热力学讲稿2015春

热力学与统计物理学讲稿(Thermodynamics and Statistical Physics)林振权温州大学物理与电子信息学院2015春课程内容第0章导论热力学部分第一章热力学的基本规律第二章均匀物质的热力学性质*第三章单元系的相变第四章多元系的复相平衡和化学平衡、热力学第三定律*第五章不可逆过程热力学简介统计物理学部分第六章概率统计分布第七章统计规律性与近独立粒子系统的最概然分布第八章玻耳兹曼统计理论第九章费米统计和玻色统计理论*第十章系综理论*第十一章涨落理论*第十二章非平衡态统计理论初步教材与参考书教材：1. 汪志诚，《热力学·统计物理》(第5版)，高等教育出版社，2013年（兰州大学）参考书：1. 汪志诚，《热力学·统计物理（第5版）学习辅导书》，高等教育出版社，2013年2. 苏汝铿，《统计物理学》(第2版)，高等教育出版社，2013年，（复旦大学）3. 马本堃，《热力学与统计物理学》(第2版)，高等教育出版社，1995年，（北京师范大学）4. 张启仁，《统计力学》，科学出版社，2004年，（北京大学）5. 钟云霄，《热力学与统计物理学》，科学出版社，1988年，（北京大学）6. 林宗涵，《热力学与统计物理学》，北京大学出版社，2007年，（北京大学）7. 沈惠川，《统计力学》，中国科技大学出版社，2011年，8. 龚昌德，热力学与统计物理学，（南京大学）9. 王诚泰，统计物理学，清华大学出版社，1991年，（清华大学）10. [美]L.E.雷克，《统计物理现代教程(上)》，北京大学出版社，1983年11. L. E. Reichl, A Modern Course in Statistical Physics (2nd Edition), 1998，University of Texas12. R. K. Pathria& Paul D. Beale,Statistical Mechanics (3rd Edition), 2012年, University of Waterloo, Canada13. 中国科技大学物理班，《美国物理试题与解答第五卷热力学与统计物理学》，中国科技大学出版社，1986年14. 李湘如、彭匡鼎，《热力学与统计物理学例题和习题(热力学分册)》，高等教育出版社，1988年15. 彭匡鼎、李湘如，《热力学与统计物理学例题和习题(统计物理学分册)》，高等教育出版社，1988年参考教学网站1. 厦门大学《热力学统计物理》国家精品课程/coursestatic/course_3118.html2. 上海交通大学《热力学统计物理》课程视频（马红孺） /serie_400008300.shtml热力学和统计物理课程介绍复旦大学教学目的：这是一门讲授物理学中与经典力学、电磁场动力学、量子力学并列的物理学理论的重要课程，它描述了体系在温度环境下必须服从的物理规律的理论（原则上任何实际的物理体系，都在温度的环境中，只是在有些情况下温度的影响可以忽略而能遵从纯的力学规律），加上近年来物理上出现的许许多多的新进展象量子流体、Bose-Einstein凝集、临界现象、输运理论和有关的输运现象等，离开了统计物理是无法理解的。

因此本课程将要求学生能象掌握经典力学、电磁场动力学、量子力学一样去掌握物理学中另一个不可缺少的理论规律。

深入了解物理概念、懂得处理这类物理问题的原则途径，同时学到现代物理前沿新进展的一些新知识。

华中师范大学统计物理课程简介：:统计物理是本科物理学专业的必修课程，也是理论物理传统四大基础课程之一。

统计物理的研究对象是由大量粒子或准粒子组成的具有大量随机自由度的宏观系统，它的研究目的是建立微观世界和宏观世界的联系，即从微观粒子服从的力学规律（动力学）出发，运用随机数学研究宏观系统的性质和规律。

课程建设的指导思想：通过对该门课程的学习，使学生获得严格逻辑思维的训练、演绎推理能力的培养和构建物理模型的体念，从而培养学生扎实的物理基础和广泛地应用物理理论解决实际问题的能力，适应新的科技发展和国家建设人才的需要。

第0章 导论1. 热力学与统计物理学的研究对象生活中所接触的宏观物体是由大量微观粒子构成的，并且这些微观粒子不停地进行着无规则的运动，而且这种微观粒子的无规则运动（的剧烈程度）与物体的冷热程度（温度）有关。

热力学与统计物理学的研究对象即为大量微观粒子（分子、原子等）组成的热力学系统的热运动（微观上为热运动，宏观上表现为热现象）2. 热力学与统计物理学的研究任务研究热运动的规律，以及热运动对物质宏观性质与宏观热力学过程的影响。

（1）热运动的普遍规律，各种物质热运动都遵守的共同规律。

包括热力学第零定律、第一定律、第二定律、第三定律。

（2）热运动对物质宏观性质的影响：热运动对各种物质的宏观性质有不同的影响，也有一些共同规律。

如热运动使得顺磁性固体的磁化率χ不再为常数，而与系统的温度（反映热运动的剧烈程度）有关：TC =χ。

磁介质温度越高其磁化率越低，这是磁化的有序作用与热运动的无序作用的竞争结果。

3. 热力学和统计物理学的研究方法和特点（1）热力学：热运动的宏观理论热力学的研究方法：热力学把物体当作连续介质，完全不管物体的微观结构。

通过对热现象的观测、实验和分析，总结出基本的经验规律，再而经过逻辑演绎推理，抽象出热运动的本质，得出热力学的基本规律（热力学第零、第一、第二和第三定律），由此揭示出系统宏观量之间的关系和宏观量的变化规律，及宏观物理过程中宏观量的变化关系及宏观热力学过程的进行方向和限度。

