統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)

前言

　　本書是作者多年講授熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理（簡稱熱統(tǒng)），并對課程教學(xué)體系不斷改革的基礎(chǔ)上編寫的教材，國內(nèi)熱統(tǒng)課程內(nèi)容的傳統(tǒng)編排是將“熱力學(xué)”與“統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”分為兩個獨(dú)立的部分講授。本書則采用了不同的體系，即將兩部分貫通，在微觀理論“統(tǒng)計(jì)物理”的框架下，以“系綜理論”為主導(dǎo)，系統(tǒng)、完整地構(gòu)建微觀與宏觀理論交融的熱統(tǒng)課程教學(xué)體系，因此稱為統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)，采用這種體系的目的是使學(xué)生對熱現(xiàn)象的認(rèn)識有一個明顯的飛躍，即從歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論獲得唯象理論的認(rèn)識過程，上升到從微觀理論出發(fā)推出宏觀定律、指導(dǎo)研究實(shí)踐的認(rèn)識階段，系統(tǒng)完整地理解“統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”，真正把握熱現(xiàn)象的微觀運(yùn)動本質(zhì)，能在實(shí)際工作中靈活地運(yùn)用熱物理理論，并為學(xué)生進(jìn)一步深造奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。教材試用、初版發(fā)行十多年來的教學(xué)實(shí)踐證明，用“統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)”體系組織熱統(tǒng)課教學(xué)是可行的，其效果令人欣慰。毋庸置疑，作者主張統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)體系，絲毫無意否定“熱統(tǒng)分治”的傳統(tǒng)教學(xué)體系。兩種體系各有千秋，互補(bǔ)互鑒。究竟采用何種體系組織教學(xué)，還應(yīng)視培養(yǎng)目標(biāo)、教師學(xué)生狀況，因地制宜地選擇。　　采用“統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)”體系進(jìn)行熱統(tǒng)教學(xué)，是否會削弱學(xué)生在熱力學(xué)理論的理解和應(yīng)用方面的訓(xùn)練？對這個問題，國內(nèi)同行關(guān)注有加，各見仁智，同時(shí)，它也是作者在課程改革和教材編寫中始終注意的問題，熱力學(xué)作為一種可靠的宏觀理論，除總結(jié)出十分普遍的基本定律外，還通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推演，系統(tǒng)地給出熱力學(xué)函數(shù)之間的有機(jī)聯(lián)系，并將其應(yīng)用于實(shí)際問題。因此，深入理解熱力學(xué)定律的主要推論和熱力學(xué)關(guān)系、熟悉它們的應(yīng)用、熟練掌握熱力學(xué)演繹推理方法，是熱統(tǒng)課程不可或缺的內(nèi)容。事實(shí)上，熱物理的微觀和宏觀理論相得益彰、不可分割。在學(xué)習(xí)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)物理研究宏觀過程的規(guī)律時(shí)，勢必反復(fù)地用到熱力學(xué)關(guān)系，自然會使學(xué)習(xí)者得到相應(yīng)的訓(xùn)練，不僅如此，本書還在建立封閉系的正則系綜理論后，插入了對此類系統(tǒng)即均勻物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的唯象討論；在給出開放系的巨正則系綜理論后，安排了與之相關(guān)的相平衡、化學(xué)平衡問題的宏觀理論內(nèi)容，以使學(xué)生加深對熱力學(xué)基本理論的理解，增強(qiáng)應(yīng)用這些理論分析和解決問題的能力。

內(nèi)容概要

　　本書是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，是作者在多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上編寫而成。目前，從中學(xué)到大學(xué)，物理教學(xué)改革不斷深化，為了避免“熱物理”各層次教學(xué)內(nèi)容出現(xiàn)較多重復(fù)和不必要的交叉，作者創(chuàng)造性地建立以統(tǒng)計(jì)物理為主線、融宏觀與微觀理論于一體的教學(xué)體系。全書內(nèi)容包括預(yù)備知識、孤立系、封閉系、均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)、氣體的性質(zhì)、開放系、量子統(tǒng)計(jì)法、漲落理論、非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理簡介以及相變與臨界現(xiàn)象?！　”緯m合普通高等院校物理及應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程使用，也可作為教師參考用書。

