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1、热力学引言热力学引言第1页，共14页，编辑于2022年，星期日物理学物理学现代物理现代物理经典物理经典物理力学力学热学热学电磁学电磁学相对论相对论量子论量子论时间时间 t关关键键概概念念的的发发展展力学力学电磁学热学相对论量子论1600 1700 1800 1900一、学科的发展和前景一、学科的发展和前景第2页，共14页，编辑于2022年，星期日1.1.和现代物理领域的研究热点相联系和现代物理领域的研究热点相联系.2.2.深入探索物质世界各层次间的联系是二十一世纪物深入探索物质世界各层次间的联系是二十一世纪物理学发展的方向之一理学发展的方向之一,也正是统计物理学研究的主要内也正是统计物理学研究
2、的主要内容容发展前景发展前景第3页，共14页，编辑于2022年，星期日 四大力学中，统计物理与量子力学的发展最为突四大力学中，统计物理与量子力学的发展最为突出，最富有学科生命力，给人们展示了丰富多彩的内出，最富有学科生命力，给人们展示了丰富多彩的内容。容。下面列举从下面列举从1930s1930s年代年代以来统计物理的若干主要以来统计物理的若干主要进展（不完全）：进展（不完全）：稠密气体和液体（经典与量子）稠密气体和液体（经典与量子）严格可解模型严格可解模型 元激发的概念和方法元激发的概念和方法 负绝对温度负绝对温度 线性响应理论线性响应理论 相变和临界现象相变和临界现象*第4页，共14页，编辑
3、于2022年，星期日 各态历经问题各态历经问题 稀薄原子气体的玻色爱因斯坦凝聚（稀薄原子气体的玻色爱因斯坦凝聚（BECBEC）*介观体系中的统计问题介观体系中的统计问题 天体物理和宇宙学中的统计问题天体物理和宇宙学中的统计问题 混沌，分形混沌，分形,渗流，渗流，凝聚态物理中的统计问题（许多许多）凝聚态物理中的统计问题（许多许多）软凝聚物质（高分子，液晶软凝聚物质（高分子，液晶）非平衡相变（远离平衡态）非平衡相变（远离平衡态）交叉学科中的统计问题（经济学，社会学，交叉学科中的统计问题（经济学，社会学，）计算机模拟（计算机模拟（Monte Carlo,Monte Carlo,分子动力学，分子动力学
4、，）第5页，共14页，编辑于2022年，星期日 研究对象：宏观研究对象：宏观物质的热现象以及热运动规律物质的热现象以及热运动规律 热运动热运动 :构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规运动构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规运动 .热现象热现象 :与温度有关的物理性质的变化。与温度有关的物理性质的变化。单个单个分子分子 遵循力学规律遵循力学规律.研究对象特征研究对象特征整体整体（大量分子）（大量分子）服从统计规律服从统计规律 .宏宏观量：观量：表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）表示大量分子集体特征的物理量（可直接测量）,如如 等等 .微微观量：观量：描述个别分子运动状态的物理
5、量（不可直接测量）描述个别分子运动状态的物理量（不可直接测量），如分子的，如分子的 等等 .二、热力学二、热力学统计物理的特点统计物理的特点第6页，共14页，编辑于2022年，星期日热力学统计物理热现象的宏观理论。热现象的宏观理论。结论具有高度的可靠性和普遍结论具有高度的可靠性和普遍性。性。不能导出具体物质的具体特性；不能导出具体物质的具体特性；也不能解释物质宏观性质的涨落也不能解释物质宏观性质的涨落现象等。现象等。热现象的微观理论。热现象的微观理论。基础是热力学三个定律。基础是热力学三个定律。对基本定律作演绎推导来解释物对基本定律作演绎推导来解释物质热运动的性质。质热运动的性质。认为宏观系统
6、由大量的微观粒子所组成，认为宏观系统由大量的微观粒子所组成，宏观物理量就是相应微观量的统计平均宏观物理量就是相应微观量的统计平均值。值。能把热力学的基本规律归结于一个基能把热力学的基本规律归结于一个基本的统计原理；可以解释涨落现象；本的统计原理；可以解释涨落现象；可以求得物质的具体特性。可以求得物质的具体特性。统计物理学所得到的理论结论往往统计物理学所得到的理论结论往往只是近似的结果。只是近似的结果。研究的对象研究的对象与任务相同与任务相同 热热统统知知其其然然而而不不知知其其所所以以然然.揭揭示示宏宏观观现现象象的的本本质质 模型假设有局限性模型假设有局限性第7页，共14页，编辑于2022年
