热力学统计物理期末复习试题.doc

1、1一. 填空题 1. 设一多元复相系有个 相，每相有个 组元，组元之间不起化学反应。此系统平衡时必同时满足k条件： 、 、 T P (,)iii12k 2. 热力学第三定律的两种表述分别叫做： 能特斯定律 和 绝 对 零 度 不 能 达 到 定 律 。3.假定一系统仅由两个全同玻色粒子组成，粒子可能的量子态有 4 种。则系统可能的微观态数为：10 。4.均 匀 系 的 平 衡 条 件 是 且 ； 平 衡 稳 定 性 条 件 是 且 。0T0P0VC0TP5 玻色分布表为 ；费米分布表为 ；玻耳兹曼分布表为1ae 1ae。当满足条件 时，玻色分布和费米分布均过渡到玻耳兹曼分布。 e6 热力学系统

2、的四个状态量 所满足的麦克斯韦关系为VPTS、 、 、, , , 。TVSPPSPVVSTS7. 玻耳兹曼系统粒子配分函数用 表示，内能统计表达式为 广义力统计表达式1Z1lnZUN为 ，熵的统计表达式为 ， 自由能的统计表达式为1lnNYy 11ln(l)NkZ。FkTZ8.单元开系的内能、自由能、焓和吉布斯函数所满足的全微分是： ， ， ， 。9. 均匀开系的克劳修斯方程组包含如下四个微分方程：， ， ，dUTSpVdnHTdSVpndGSTVpdnF10. 等温等容条件下系统中发生的自发过程，总是朝着自 由 能 减 小 方向进行，当自由能减小到极小值时，系统达到平衡态；处在等温等压条件下

3、的系统中发生的自发过程，总是朝着吉布斯函数减小的方向进行，当吉布斯函数减小到极小值时，系统达到平衡态。11.对于含 N 个分子的双原子分子理想气体，在一般温度下，原子内部电子的运动对热容量 无贡献 ；温度大大于振动特征温度时， ；温度小小于转动特征温度时， 72VCNk2。温度大大于转动特征温度而小小于动特征温度时， 。32VCNk 52VCNk12.玻耳兹曼系统的特点是：系统由全同可分辨粒子组成；粒子运动状态用 量 子 态 来描写；确定每个粒子的量子态即可确定系统的微观态；粒子所处的状态不受泡利不相容原子的约束。13 准静态过程是指 过程进行中的每一个中间态均可视为平衡态 的过程；无摩擦准静

4、态过程的特点是 外界对系综的作用力，可用系统的状态参量表示出来。14.绝热过程是指，系统状态的改变，完全是机械或电磁作用的结果，而没有受到其他任何影响 的过程。在绝热过程中，外界对系统所做的功 与具体的过程 无关，仅由 初终两态 决定。二简述题1. 写出系统处在平衡态的自由能判据。一个处在温度和体积不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的自由能的改变均大于零。即 。0F2. 写出系统处在平衡态的吉布斯函数判据。一个处在温度和压强不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的吉布斯函数的改变均大于零。即 。G3. 写出系统

5、处在平衡态的熵判据。一个处在内能和体积不变条件下的系统，处在稳定平衡态的充要条件是，对于各种可能的有限虚变动，所引起的熵变均小于零。即 0S4.玻尔兹曼关系与熵的统计解释。由波耳兹曼关系 可知，系统熵的大小反映出系统在该宏观状态下所具有的可能的lnkA微观状态的多少。而可能的微观状态的多少，反映出在该宏观平衡态下系统的混乱度的大小。故，熵是系统内部混乱度的量度。5. 为什么在常温或低温下原子内部的电子对热容量没有贡献？不 考 虑 能 级 的 精 细 结 构 时 ， 原 子 内 的 电 子 激 发 态 与 基 态 的 能 量 差 为 ， 相 应 的 特 征 温 度 为10eV。 在 常 温 或

6、低 温 下 ， 电 子 通 过 热 运 动 获 得 如 此 大 的 能 量 而 跃 迁 到 激 发 态 的 概 率 几 乎 为 零 ，45K10平 均 而 言 电 子 被 冻 结 基 态 ， 因 此 对 热 容 量 没 有 贡 献 。6. 为什么在常温或低温下双原子分子的振动对热容量贡献可以忽略？因为双原子分子的振动特征温度 ，在常温或低温下 ，振子通过热运动获3K10v kTv得能量 从而跃迁到激发态的概率极小，因此对热容量的贡献可以忽略。kv7. 能量均分定理。对于处在平衡态的经典系统，当系统的温度为 T 时，粒子能量 的表达式中的每一个独立平方项的平均值为 。1T28 等概率原理。对于处

