热力学统计物理

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个人介绍

热力学统计物理

主讲教师：

教师团队：共1位

马红孺

学校：	上海交通大学
开课院系：	物理系
专业大类：	物理学

本系列介绍了统计热力学基础，系综理论，正则系综，热力学的三个定理等内容，还讲了卡诺定理，均匀系的平衡性质，费米气体和玻色气体，相图和克拉伯龙方程。

教师简介

马红孺

职称：长江学者特聘教授

单位：上海交通大学

部门：物理学

热力学

相关书籍热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。

热力学（thermodynamics）是自然科学的一个分支，主要研究热量和功之间的转化关系。热力学是研究物质的平衡状态以及与准平衡态，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的物理、化学过程的学科。热力学适用于许多科学领域和工程领域，如发动机，相变，化学反应，甚至黑洞等等。

热力学，全称热动力学，是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科；它着重研究物质的平衡状态以及与准平衡态的物理、化学过程。

热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此它是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。热力学三定律是热力学的基本理论。

工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律(各种形式能量在相互转换时总能量守恒)、热力学第二定律（能量贬值）和热力学第三定律（绝对零度不可达到）作为推理的基础，通过物质的压力、温度、比容等宏观参数(见热力状态)和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。

这种方法，把与物质内部结构有关的具体性质当作宏观真实存在的物性数据予以肯定，不需要对物质的微观结构作任何假设，所以分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。这是它的独特优点。

开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标

热力学原理是一些制约能量从一种形式转换为另一种形式的定律。这些定律的很多推论给出物质性质与压力、温度、电场、磁场、成分的改变所产生的效应之间的关系。热力学是建立在人们共同经验观测基础之上的，由这些观测归纳成热力学定律。从几个这样的定律出发，可用纯逻辑推理的方法，演绎出这一学科的全部其余定律。有一种做法认为只有少数定律是独立的，从它们可以推导出其余定律。最近的趋势是选择不是最早发现的那些定律和假设作为基本的定律和假设。某些这种选择是十分有用的，因为由此可以很快地推导出其余定律。但是这里仍将讨论随着历史的发展而出现的那些定律，因为它们既不抽象，又可提供一个较明晰的物理解释。

可以说，当定义了三个态函数:绝对温度T、内能U和熵S后，热力学原理的整个发展就完满了。

第零定律确立了温度的概念，第一定律定义了内能，第二定律引进了墒的概念和绝对温标。最后，第三定律描述了嫡在绝对温度趋向零时的行为。为了便于说明，必须定义几个名词。系统是要考察的那部分物质世界。其余部分是周围介质。开放系统可以与周围介质交换物质、热量和功。封闭系统可以与周围介质交换热量和功，但不交换物质。孤立系统不与周围介质发生任何交换。一个封闭系统或者孤立系统有时是指一个物体。一个系统内空间上均一的部分叫做担。例如一个液体连同蒸气可以认为是两相系统。如果需要的话，可以把系统搞得相当仔细，但因关心的是热性质，所以只讨论没有受电场或磁场作用的单相各向同性的系统，唯一允许的作用力是均匀的法向压力产生的。

这样一个约束不是对热力学普遍性以根本限制，而只是便于教学。平衡态的特性与热力学有关的物质性质都是一些宏观性质，如温度、压力、体积、浓度、表面张力和粘滞度，不使用像原子间距离那样的分子性质。一个系统的状态是由全部宏观性质连同它们的空间变化来加以确定的。经验证明，一个孤立系统总会趋向一个特别简单的终态，此时系统的宏观性质是恒定的，而且在空间上是均匀的。这样的简单状态称为平衡态。如果人们关心一个单相系统的某一个给定的量，其平衡态完全可由r1个系统的宏观性质所确定，这里r是组元的数目。对一个不受磁场和电场作用的单组元、单相系统可以固定系统的两个宏观性质，例如压力和体积所有其余宏观性质，如粘滞度、表面张力等等，也都取固定值。

开尔文

开尔文，为热力学温标或称绝对温标，是国际单位制中的温度单位。由爱尔兰第一代开尔文男爵（Lord Kelvin）威廉·汤姆森发明，其命名依发明者头衔为Kelvins，符号是K，但不加“°”来表示温度。1927年，第七届国际计量大会将热力学温标作为最基本的温标。

定义

水三相点热力学温度的。　273.15开尔文=0℃

开尔文温度计（缩写为“K”）是科学工作中使用很普遍的一种。

开氏温度标度是用一种理想气体来确立的，它的零点被称为绝对零度。根据动力学理论，当温度在绝对零度时，气体分子的动能为零。为了方便起见。开氏温度计的刻度间隔与摄氏温度计上的刻度间隔相一致，也就是说，开氏温度计上的一度等于摄氏温度计上的一度，水的冰点摄氏温度计为0℃，开氏温度计为273.15K。

色温单位：以绝对温度 K 来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红 —— 浅红 —— 橙——黄—— 白 ——蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。

威廉·汤姆森

威廉·汤姆逊生于1824年爱尔兰，父亲占姆士是贝尔法斯特皇家学院的数学教授。汤姆逊一家在威廉八岁时迁往苏格兰的格拉斯哥，而占姆士则任教格拉斯哥大学。汤姆逊十岁便入读格拉斯哥大学（你不必惊讶，在那个时代，爱尔兰的大学会取录最有才华的小学生），约在十四岁开始学习大学程度的课程。十五岁时凭一篇题为「地球形状」的文章获得大学的金奖章。文章论及的一些重要概念，汤姆逊在往后还常常用到。汤姆逊后来到了剑桥大学升学，以全级第二名的成绩毕业。他毕业后到了巴黎，在勒尼奥的指导下进行了一年实验研究。

统计物理学

统计物理学 statistical physics 根据对物质微观结构及微观粒子相互作用的认识，用概率统计的方法，对由大量粒子组成的宏观物体的物理性质及宏观规律作出微观解释的理论物理学分支。又称统计力学。所谓大量，是以1摩尔物质所含分子数（其数量级为10^23个）为尺度的。

研究对象从少量个体变为由大量个体组成的群体，导致规律性质和研究方法的根本变化，大量粒子系统所遵循的统计规律是不能归结为力学规律的。统计物理是由微观到宏观的桥梁，它为各种宏观理论提供依据，已经成为气体、液体、固体和等离子体理论的基础，并在化学和生物学的研究中发挥作用。气体动理论（曾称气体分子运动论）是早期的统计理论。它揭示了气体的压强、温度、内能等宏观量的微观本质，并给出了它们与相应的微观量平均值之间的关系。平均自由程公式的推导，气体分子速率或速度分布律的建立，能量均分定理的给出，以及有关数据的得出，使人们对平衡态下理想气体分子的热运动、碰撞、能量分配等等有了清晰的物理图像和定量的了解，同时也显示了概率、统计分布等对统计理论的特殊重要性。

非平衡态分布函数及其演化方程的建立，不仅成为输运过程微观统计理论的基础，而且由它定义的H函数及其遵循的H定理对理解，宏观过程的不可逆性及趋于平衡的过程起过重要作用。熵的统计意义的阐明，熵增加原理的微观统计解释，表明统计理论已从平衡态向非平衡态发展，已经从对某些宏观概念和宏观规律的微观统计解释，发展到对热力学第二定律这样的普遍规律作出微观统计解释。但是，气体动理论以分子为统计个体，需对分子的结构以及分子间的作用作出并无根据的猜测或假设，这是它进一步发展的根本困难和限制。

参考教材