7、，星期日物理学的第二次大综合是从热学开始的，它涉及到宏观物理学的第二次大综合是从热学开始的，它涉及到宏观与微观两个层次与微观两个层次.两种方法的关系两种方法的关系统计物理统计物理热热力学力学相辅相成相辅相成第8页，共14页，编辑于2022年，星期日热力学统计物理学热力学 统计物理学美国：例:基泰尔,热物理学中国：例:汪志诚,热统三、两种三、两种热统热统（热物理）体系（热物理）体系第9页，共14页，编辑于2022年，星期日 热热热热 物物物物 理理理理 学学学学C C。基泰尔基泰尔第 一 章 量子态第 二 章 一个基本的可解系统第 三 章 基本假设第 六 章 吉布斯因子和玻耳兹曼因子第 九 章
8、费密子和玻色子：分布函数第 十 章 自由粒子：轨道的计算第十一章 单原子理想气体第十二章 单原子理想气体数值计算第十三章 气体分子运动论第十四章 费密狄喇克分布的应用：金属和白矮星第十五章 光子的普朗克分布函数第十六章 固体中的声子：德拜理论第十七章 玻色子物理学：爱因斯坦凝聚和液氦He4第 四 章 两个热接触的系统：熵和温度的定义第 五 章 两个扩散接触的系统：化学势第 七 章 压强和热力学恒等式第 八 章 热力学温度第十八章 自由能第十九章 热力势 巨势和焓第二十章 蒸气压方程第二十一章 反应中的平衡第二十二章 电场中的系统第二十三章 磁场中的系统热 统国 外又例：F.Mandl,统计物理
9、学，John Wiley&Sons；人民教育出版社第10页，共14页，编辑于2022年，星期日热+统 1（国 内）热力学 统计物理汪志诚汪志诚汪志诚汪志诚第一章第一章第一章第一章 热力学的基本规律热力学的基本规律热力学的基本规律热力学的基本规律第二章第二章第二章第二章 均匀物质的热力学性质均匀物质的热力学性质均匀物质的热力学性质均匀物质的热力学性质第三章第三章第三章第三章 单元系的相变单元系的相变单元系的相变单元系的相变第四章第四章第四章第四章 多元系的复相平衡和化学平衡多元系的复相平衡和化学平衡多元系的复相平衡和化学平衡多元系的复相平衡和化学平衡第五章第五章第五章第五章 不可逆过程热力学简介
10、不可逆过程热力学简介不可逆过程热力学简介不可逆过程热力学简介热力学热力学热力学热力学 46%46%第六章第六章第六章第六章 近独立粒子的最概然分布近独立粒子的最概然分布近独立粒子的最概然分布近独立粒子的最概然分布第七章第七章第七章第七章 玻耳兹曼统计玻耳兹曼统计玻耳兹曼统计玻耳兹曼统计第八章第八章第八章第八章 玻色统计和费米统计玻色统计和费米统计玻色统计和费米统计玻色统计和费米统计第九章第九章第九章第九章 系综理论系综理论系综理论系综理论第十章第十章第十章第十章 涨落理论涨落理论涨落理论涨落理论第十一章第十一章第十一章第十一章 非平衡态的统计理论非平衡态的统计理论非平衡态的统计理论非平衡态的统
11、计理论统计物理统计物理统计物理统计物理 54%54%第11页，共14页，编辑于2022年，星期日热力学与统计力学热力学与统计力学Thermodynamics and statistical mechanics 德W顾莱纳 L奈斯 H斯托克著本科 研究生第一部分第一部分 热力学热力学 平衡与状态量、热力学定律、相变与化学反应、热力学势、热力学稳定性第二部分第二部分 统计力学统计力学微观状态数与熵、微正则系综、正则系综、玻尔兹曼统计、巨正则系综第三部分第三部分 量子统计量子统计密度算符、多粒子波函数的对称性质、理想量子系统的巨正则描述、理想玻色气体、理想费米气体、相对论玻色气体与费米气体的应用第四
12、部分第四部分 实际气体和相变实际气体和相变实际气体、相变的分类、伊辛和海森伯模型又例：.萨莫洛维奇，热力学与统计物理学（苏）热+统 2（国 外）第12页，共14页，编辑于2022年，星期日国内热统教学体系热 学统计物理高等统计热力学统计物理输运现象热力学定律与熵热力学定律1/3均匀物质热力学复相平衡近独立子系玻尔兹曼分布1/4玻色统计和费米统计系综理论气体分子运动论麦玻分布输运、涨落等第13页，共14页，编辑于2022年，星期日从从从从热学热学热学热学到到到到热统热统热统热统，关于某些看似重复的概念：关于某些看似重复的概念：关于某些看似重复的概念：关于某些看似重复的概念：自热学起我们学习了如：热力学定律、熵、麦玻分布等等的概念，在热统中它们又重新出现，只不过由更基础的原理导出或者简略提过，以保持一个学科体系的完整性。电磁学和电动力学热学和热力学与统计物理原子物理和量子力学部分重复中的升级课程第14页，共14页，编辑于2022年，星期日