7、在平衡态的孤立系统，系统的各种可能的微观状态出现的概率是相等的。39系统的基本热力学函数有哪些？什么叫特性函数？什么叫自然参量。基本热力学函数有：物态方程 ，内能，熵。特性函数：适当选择独立变量，只要知道一个热力学函数就可以求偏导数而求得均匀系统的全部热力学函数，从而把均匀系统的平衡性质确定，这个热力学函数称为特性函数。11 试说明，在应用经典理论的能量均分定理求理想气体的热容量时，出现哪些与实验不符的结论或无法解释的问题（至少例举三项）？12.最大功原理系统在等温等容过程中对外所做的功不大于其自由能的减小（-wFa-Fb）在等温等压条件下，能够从系统获得的最大体变功等于系统吉布斯函数的减小。

8、13.写出能斯特定理的内容凝聚态的熵在等温过程中的改变随绝对温度趋于零14什么是近独立粒子系统粒子之间的相互作用力很弱，相互作用的平均能量远小于单个粒子的平均能量，因而可以忽略粒子之间的相互作用15单元复相系达到平衡时所满足的相变平衡条件是什么？如果该平衡条件未能满足，变化将朝着怎样的方向进行？相变平衡条件： 变化方向：（P82）16写出吉布斯相律的表达式，并说明各物理量的含义。F=k+2- F:多元复相系的自由度，是多元复相系可以独立改变的强度量变量的数目。k：系统的组元数 ：系统的相数17.写玻耳兹曼系统、玻色系统、费米系统的微观态数统计表达式，并说明它们之间的联系。与分布 相应的，玻色系

9、统微观状态数为 ；费米系统的微观状态al1!.BEa数 ；玻耳兹曼系统微观状态数为 。当满足条件!.BE !.aN经典近似条件时，三种微观状态数之间的关系为 。1!.BEFDME18. 为什么说，对于一个处在平衡态的孤立系统，可以将粒子的最概然分布视为粒子的平衡态分布？19试说明，在应用经典理论的能量均分定理求固体热容量时，出现哪些与实验不符的结论或无法解释的问题？在低温范围内，实验发现固体的热容量随温度降低地很快，当温度趋近绝对零度时，热容量也趋于零.对于金属的自由电子，如果将能量的均分定理应用于电子，自由电子的热容量与离子振动的热容量将有相同的数量级，实验结果是 3k 以上的自由电子的热容

10、量与离子振动的热容量相比可以忽略不计。4三. 选择题1.系统自某一状态 A 开始，分别经两个不同的过程到达终态 B。下面说法正确的是 B（A）在两个过程中吸收的热量相同时，内能的改变就一定相同（B）只有在两个过程中吸热相同且做功也相同时，内能的改变才会相同（C）经历的过程不同，内能的改变不可能相同（D）上面三种说法都是错误的2.下列各式中不正确的是 A（A） （B） （C） （D） ,TPHn,TVFn,SVUn,TPGn3.吉布斯函数作为特性函数应选取的独立态参量是 B（A）温度和体积 （B）温度和压强（C）熵和体积 （D）熵和压强（D）孤立的系统4.费米统计的巨配分函数用 表示，则熵的统计

11、表达式是 C（A） （B）lnllSNlnllSN（C） （D）lllk lllk5.自由能作为特性函数应选取的独立态参量是 A（A）温度和体积 B）温度和压强 （C）熵和体积 （D）熵和压强6.由热力学基本方程 可得麦克斯韦关系 DdGSTVdp（A） （B）VTp pS（C） （D） SVpT7.将平衡辐射场视为处在平衡态的光子气体系统，下面说法不正确的是 （A）这是一个玻色系统 （B）这是一个能量和粒子数守恒的系统（C）系统中光子的分布遵从玻色分布（D）这是一个非定域系统8.封闭系统指 C（A）与外界无物质和能量交换的系统5（B）能量守衡的系统（C）与外界无物质交换但可能有能量交换的系统

12、9.下列系统中适合用玻尔兹曼分布规律处理的系统有 B（A）经典系统（B）满足非简并条件的玻色系统和费米系统（C）满足弱简并性条件的玻色系统和费米系统（D）非定域体系统10. 和 分别是双原子分子的振动特征温度和转动特征温度，下面说法正确的是vr（A） 时，振动自由度完全“解冻” ，但转动自由度仍被“冻结” 。vT（B） 时，转动自由度完全“解冻” ，但振动自由度仍被“冻结”r（C） 时，振动自由度和转动自由度均完全“解冻” 。v（D） 时，振动自由度和转动自由度均完全“解冻” 。r11.气体的非简并条件是 D （A）分子平均动能远远大于 kT（B）分子平均距离极大于它的尺度（C）分子数密度远远

