正在播放：材料热力学与动力学(浙江大学)

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课程介绍

热力学（thermodynamics）最初因研究热和机械功彼此转化的关条而得名；进而发展成从能量不雅观点研究物质的热性质和热运动，以

及建立有关平衡的一般规律的科学。

它是研究物质体条的能量及其转换的科学。

Thermodynamics is the field of science that deals with energy and its transformations.

·一种不雅观点：

平衡态热力学（体条的热力学力和流均为零）重

新命名为“热静力学（Thermostatics）

·非平衡态热力学（涉及体条的热力学力和流）才

是名副其实的“热力学（Thermodynamics）

-Kinetics

1热力学发展史

·一门科学的历史，是那门科学中最宝责的一部分，科学只能给我们知识，而历史却给我们智慧。（启示科学研究方法，培养创新恩思维能力）

·人类很早就对热有所认识，并加以应用。但是将热力学当成一门科学且有定量的研究，则是由17世纪末开始的，就是在温度计的制造技术成熟以后，才真正开启了对热力学的研究。

热力学发展史，基本上就是热力学与统计力学的发展史，约可分成四个阶段：

·第一个阶段：17世纪末到19世纪中叶此时期累积了大量的实验与不雅观察的结果，并制造出蒸气机，对于“热（Heat）”的本质展开研究与争论，为热力学的理论建立作好了准备。在19世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论（第二定律的前身）和功热互换的原理（第必然律的基础）。这一阶段的热力学还留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。

·第二个阶段：19世纪中到19世纪70年代末此阶段热力学的第必然律和第二定律已完全理论化。由于功热互换原理建立了热力学第必然律，由第必然律和卡诺理论的结合，导致热力学第二定律的成熟。

1.1热力学分类

·三类：

平衡态热力学（可逆过程热力学、经典热力学）统计热力学

非平衡态热力学（线性、非线性非平衡）经典热力学研究的对象是平衡态，面对许多自然现象和社会现象的非平衡态，它显得有些不足，所以对非平衡态热力学的研究就尤为重要.

1.2热力学的普适性热力学的主要基础是热力学第必然律及第二定律，它们是人类长期实践的经验总结。热力学具有必然的普适性，它的概念和方法可以应用于一切科学（物理学、化学、生物学）与工程领域，甚至宇宙学和社会科学（包罗宗教）。代表性的有工程热力学、化学热力学（物理化学）以及材料热力学等。

工程热力学：应用于机械化学热力学：

应用于化学现象或与化学有关的物理现象材料热力学：

在引述热力学基本原理的基础上，着重以固体材料为例说明这些原理的应用，实则是化学热力学的引伸。

A theory is the more impressive，the greater the simplicity of its premises，the more different kinds of things it relates，and the more extended its area of applicability.Therefore the deep impression that classical thermodynamics made upon me.It is the only physical theory of universal content which l am convinced it will never be overthrown within the framework of applicability of its basic concepts.

A.Einste理论的推理前提越简单，它所联条的不同事物越多，它的应用范围越广泛，则这个理论给人的印象就越深刻。因此，经典热力学.……是具有善遍内容的唯一的物理理

论。在它的基本概念适用的范围内，宅绝不会被推翻。

爱因斯坦、1949

1.3热力学方法

·经典热力学：

以大量粒子组成的宏不雅观系统作为研究对象，以经验概括出的热力学第一、第二定律为理论基础，引出或定义了热力学能、焓、熵、亥姆霍茨函数、吉布斯函数，再加上p，V，T这些可由实验直接测定的宏不雅观量作为系统的宏不雅观性质，利用这些宏不雅观性质，经过归纳与演绎推理，得到一系列热力学公式或结论，用以解决物质变化过程的能量平衡、相平衡和反应平衡等问题。

特点：

不涉及物质系统内部粒子的微不雅观结构，只涉及物质系统变化前后状态的宏不雅观性质。

实践证明，这种宏不雅观的热力学方法是十分可靠的，它导出的结论有高度的可靠性和广泛的遍及性。至今未发现过实践中与热力学理论所得结论相反的情况。

宏不雅观热力学的局限性：

它只能回答过程变化的可能性，不能回答变化的现实性；它能提出反应的必要条件，但不能提供充分条件；它能顶测某一过程能否向某一标的目的进行，以及进行的限度，但不能解决该过程进行所需的时间以及内在原因和变化机制。（需借助统计物理学深入地涉及分子（或原子）微不雅观态的各种热运动，即统计热力学。）统计热力学方法属于从微不雅观到宏不雅观的方法。统计热力学方法是在量子力学方法与经典热力学方法即微不雅观方法与宏不雅观方法之间架起的一座金桥，把二者有效地联系在一起。

统计热力学：研究的对象与经典热力学研究的对象一样，都是由大量粒子组成的宏不雅观系统。从体系的具体结构去计算热力学函数。

·从组成系统的微不雅观粒子的性质（如质量、大小、振动频率、转动惯量等）出发，通过求统计概率的方法，定义出系统的正则配分函数或粒子的配分函数，并把它作为一个桥梁与系统的宏不雅观热力学性质联系起来。统计热力学方法是从微不雅观到宏不雅观的方法，它补充了经典热力学方法的不足，填平了宏不雅观和微不雅观之间难以逾越的鸿沟。

2.热力学和材料科学热力学定律在材料问题中的应用，用来研究材料中相的不变性、相变的标的目的以及计算相变的驱动能量等。

2.2材料科学和材料热力学一种误解：只有在微不雅观标准上对材料的直接分析才是深刻把握材料组织结构形成规律的最主要内容和最主要途径；对焓、熵、自由能、活度等抽象的概念不再需要更多地加以注意。

热力学的主要长处正在于它的抽象性和演绎性；现代材料科学的每一次进步和发展都一直受到经典热力学和统计热力学的支撑和帮手。

材料热力学的形成和发展正是材料科学走向成熟的标识表记标帜之一

材料科学的进步拉动材料热力学的发展；材料热力学的发展又在为材料科学的进一步发展准备基础和条件。

2.2材料热力学的形成和发展

1876年GibbS相律的出现：经典热力学的一个重要的里程碑。刚刚开始不久的材料组织的研究，便有了最基本的理论指导。

1899年H.Roozeboom把相律应用到了多组元条统，把理解物质内可能存在的各种相及其平衡关系提升到了理性阶段。

1900年，Roberts-Austen通过实验构建了Fe-

Fe3C相图的最初的合理形式，使钢铁材料的研究一开始就有理论支撑。

20世纪初G.Tamman等通过实验建立了大量金属条相图、有力地鞭策了合金材料的开发，被认为是阿谁时代材料研究的主流基础性工作。

稍后出现的经验性溶体理论和20世纪30年代W.L.Brragg和E.J.Williams利用统计方法建立的自由能理论，使热力学的分析研究有可能与对材料结构的有序性等微不雅观认识结合起来；意义十分巨大。