热力学的基础是经验总结的三条基本定律。

热力学理论的特点：普适性：热力学基本规律的普遍适用可靠性：实验总结局限性：微观热运动本质（2）统计物理学：热运动的微观理论统计物理学的研究方法：考虑宏观物质系统是由大量微观粒子组成这一事实，从物质的微观组成与结构（微观粒子及其相互作用，粒子能级结构等粒子及系统的微观结构性质）出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子热运动的集体表现、是微观性质的统计平均，宏观物理量是相应的微观量的统计平均值，按照系统的统计分布规律进行统计平均得到系统微观量的统计平均值（宏观量）。

统计物理学的基础除了描述微观粒子运动的量子力学外，还需要统计假设。

统计物理学的内容分为三大部分：平衡态统计理论（统计力学）、非平衡态统计理论和涨落理论。

（1）平衡态统计理论：经过100多年的研究和完善, 迄今其概念和方法已臻成熟，其中统计系综理论是普遍的，可以用于任何宏观热力学系统，自20世纪30年代开始，平衡态理论发展主要集中在如何处理相互作用不能忽略的系统，包括相变与临界现象；（2）非平衡态统计理论：研究物体处于非平衡态下的性质、各种输运过程（热传导、粘滞现象、扩散现象、金属电导率等问题），以及具有基本意义的非平衡过程的宏观不可逆性等。

非平衡态统计物理作为一个独立活跃的学科广受重视, 仅是近三四十年之事, 目前仍处于发展阶段。

其中近平衡态（偏离平衡态不远的非平衡态），已有成熟的输运过程理论，导出各种输运过程的宏观现象性规律的微观解释，并从微观上确定宏观输运系数。

而对远离平衡态的非平衡态，系统更为复杂，物理现象更为丰富，理论还不完善，尤其是如何理解宏观热力学不可逆性的起源问题。

（3）涨落理论：热力学不能解释而被忽略。

涨落现象分二类：一是围绕平均值的涨落；二是布朗运动。

统计物理学特点：深入到热运动的微观本质，能够将热力学中三个相互独立的基本定律归结为一个基本的统计原理，阐明这三个定律的统计意义，还能解释涨落现象。

统计物理学的局限性：统计物理学对物质的微观结构往往只能作简化的模型假设，因而只能得到近似的结果，而且统计物理学的理论结果最终需要宏观实验检验。

沈惠川《统计力学》：物理学四大力学（经典力学、电动力学、量子力学、统计力学）中当前最具研究人气的是量子力学与统计力学，其中最有实用意义的是统计力学。

马上庚《统计力学》：统计力学是理论物理的一部分，它最出色之处是其应用，应用范围包括物理、天文、化学、材料，以至于生物学。

统计力学的应用大致可分为初等应用与高等应用，初等应用大致是“理想气体”，包括量子理想气体，凡是粒子间相互作用不重要的情形，如自由电子模型，都包括了。

高等应用是在相互作用很重要的情形，如相变与临界现象。

高等统计力学是在固体物理兴起之后的产物，大多数的应用在于固体物理。

沈惠川《统计力学》：近几十年，统计力学的应用又从固体物理学延伸至凝聚态物理学，甚至粒子物理学和天体物理学。

L. E. Reichl《A Modern Course in Statistical Physics》中介绍很多统计物理学的应用专题。

4. 热力学和统计物理学的联系热力学和统计物理学具有相同的研究对象和研究任务，研究方法不同。

热力学为宏观理论，统计物理学为微观理论，两者相辅相成。

5. 热力学和统计物理学的发展史第一时期（17世纪末—19世纪中叶），实质上是热学的早期史，这个时期积累了大量的实验和观察事实。

关于热的本性展开了研究和争论，为热力学理论的建立作了准备，在19世纪前半叶出现的热机理论和热功相当原理已经包含了热力学的基本思想。

1690年，法国人丹尼斯·巴本（Denis. Papin, 1663～1712）在德国制成了第一个有活塞和气缸的试验性蒸气机。

瓦特（James Watt, 1736～1819）制成了具有工业意义的蒸气机。

第一只实用的温度计是荷兰人华伦海特（G. D.Fahrenheit,1686～1736年）制造的。

1742年瑞典科学家摄尔修斯（A. Celsius,1701～1744）用水银做测温物质，产生了现代温度计的雏形。

第二时期（19世纪中叶—19世纪70年代末），这个时期发展了唯象热力学和分子运动论。

这些理论的诞生直接与热功相当原理有关，热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础。

它和卡诺理论结合，导致了热力学第二定律的形成。

热功相当原理跟微粒说（唯动说）结合则导致了分子运动论的建立。

而在这段时期内唯象热力学和分子运动论的发展还是彼此隔绝的。

第三时期（19世纪70年代末—20世纪初），这个时期开始于波尔兹曼的经典工作，在这个时期内唯象热力学的概念和分子运动论的概念结合的结果，最终导致了统计热力学的产生。

这时出现了吉布斯在统计力学方面的基础工作。

第四时期（20世纪30年代—），这个时期内出现了量子统计物理学和非平衡态理论，形成了现代理论物理学最重要的一个部门。

第一章热力学的基本规律1.1 热力学系统的平衡状态及其描述1.2 热平衡定律和温度1.3 物态方程1.4 功1.5 热力学第一定律1.6 热容量和焓1.7 理想气体的内能1.8 热力学第一定律的应用1.9 理想气体的卡诺循环1.10 热力学第二定律1.11卡诺定理1.12 热力学温标1.13 克劳修斯等式和不等式1.14 熵1.15 热力学第二定律的数学表达1.16 理想气体的熵1.17 熵增加原理的简单应用1.18 自由能和吉布斯函数*1.19 [前沿课题]有限时间热力学1.1热力学系统的平衡状态及其描述1. 系统与外界热力学系统：热力学的研究对象。