热力学统计物理精彩试题

简述题1. 写出系统处在平衡态的自由能判据。

一个处在温度和体积不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的自由能的改变均大于零。

即0F ∆>。

2. 写出系统处在平衡态的吉布斯函数判据。

一个处在温度和压强不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的吉布斯函数的改变均大于零。

即0G ∆>。

3. 写出系统处在平衡态的熵判据。

一个处在内能和体积不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的熵变均小于零。

即 0S ∆< 4. 熵的统计解释。

由波耳兹曼关系ln S k =Ω 可知，系统熵的大小反映出系统在该宏观状态下所具有的可能的微观状态的多少。

而可能的微观状态的多少，反映出在该宏观平衡态下系统的混乱度的大小。

故，熵是系统内部混乱度的量度。

5. 为什么在常温或低温下原子内部的电子对热容量没有贡献？不考虑能级的精细结构时，原子内的电子激发态与基态的能量差为1~10eV ，相应的特征温度为45K 10~10。

在常温或低温下，电子通过热运动获得如此大的能量而跃迁到激发态的概率几乎为零，平均而言电子被冻结基态，因此对热容量没有贡献。

6. 为什么在常温或低温下双原子分子的振动对热容量贡献可以忽略？因为双原子分子的振动特征温度3K θ~10v ，在常温或低温下 kT <<k θv ，振子通过热运动获得能量k θv ω= 从而跃迁到激发态的概率极小，因此对热容量的贡献可以忽略。

7. 能量均分定理。

对于处在平衡态的经典系统，当系统的温度为T 时，粒子能量ε 的表达式中的每一个独立平方项的平均值为1k T2。

8等概率原理。

对于处在平衡态的孤立系统，系统的各种可能的微观状态出现的概率是相等的。

9. 概率密度(,,)q p t ρ的物理意义、代表点密度(,,)D q p t 的物理意义及两者的关系。

(,,):q p t ρ 在t 时刻，系统的微观运动状态代表点出现在相点(,)q p 邻域，单位相空间体积内的概率。

(,,):D q p t 在t 时刻，在相点(,)q p 邻域单位相空间体积内，系统的微观运动状态代表点数。

它们的关系是：(,,)(,,)D q p t q p t ρ=N。

其中，N 是系综中系统总数填空题1. 玻色分布表为1ae αβεω+=- ；费米分布表为1ae αβεω+=+ ；玻耳兹曼分布表为a e αβεω--= 。

当满足条件 e1α-<< 时，玻色分布和费米分布均过渡到玻耳兹曼分布。

2 玻色系统和费米系统粒子配分函数用Ξ表示，系统平均粒子数为ln N α∂Ξ=-∂ ，内能表为ln U β∂Ξ=-∂ ，广义力表为1ln Y y Ξβ∂=-∂ ， 熵表为ln ln (ln )S k ΞΞΞαβαβ∂∂=--∂∂ 。

3. 均匀系的平衡条件是0T T = 且P P = ；平衡稳定性条件是V C > 且 ()TPV∂<∂ 。

4. 均匀开系的克劳修斯方程组包含如下四个微分方程：dU TdS pdV dn μ=-+ ， dH TdS Vdp dn μ=++ ，dG SdT Vdp dn μ=-++ ， dF SdT pdV dn μ=--+ 。

5. 对于含N 个分子的双原子分子理想气体，在一般温度下，原子内部电子的运动对热容量 无贡献 ；温度大大于振动特征温度时，72V C Nk =；温度小小于转动特征温度时，32V C Nk =。

温度大大于转动特征温度而小小于动特征温度时，52V C Nk =。

6 准静态过程是指 过程进行中的每一个中间态均可视为平衡态 的过程；无摩擦准静态过程的特点是 外界对系综的作用力，可用系统的状态参量表示出来。

7 绝热过程是指，系统状态的改变，完全是机械或电磁作用的结果，而没有受到其他任何影响 的过程。

在绝热过程中，外界对系统所做的功 与具体的过程 无关，仅由 初终两态 决定。

8. 费米分布是指，处在 平衡态 、 孤立 的费米系统，粒子在 能级上 的 最概然 分布。

9. 弱简并理想玻色气体分子间存在 统计吸引作用 ；弱简并理想费米气体分子间存在 统计排斥作用 。

10 玻色分布是指，处在 平衡态 、 孤立 的玻色系统，粒子在 能级上 的 最概然 分布。

11. 对于一单元复相系，未达到热平衡时，热量从 高温相 传至 低温相 ；未达到相变平衡时，物质从 高化学势相向低化学势相 作宏观迁移。

12. 微正则系综是 大量的结构完全相同的且处于平衡态的故里系统的集合 ； 微正则分布是指 在微正则系综中，系统按可能的微观态的分布 ； 微正则分布是 平衡态统计物理学 的基本假设，它与 等概率原理 等价。

13. 玻耳兹曼系统粒子配分函数用1Z 表示，内能统计表达式为1ln Z U Nβ∂=-∂ ，广义力统计表达式为1ln Z N Y y β∂=-∂ ，熵的统计表达式为11ln (ln )Z S Nk Z ββ∂=-∂ ，自由能的统计表达式为 1ln F NkT Z =- 。

14. 与分布{}a l 相应的，玻色系统微观状态数为()()1!!1!.B E a a ωω+-Ω=-∏；费米系统的微观状态数()!!!.B E a a ωωΩ=-∏；玻耳兹曼系统微观状态数为!!.B E aN a ωΩ=∏∏ 。

