熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)

前言

本書是作者依據(jù)高等學(xué)校物理類本科生《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》課程教學(xué)大綱基本要求，結(jié)合在武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院多年來為基地班（國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基地）本科生講授《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》的親身感受和對照國內(nèi)外同類教科書各自特點(diǎn)，在原有講義基礎(chǔ)上加以總結(jié)、修改和擴(kuò)展而成的。（1）本書在撰寫中無意去追求內(nèi)容的廣博，也不打算對本學(xué)科中某些基本原理（假設(shè)）去推本溯源；相反，它將始終關(guān)注這門課程中的基本理論及其應(yīng)用，力求將基本理論講清楚，將實(shí)際應(yīng)用講明白，將計(jì)算推導(dǎo)講細(xì)致；爭取做到使講授者易教，學(xué)習(xí)者易學(xué)，閱讀者易懂。（2）從時(shí)間順序上，創(chuàng)建統(tǒng)計(jì)力學(xué)的初期，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為遵守經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律，這種建立在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)理論稱為經(jīng)典統(tǒng)計(jì)。隨著量子力學(xué)的建立，人們也將統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于量子系統(tǒng)，即遵從量子力學(xué)規(guī)律的系統(tǒng)。這種以量子力學(xué)為基礎(chǔ)而建立的統(tǒng)計(jì)理論稱為量子統(tǒng)計(jì)。在介紹平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論時(shí)，我們沒有按照統(tǒng)計(jì)物理學(xué)發(fā)展歷史來教學(xué)的思路，而是以玻爾茲曼關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)，在對量子力學(xué)基本理論進(jìn)行扼要闡釋后即講述平衡態(tài)量子統(tǒng)計(jì)理論，然后將經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論看作它的極限情況直接推知。這樣做，避免了重復(fù)，節(jié)省了學(xué)時(shí)，加深了理解。（3）本書將不可逆過程熱力學(xué)與非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理集中在一章統(tǒng)一闡述。這樣處理，可以將有關(guān)平衡態(tài)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的知識與非平衡態(tài)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的知識相對分開，突出重點(diǎn)，把握全盤，且有利于讀者對本學(xué)科發(fā)展的認(rèn)識。（4）本書各章末均附有習(xí)題以幫助讀者加深對所學(xué)知識的理解。本書還附加了外國人名索引及中英文名詞對照以供讀者查閱外文資料時(shí)參考。（5）為了配合講授、學(xué)習(xí)和閱讀本書，科學(xué)出版社即將配套出版包含本書各章重點(diǎn)、難點(diǎn)及全部習(xí)題題解的《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)書》。本書的出版是與科學(xué)出版社、武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的支持分不開的。在此，作者對為本書能得以出版做過幫助的領(lǐng)導(dǎo)和同仁致以衷心的謝意。作者特別感謝科學(xué)出版社的編輯為本書出版所付的辛勞，感謝繆靈博士在書稿的撰寫與錄人中所作的建議與技術(shù)性幫助。由于個(gè)人水平有限，書中難免有不當(dāng)或疏漏之處，懇請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》是依據(jù)高等學(xué)校物理專業(yè)本科《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》課程教學(xué)大綱基本要求編寫而成。全書共9章。前7章為平衡態(tài)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，內(nèi)容包括：1.熱力學(xué)的基本規(guī)律；2.均勻介質(zhì)熱力學(xué)；3.物質(zhì)的相平衡和化學(xué)平衡；4.統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本原理；5.平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論；6.平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論的應(yīng)用；7.漲落理論。第8章為非平衡態(tài)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理簡介。第9章扼要闡述相對論熱力學(xué)和分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)基本內(nèi)容。每章均附有習(xí)題以幫助讀者加深對所學(xué)知識的理解?！　　稛崃W(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》可作為普通高等學(xué)校物理專業(yè)和相近專業(yè)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)課程的教材和參考書。

