超流动性281

选5.5.3 液氦Ⅱ的二流体模型282

选5.5.4 喷泉效应的解释282

思考题283

习题285

第六章 物态与相变287

6.1 物质的五种物态287

6.1.1 引言287

6.1.2 固态288

6.2 液体291

6.2.1 液体的微观结构291

6.2.2 液体的彻体性质293

6.3 液体的表面现象295

6.3.1 表面张力与表面能295

6.3.2 弯曲液面附加压强297

6.3.3 润湿与不润湿·毛细现象299

6.4 气液相变303

6.4.1 相与相变303

6.4.2 汽化和凝结304

6.4.3 真实气体等温线310

6.4.4 范德瓦耳斯等温线313

6.4.5 临界点·一级相变与连续相变·临界乳光316

6.5 固-液、固-气相变·相图320

6.5.1 固-液及固-气相变320

6.5.2 相图323

6.5.3 克拉珀龙方程326

选读材料6.1 超密态物质329

选6.1.1 白矮星330

选6.1.2 中子星330

选6.1.3 黑洞331

选读材料6.2 等离子体331

选读材料6.3 液晶及液晶显示器原理332

选读材料6.4 水和冰的结构及其特殊性质·水是生命之源335

选6.4.1 地球因为有了水才使得它是宇宙中存在丰富物种的唯一星球335

选6.4.2 水是生命之源336

选6.4.3 水的分子结构·氢键337

选6.4.4 水的一些特殊性质338

选6.4.5 水的复杂的相图339

选6.4.6 雪·冰川·雪崩340

选6.4.7 水和物理学340

选读材料6.5 雨·雪·雹的形成341

选读材料6.6 表面活性剂344

选读材料6.7 固体的表面与界面345

选6.7.1 界面与表面345

选6.7.2 固体表面吸附346

选6.7.3 二维物理 膜的功能347

选6.7.4 温差电现象·温差发电与温差电制冷348

选读材料6.8 石墨和石墨烯349

思考题353

习题355

附录358

（Ⅰ）二维码目录358

（Ⅱ）书中所列表格的索引358

（Ⅲ）常用物理学常量359

参考文献360