作者簡介

梁希俠，內(nèi)蒙古大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家突出貢獻(xiàn)專家，全國教育系統(tǒng)勞動模范，享受國務(wù)院政府特殊津貼。曾任教育部高等學(xué)校物理類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會委員，現(xiàn)任全國熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理教學(xué)研究會主任。主持國家精品課程“統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)”，獲國家級教學(xué)名師獎，國家教委和內(nèi)蒙古自治區(qū)科技進(jìn)步獎、內(nèi)蒙古自治區(qū)教學(xué)成果獎。 班士良，理學(xué)博士，內(nèi)蒙古大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，享受國務(wù)院政府特殊津貼，內(nèi)蒙古自治區(qū)有突出貢獻(xiàn)專家、勞動模范，教育部高等學(xué)校物理學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會委員，中國物理學(xué)會理事、內(nèi)蒙古自治區(qū)物理學(xué)會理事長，全國熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理教學(xué)研究會秘書長。曾獲內(nèi)蒙古自治區(qū)科技進(jìn)步獎、教學(xué)成果獎、教學(xué)名師獎。

書籍目錄

第二版前言 第一版前言 緒論 第1章預(yù)備知識 1.1熱學(xué)有關(guān)結(jié)論回顧 1.2單粒子的微觀狀態(tài) 1.3多粒子系的微觀狀態(tài) 1.4幾個有關(guān)的數(shù)學(xué)問題 習(xí)題 第2章孤立系 2.1統(tǒng)計(jì)物理的基本原理 2.2等概率原理——微正則分布 2.3熱平衡定律溫度 2.4熱力學(xué)第一定律——能量守恒律 2.5熱力學(xué)第二定律——熵增加原理 2.6單原子分子理想氣體 習(xí)題 第3章封閉系 3.1正則分布 3.2正則分布的熱力學(xué)公式 3.3近獨(dú)立子系的麥克斯韋一玻爾茲曼分布 3.4麥克斯韋一玻爾茲曼分布的熱力學(xué)公式 3.5能均分定理 3.6 肖特基缺陷 3.7二能態(tài)與負(fù)溫度 習(xí)題 第4章均勻物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì) 4.1麥克斯韋關(guān)系及其應(yīng)用 4.2基本熱力學(xué)函數(shù) 4.3特性函數(shù) 4.4磁介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì) 4.5焦耳效應(yīng)和焦耳一湯姆孫效應(yīng) 習(xí)題 第5章氣體的性質(zhì) 5.1理想氣體的熱力學(xué)函數(shù) 5.2單原子分子理想氣體 5.3雙原子分子理想氣體熱容量 5.4非理想氣體的物態(tài)方程 習(xí)題 第6章開放系 6.I巨正則分布 6.2開放系的熱力學(xué)公式 6.3熱動平衡條件 6.4有曲面邊界的平衡條件 6.5化學(xué)平衡 6.6混合氣體的平衡性質(zhì) 6.7化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì) 6.8熱力學(xué)第三定律 習(xí)題 第7章量子統(tǒng)計(jì)法 7.1量子統(tǒng)計(jì)分布 7.2固體的熱容量 7.3光子氣體 7.4金屬自由電子氣 7.5半導(dǎo)體載流子統(tǒng)計(jì) 7.6玻色一愛因斯坦凝聚 7.7順磁性的統(tǒng)計(jì)理論 習(xí)題 第8章漲落理論 8.1漲落的準(zhǔn)熱力學(xué)理論 8.2光的散射 8.3漲落的空間關(guān)聯(lián) 8.4布朗運(yùn)動 8.5電路的噪聲 習(xí)題 第9章非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理簡介 9.1玻爾茲曼積分微分方程 9.2 H定理及趨向平衡 9.3玻爾茲曼方程 9.4氣體的黏滯現(xiàn)象 9.5金屬的電導(dǎo)率 9.6局域熵產(chǎn)生率 9.7昂薩格關(guān)系 習(xí)題 第10章相變與臨界現(xiàn)象 10.1固溶體相圖 10.2汽—液相變 10.3臨界性質(zhì)與臨界指數(shù) 10.4伊辛模型與有序—無序相變 10.5朗道平均場理論 10.6標(biāo)度變換與普適性 參考文獻(xiàn) 常用物理常數(shù)表 名詞索引 人名索引