書籍目錄

緒論第1章 熱力學(xué)的基本規(guī)律1.1 熱力學(xué)平衡態(tài)與狀態(tài)參量1.2 熱力學(xué)第零定律 溫度1.3 熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)方程1.4 熱力學(xué)過程 熱量與功1.5 熱力學(xué)第一定律1.6 熱容量 熱力學(xué)能與焓1.7 絕熱過程與多方過程1.8 卡諾循環(huán)1.9 熱力學(xué)第二定律1.10 卡諾定理和熱力學(xué)溫標(biāo)1.11 熵 熵增加原理第2章 均勻介質(zhì)熱力學(xué)2.1 熱力學(xué)函數(shù)2.2 麥克斯韋關(guān)系式2.3 特性函數(shù) 吉布斯-亥姆霍茲方程2.4 電介質(zhì)與磁介質(zhì)熱力學(xué)2.5 熱輻射熱力學(xué)2.6 焦耳-湯姆孫效應(yīng)與氣體的液化2.7 熱力學(xué)第三定律第3章 物質(zhì)的相平衡和化學(xué)平衡3.1 開放系的熱力學(xué)基本方程3.2 熱力學(xué)系統(tǒng)熱動(dòng)平衡判據(jù)3.3 單元復(fù)相系的平衡性質(zhì)3.4 氣液相變3.5 二級相變3.6 多元系的復(fù)相平衡與化學(xué)平衡第4章 統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本原理4.1 宏觀物體的統(tǒng)計(jì)規(guī)律4.2 微觀粒子的量子屬性4.3 等概率原理 玻爾茲曼關(guān)系4.4 相空間 劉維爾定理第5章 平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論5.1 微正則系綜 正則系綜和巨正則系綜5.2 近獨(dú)立子系及其分布5.3 推導(dǎo)近獨(dú)立子系的最概然方法5.4 玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)的適用范圍5.5 能量均分定理5.6 理想氣體的熱力學(xué)函數(shù)及麥克斯韋速度分布律5.7 實(shí)際氣體的物態(tài)方程第6章 平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論的應(yīng)用6.1 氣體熱容的統(tǒng)計(jì)理論6.2 固體熱容的統(tǒng)計(jì)理論6.3 順磁物質(zhì)的磁性6.4 熱輻射與光子氣體6.5 玻色氣體的性質(zhì)6.6 費(fèi)米氣體的性質(zhì)6.7 高溫、致密物體6.8 相互作用系統(tǒng)第7章 漲落理論7.1 漲落的準(zhǔn)熱力學(xué)方法7.2 漲落的空間關(guān)聯(lián)與時(shí)間關(guān)聯(lián)7.3 布朗運(yùn)動(dòng)7.4 儀器的靈敏度和電路中的熱噪聲7.5 ?？藸?普朗克方程第8章 非平衡態(tài)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理簡介8.1 不可逆過程與偏離平衡態(tài)的物質(zhì)8.2 昂薩格關(guān)系8.3 熵產(chǎn)生率與溫差電效應(yīng)8.4 玻爾茲曼方程8.5 H定理和細(xì)致平衡原理8.6 輸運(yùn)過程的弛豫時(shí)間近似法8.7 輸運(yùn)過程的動(dòng)理論　第9章 相對論熱力學(xué)和分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)9.1 相對論熱力學(xué)9.2 分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)附錄A 常用公式A1 斯特林公式A2 一些有用的積分公式附錄B 常用物理常數(shù)附錄C 物理學(xué)中常用外國人名附錄D 物理學(xué)中英文名詞對照

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 熱力學(xué)的基本規(guī)律1.1　熱力學(xué)平衡態(tài)與狀態(tài)參量熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是研究物質(zhì)的熱性質(zhì)和物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。它們研究的對象是由大量微觀粒子組成的有限宏觀物體，稱為熱力學(xué)系統(tǒng)或系統(tǒng)。與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其他物體稱為外界或環(huán)境。按系統(tǒng)與外界相互作用情況區(qū)分，熱力學(xué)系統(tǒng)有孤立系、封閉系和開放系三類。與外界沒有相互作用的系統(tǒng)稱孤立系；與外界有能量交換但無物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱封閉系或閉系；與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱開放系或開系。不過，真正孤立的系統(tǒng)在自然界是不存在的。實(shí)際上，只要系統(tǒng)與外界的相互作用能遠(yuǎn)小于系統(tǒng)本身的能量，這樣的系統(tǒng)便可以視為孤立系。孤立系統(tǒng)（或孤立系）在熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中是一個(gè)非常重要的概念，因?yàn)楣铝⑾档男再|(zhì)不受外界影響。實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)不受外界影響的系統(tǒng)，無論初始狀態(tài)如何，經(jīng)過充分長時(shí)間后，總會(huì)達(dá)到這樣一種狀態(tài)：它的宏觀性質(zhì)不再隨時(shí)間改變。這樣一種狀態(tài)叫做熱力學(xué)平衡態(tài)或平衡態(tài)。值得指出的是：系統(tǒng)處在平衡態(tài)時(shí)，它的宏觀性質(zhì)將不隨時(shí)間改變；但一個(gè)宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變的系統(tǒng)并不一定處在平衡態(tài)。比如，兩端保持恒定溫差的金屬棒，棒上溫度分布不隨時(shí)間改變，它處于穩(wěn)定態(tài)但非平衡態(tài)，因?yàn)樗艿酵饨缬绊?。熱力學(xué)平衡態(tài)是一種宏觀意義上的平衡。從微觀上看，組成系統(tǒng)的粒子仍在不停息地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)，只是粒子運(yùn)動(dòng)的平均效果不變而已。因此，熱力學(xué)中的平衡態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡，通常叫熱動(dòng)平衡。由于物質(zhì)的宏觀性質(zhì)是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的平均性質(zhì)，物質(zhì)的宏觀性質(zhì)必然會(huì)出現(xiàn)漲落現(xiàn)象。一般來說，漲落非常小，在熱力學(xué)中將不予考慮。

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《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》是由科學(xué)出版社出版的。

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