热力学统计物理

热力学与统计物理学(Thermodynamics and Statistical Physics)

课程内容第0章导论

热力学

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

*第五章不可逆过程热力学简介

统计物理学

第六章统计规律性与概率统计分布

第七章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》(第三版)，高等教育出版社，2003年（兰州大学）

参考书：

1. 汪志诚，《热力学·统计物理（第3版）学习辅导书》，高等教育出版社，2004年

2. 马本堃，《热力学与统计物理学》(第二版)，高等教育出版社，1995年（北京师范大学）

3. 钟云霄，《热力学与统计物理学》，科学出版社，1988年（北京大学）

4. 苏汝铿，《统计物理学》(第二版)，高等教育出版社，2004年（复旦大学）

5. 龚昌德，热力学与统计物理学，（南京大学）

6. 王诚泰，统计物理学，（清华大学）

7. [美]L.E.雷克，《统计物理现代教程(上)》，北京大学出版社，1983年

8. L. E. Reichl, A Modern Course in Statistical Physics (2nd Edition), 1998，University of Texas

9. R. K. Pathria, Statistical Mechanics (2nd Edition), 2003, University of Waterloo, Canada

10. 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

11. 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

12. 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

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

研究热运动的规律及其热运动对物质宏观性质的影响。

3. 热力学和统计物理学的研究方法不同

（1）热力学：热运动的宏观理论

热力学的研究方法：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：根据宏观物质系统是由大量微观粒子组成这一事实，从物质的微观结构出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子热运动的集体表现，宏观物理量是相应的微观量的统计平均值。即：由物质微观结构（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），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。

4. 热力学和统计物理学的联系

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。

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 熵和热力学基本方程

1.15 理想气体的熵

1.16 热力学第二定律的数学表达

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