13、小于 1 （D）分子平均距离远大于分子德布罗意波的平均热波长12.不考虑粒子自旋，在边长 L 的正方形区域内运动的二维自由粒子，其中动量的大小处在范围的粒子可能的量子态数为 Bpd（A） （B） （C） （D）24Lh2pdh2Ldph2Lpdh五. 推导与证明1.试用麦克斯韦关系，导出方程 ，假定 可视为常量，由此导出理想VVTSTVC气体的绝热过程方程 （常量） 。1C解： ，VTSddT VTTSdV由麦氏关系 ，TVSp VpdSC绝热过程 ，理想气体 ，0dnRTnR6积分得 （常量）0VdTCnRlnlVCTRC ， /p(1)p故： ，即： （常量）1l12. 证明: ,TPn证

14、明：选 T, V 为独立变量，则dGSdp, , ,TpTnTnpGn而 ， 故 ,TnV,TpTnV3.证明焓态方程： 。pTHp证：选 T、p 作为状态参量时，有（1） （2）pTHddpTSddpT而， （3）SV（2）代入（3）得： （4）pTSdddp比较（1） 、 （4）得： （5） （6）ppHSTTTHV将麦氏关系 代入（6） ，即得pTSVpTpV4.导出含有 N 个原子的爱因斯坦固体的内能和热容量表达式：， 321Ue 2/231ETVeCNk7解：按爱因斯坦假设，将 N 个原子的运动视为 3N 个线性谐振子的振动，且所有谐振子的振动频率相同。谐振子的能级为： (1/2)(

15、0,12)nn则，振子的配分函数为：/2(/)/00(1nnneZee 1lnl(1)2Z 3321NeNUNe2 2()VVVUCkTkT引入爱因斯坦特征温度 ： ，即得：EE/231ETVeCk5. 导出爱因斯坦固体的熵表达式： 31lnSNke解：设固体系统含有 N 个原子，按爱因斯坦假设，将 N 个原子的运动视为 3N 个线性谐振子的振动，且所有谐振子的振动频率相同。谐振子的能级为： 0,12(),()2n则，振子的配分函数为： 12()210nne 11(),21lnll e 113(3()lSNkNke6.证明，对于一维自由粒子，在长度 内，能量在 的范围内，可能的量子态数为Ld。

16、1/2/()mLDdhd证：由量子态与相空间体积元之间的对应关系，对于一维自由粒子，在相空间体积元 内的可xdp能的量子态数为 。xp因此，在长度 内，动量大小在 范围内粒子的可能的量子态数为Lpd82Ldph而， ，21pmd故，在长度 内，能量在 范围内，可能的量子态数为Ld。1/2/()mLDhd7. 证明: PSVT0US证明：， 由全微分条件得：dHSPTV证明：由 ， 令 得：UTSPdV0UU0,S8.导 出 普 朗 克 黑 体 辐 射 公 式 。解：在体积 V 内，动量在 范围的光子的量子态数为p+d238h因 为 ， 光 子 气 体 是 玻 色 系 统 遵 从 玻 色 分 布

17、 ， 由 于 系 统 的 光 子 数 不 守 恒 ， 每 个 量 子 态 上 平 均 光 子 数 为/1kTfe又 =pc所以，在体积 V 内，圆频率在 范围内的光子的量子态数为+d3223()8VDdhc在此范围内的光子数为 223/()1kTNfDde故，在此范围内的辐射能量为： 23/(,) kTVUTddc9.对于给定系统，若已知 ， ，求此系统的物态方程。vpR=T-b3p2av-bv-R9解：设物态方程为 ，则(,)pTv（1）vTdd vpTVT （2）Tvp将 和 代入（2）得vpR=-b3pav-bT-R（3）233Tvpv-aRTv-bv-b将 和（3）代入（1）得vpR=

18、-b2 223TaRTaRTaddvd- v-bv-b- 积分得： ，即：2Rpvb2p11.已知气体系统通常满足经典极限条件且粒子动量和能量准连续变化，采用量子统计方法导出单原子分子理想气体的内能。解：气体系统遵从玻耳兹曼分布，粒子配分函数为（对所有量子态 s 求和）1l slZe当粒子能量准连续变化时，上述对量子态求和可用 空间积分替代。因为，在 6 维 空间中， ， ， ， ， 范围内的粒子，其dxdyzdxxpdyypdzzp可能的量子态数为 31xyzh且，粒子的能量为： 。所以221=()xyzpm1022 23()1 331dddxyz xp pm mxyzVZepehh 即， 而 /213Vh12lnlnlnZ由内能的统计表达式 ，得： 1lnZUN32NUkT12. 证明: PVVPCT证：（1）PS (,)(,)STpTp（2）PVTPS（2）代入（1）（3）PVVPC将麦氏关系：代入（3）得TSPVVP13. 证明，理想气体的摩尔自由能为：证明：选 T, V 为独立变量，则 ,VVcppducTdvsdTv理想气体的物态方程为： RT， ，VpRvVucVcsv故: ， 0ucdT 0lnsds0vvTRuTf