1、热学统计物理,主讲：吴俊芳西安工程大学理学院物理系,绪 论,英国物理学家开尔文（Lord Kelvin，1824-1907）,德国物理学家克劳修斯（Rudolph Julius Emmanuel Clausius,1822-1888）,本章内容,1 热学的研究对象,2 热学的研究方法,3 热学的发展简史,热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它运动形式之间相互转化规律的一门学科，是物理学的一个重要组成部分，它和理论力学、量子力学、电动力学构成物理学中的四大力学。热现象是通过宏观物体或物体系表现出来的，而宏观物体则是由大量的微观粒子（分子或原子）组成的。,1 热学的研究对象,温度就是反映
2、物体的冷热程度的物理量，自然界中与温度有关的现象称为热现象 。,2 热学的研究方法,人们研究热现象和热运动主要是从宏观和微观两个方面入手，采用了宏观的方法-热力学方法和微观的方法-统计物理学方法来研究热现象和热运动。 1. 热力学方法 热力学方法是研究物质热运动的宏观规律，以观测和实验事实为基础，应用数学方法，对由实验总结出的热现象规律进行严密的逻辑推理和演绎从而研究物质热学性质，得出有关物质各种宏观性质之间的关系，以及宏观物理过程进行的方向和限度等方面的结论，这种方法称为热力学方法。,热力学理论方法主要成果： 建立热力学四个定律和热力学概念如压强、温度、内能、热容、热量、熵、焓、自由能等。其
3、中热力学第一定律依靠能量概念说明了一切热现象过程遵循量的关系，热力学第二定律依靠熵概念说明了一切热现象过程具有方向性和限度。 热力学方法的优点结论具有很高的可靠性和普遍性,其缺点是由于热力学理论不涉及物质的微观结构和粒子的运动，把物质看成是连续的，因此不能解释宏观性质的涨落及宏观现象的微观本质。,2. 统计物理学方法 统计物理学是研究物质热运动的微观理论，它从物质由大量分子(粒子)组成，分子不停地做无规则运动，分子间有相互作用，单个分子运动虽具有不确定性，但整体遵循统计规律。人们紧紧抓住热力学系统这一特点，首先建立分子微观模型，然后运用力学规律和数学统计方法，确定微观量和宏观量之间的关系即物质
4、的宏观性质是大量微观粒子运动的集体表现，认为宏观量是微观量的统计平均值，进而阐明宏观量的微观本质，这种方法称为统计物理学方法。,统计物理学方法的优点是它可以把热力学的几个基本定律归结于一个基本的统计原理，阐明了热力学定律的统计意义。其缺点是由于对物质的微观结构所作的往往只是简化的模型假设，因而所得到的理论结果往往只是近似的。,热力学方法准确可靠，但不能揭示本质。统计物理学方法虽可揭示本质，但因建立在假设基础之上从而具有近似性。热力学对热现象给出普遍而可靠的结果，可以用来验证微观理论的正确性，统计物理学则可以深入热现象的本质，使热力学的理论获得更深刻的意义。两种方法是相辅相承，缺一不可的。,热学
5、的发展史，大体可以分成四个阶段，简述如下：第一个阶段：十七世纪末到十九世纪中叶 此时累积了大量的试验与观察的结果，并制造出蒸汽机，并对“热” 的本质展开研究与争论，为热力学的理论建立做好了暖身。在十九世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论（热力学第二定律的前身）和热功互换的原理（热力学第一定律的基础）。这一阶段的热力学还停留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。,3 热学的发展简史,第二个阶段：十九世纪中叶到十九世纪七十年代末 此阶段热力学第一定律和第二定律已经完全理论化。由于热功互换原理建立了热力学第一定律，由第一定律与卡诺循环的结合导致热力学第二定律的成熟。另一方面，以牛顿力学为
6、基础的气体动力论也开始发展，但这时人们并不了解热力学与气体动力论之间的关联。第三个阶段：十九世纪末到二十世纪初 这个时间内，首先由波尔兹曼将热力学与分子动力学的理论结合，而导致统计热力学的诞生，同时他也提出非平衡态的理论基础。至二十世纪初吉布斯（Gibbs）提出系统理论建立统计力学的基础。,第四个阶段：二十世纪三十年代至今 主要是量子力学的引进而建立了量子统计热力学，同时非平衡态理论更进一步发展，形成了近代理论与实验物理学中最重要的一环。,热学统计物理内容,绪论第1章 温度第2章 气体分子运动论的基本概念第3章 气体分子热运动速率和 能量的统计分布规律 第4章 气体内的输运过程第5章 热力学第
7、一定律第6章 热力学第二定律,热学统计物理内容,第7章 热力学函数第8章 液体第9章 相变第10章 近独立粒子的最概然分布第11章 玻耳兹曼统计第12章 玻色统计和费米统计,主要参考书目录,吴俊芳，张英堂， 杜亚利，热学统计物理 M. 陕西，西北工业大学出版社，2011. 李椿，章立源，钱尚武，热学M.北京:高等教育出版社，2008. 秦允豪.热学M.南京:南京大学出版社，2004. 包科达.普通物理学:热学M.北京:北京大学出版社，2007. 赵凯华、罗蔚茵.热学M.北京：高等教育出版社，2005. 张玉民、阮耀钟.热学M.北京:高等教育出版社，2000.,主要参考书目录,肖国屏，热学M.北京:高等教育出版社，1989. 顾建中，热学教程 M. 北京:高等教育出版社，1983. 黄淑清，聂宜如，申先甲，热学教程M. 北京:高等教育出版社，1994. 罗蔚茵，许煜寰，热学基础M. 广州：中山大学出版社，1990. 徐行，热学M.北京:高等教育出版社，1990. 李平，热学M.北京:北京师范大学出版社，1987.,