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   用經(jīng)典的觀點(diǎn)來看，由于每個粒子的運(yùn)動都有確定的軌道，各占據(jù)自己的狀態(tài)，盡管粒子完全相同，我們?nèi)匀豢梢詤^(qū)分它們。因此，用經(jīng)典力學(xué)描述多粒子系統(tǒng)的微觀狀態(tài)，粒子總是可分辨的。因?yàn)檫@種分辨主要依據(jù)粒子在空間的定域，所以常將可分辨全同粒子系統(tǒng)稱為定域子系統(tǒng)。經(jīng)典系統(tǒng)的微觀狀態(tài)描述比較簡單，我們只需寫出各單粒子的廣義坐標(biāo)和動量即可。 與經(jīng)典物理不同，在量子力學(xué)中，性質(zhì)相同的粒子遵循全同性原理：性質(zhì)完全相同的粒子彼此絕對不可區(qū)分。 我們不可能用任何方法對全同粒子編號或加以區(qū)分。它們中的任意兩個交換運(yùn)動狀態(tài)，都不會造成任何可觀察到的變化。這就是說，交換任意兩個粒子的狀態(tài)，不改變系統(tǒng)的微觀狀態(tài)。量子力學(xué)的全同性，主要來自粒子的波動性。因?yàn)橛胁▌有?，微觀粒子不是局域在空間很小的范圍內(nèi)，而是彌散在整個允許存在的空間。原則上，我們不可能從空間上分開兩個粒子（兩列疊加在一起的波），所以它們是不可分辨的。我們只能說出處于某個單粒子態(tài)的粒子的個數(shù)，而不可能確定哪些粒子處于該狀態(tài)。這樣，對微觀態(tài)的描述便不是給出每一粒子所處的單粒子態(tài)，而是給出系統(tǒng)的粒子在各可能的單粒子態(tài)的分布情況。這個分布一旦確定，我們就確定了系統(tǒng)的微觀狀態(tài)，從而可根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法求得系統(tǒng)的宏觀物理量。需要指出，對于不同類型的粒子，這種分布遵從著不同的原則，導(dǎo)致了不同的統(tǒng)計(jì)方法。 2.三種量子系統(tǒng) 粒子在可能單粒子態(tài)分布遵從何種原則，取決于它們的自旋特征。自旋是微觀粒子的一種基本屬性，各類不同的粒子有不同的自旋。由于自旋的不同，全同粒子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)也會有較大的區(qū)別。一類粒子對單粒子態(tài)的占據(jù)，受到泡利（Pauli）不相容原理——不能有兩個粒子同時(shí)處于相同的單粒子態(tài)的制約。這種粒子稱為費(fèi)米子（Fermion）。另一類粒子不受泡利不相容原理的限制，稱為玻色子（Boson）。在特殊情況下，全同粒子可以分辨，上述兩種系統(tǒng)共同趨向一種“類經(jīng)典”系統(tǒng)。歸納起來，量子系統(tǒng)由于其統(tǒng)計(jì)性質(zhì)不同而分為三類： 1）玻色子系統(tǒng) 自旋為整數(shù)和零的微觀粒子不受泡利不相容原理限制，為玻色子。考慮此類系統(tǒng)的粒子在可能單粒子態(tài)的分布時(shí)，首先應(yīng)注意到全同性原理：交換任意兩個粒子不構(gòu)成系統(tǒng)新的微觀狀態(tài)。這是全同性粒子共有的性質(zhì)。同時(shí)，玻色系的特殊性在于：任意一個單粒子態(tài)對填充的粒子數(shù)無限制，也就是說，允許有多個（≥2個）玻色子處于同一單粒子態(tài)。例如，光子的自旋量子數(shù)為1，是典型的玻色子。對光子氣體的微觀態(tài)描述應(yīng)采用玻色統(tǒng)計(jì)法。 2）費(fèi)米子系統(tǒng) 自旋為半整數(shù)（1／2，3／2，…）的微觀粒子受泡利不相容原理限制，為費(fèi)米子。與玻色系相同，費(fèi)米子組成的系統(tǒng)也遵循全同性原理，即交換任意兩個粒子不構(gòu)成系統(tǒng)新的微觀狀態(tài)。不同的是：費(fèi)米系還受到泡利不相容原理的限制，即任意一個單粒子態(tài)最多只能被一個粒子占據(jù)，不可有多個粒子同處一個單粒子態(tài)。例如，電子、質(zhì)子和中子的自旋量子數(shù)為1／2，都是典型的費(fèi)米子。適用費(fèi)米統(tǒng)計(jì)法。

編輯推薦

《普通高等教育"十一五"國家級規(guī)劃教材:統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)(第2版)》適合普通高等院校物理及應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程使用，也可作為教師參考用書。

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