当满足条件经典近似条件时，三种微观状态数之间的关系为 1!...B E F D M EN Ω=Ω=Ω 。

15. 热力学系统的四个状态量V P T S 、、、所满足的麦克斯韦关系为()()TVSP VT∂∂∂∂=,()()PSV T SP∂∂∂∂=,()()TPS V PT∂∂∂∂=-,()()VSP T SV∂∂∂∂=-。

16. 设一多元复相系有个ϕ相，每相有个k 组元，组元之间不起化学反应。

此系统平 衡时必同时满足条件： T T T αβϕ=== 、 P P P αβϕ=== 、(,)ii i1,2i k αβϕμμμ==== 。

选择题1.系综理论所涉及三种系综有：微正则系综、正则系综、巨正则系综，它们分别适合的系统是（A ）孤立系、闭系、开系 （B ）闭系、孤立系、开系 （C ）孤立系、开系、闭系 （D ）开系、孤立系、闭系 2.封闭系统指（A ）与外界无物质和能量交换的系统 （B ）能量守衡的系统 （C ）与外界无物质交换但可能有能量交换的系统 （D ）孤立的系统 3.有关系统与系综关系的表述是正确的是（A ）系综是大量的结构相同，外界条件相同，且彼此独立的系统的集合。

（B ）系综是大量的结构不同，外界条件相同，且彼此独立的系统的集合。

（C ）系综是大量的结构相同，外界条件不同，且彼此独立的系统的集合。

（D ）系综是大量的结构不同，外界也条件不同的系统的集合。

4.气体的非简并条件是（A ）气体分子平均动能远远大于kT（B ）气体分子间平均距离远远大于分子德布罗意波的平均热波长 （C ）气体分子数密度远远小于1（D ）气体分子间平均距离极大于它的尺度5.由热力学基本方程dG SdT Vdp =-+可得麦克斯韦关系（A ）V T p S T V ∂∂⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ （B ）p S T V p S ⎛⎫∂∂⎛⎫= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ （C ）S V T p V S ∂∂⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ （D ）p TV S T p ⎛⎫∂∂⎛⎫=- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ 6.孤立系统指（A ）与外界有能量交换但无物质交换的系统 （B ）与外界既无物质交换也无能量交换的系统 （C ）能量守恒的系统（D ）温度和体积均保持不变的任意系统 7.吉布斯函数作为特性函数应选取的独立态参量是 （A ）温度和体积 （B ）温度和压强 （C ）熵和体积 （D ）熵和压强 8.自由能作为特性函数应选取的独立态参量是 （A ）温度和体积 （B ）温度和压强 （C ）熵和体积 （D ）熵和压强 9.下列各式中不正确的是 （A ）,S P H n μ∂⎛⎫= ⎪∂⎝⎭ （B ）,T VF n μ∂⎛⎫= ⎪∂⎝⎭（C ）,P V U n μ∂⎛⎫=⎪∂⎝⎭ （D ）,T PG n μ∂⎛⎫= ⎪∂⎝⎭10.当经典极限条件成立时，玻色分布和费米分布均过渡到 （A ）麦克斯韦分布 （B ）微正则分布 （C ）正则分布 （D ）玻尔兹曼分布 11.下列说法正确的是（A ）一切与热现象有关的实际宏观物理过程都是不可逆的。

（B ）热力学第二定律的表述只有克氏和开氏两种说法。

（C ）第一类永动机违背热力学第二定律。

（D ）第二类永动机不违背热力学第二定律。

12.由热力学方程dF SdT pdV =--可得麦克斯韦关系 （A ）V S S p V T ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ （B ）pS S V p T ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ （C ）Tp p S T V ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ （D ）T V V S T p ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ 13.已知粒子能量表达式为bx ax p p p mz y x ++++=2222)(21ε 其中a 、b 为常量，则依据能量均分定理粒子的平均能量为（A ）kT 23 （B ）kT 2 （C ）a b kT 422- （D ）kT 2514.具有确定的粒子数、确定的体积、确定的能量的系统满足（A ）微正则分布 （B ）正则分布 （C ）巨正则分布 （D ）以上都不对 15.玻耳兹曼统计中用粒子配分函数Z 1表示的内能是 （A ）11ln Z U Z β∂=-∂ （B ）1ln Z U N β∂=-∂ （C ）1ln 1Z U ββ∂=-∂ （D ）1ln Z N U ββ∂=-∂16.不考虑粒子自旋，在长度L 内，动量处在~x x x p p dp +范围的一维自由粒子的可能的量子态数为 （A ）L dp h （B ）x L dp h （C ）2L dp h（D ）x 2L dp h 17.均匀开系的热力学基本方程是（A ）dF SdT pdV dn μ=--+ （B ）dG SdT Vdp dn μ=-++ （C ）dU TdS pdV dn μ=-+ （D ）dH TdS Vdp dn μ=++ 推导与证明1. 证明: P V V PP V C C T T T ∂∂⎛⎫⎛⎫-= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ 证：P V P V S S C C T T T T ∂∂⎛⎫⎛⎫-=-⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭（1）∵ (,)(,(,))S T p S T V T p =P V T PS S S V T T V T ∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （2）（2）代入（1）P V V PS V C C T V T ∂∂⎛⎫⎛⎫-= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ （3）将麦氏关系：T V S P V T ∂∂⎛⎫⎛⎫=⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭代入（3）得 P V V PP V C C T T T ∂∂⎛⎫⎛⎫-= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭2.证明，0K 时电子气体中电子的平均速率为34F P mv =(F P 为费米动量 )。