熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理導(dǎo)言課件

24十二月2022物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理學(xué)ThermodynamicsandStatisticalPhysics金濤ShaanxiNormalUniversityWelcometothestudyofthermodynamicsandstatisticalphysics!18十二月2022物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理學(xué)24十二月2022導(dǎo)言

很高興本學(xué)期能夠和大家共同來學(xué)習(xí)陜西師范大學(xué)物理學(xué)院的“熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”課程。一、本課程的學(xué)習(xí)方法：

課前預(yù)習(xí)，注重課堂。課后復(fù)習(xí)，做好習(xí)題。弄懂基本概念，掌握基本方法，牢記基本公式；學(xué)會(huì)基本應(yīng)用，要善于進(jìn)行創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。二.幾點(diǎn)要求：1.紀(jì)律：2.出勤：3.作業(yè)：18十二月2022導(dǎo)言很高興本學(xué)期能夠和大家共同24十二月2022導(dǎo)言導(dǎo)言1.研究對(duì)象

有限范圍（或給定范圍）內(nèi)由大量微觀粒子組成的宏觀物體及物體系。如固體、液體、氣體、等離子體、輻射場(chǎng)（一種特殊物質(zhì)，例如光子氣體）。2.研究任務(wù)

熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的任務(wù)是研究熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及熱運(yùn)動(dòng)對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響。18十二月2022導(dǎo)言導(dǎo)言1.研究對(duì)象有限范圍24十二月2022導(dǎo)言（1）熱運(yùn)動(dòng)3.研究方法a.何謂熱運(yùn)動(dòng)b.特征：?jiǎn)蝹€(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性；大量粒子組成的系統(tǒng)遵從確定不變的規(guī)律。（2）熱運(yùn)動(dòng)對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響：如力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)、聚集狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度等。

熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究任務(wù)雖然相同，但所采用的研究方法不同。前者屬于宏觀方法，而后者則屬于微觀方法。二者相輔相成，構(gòu)成了研究熱現(xiàn)象及其規(guī)律的完整的科學(xué)理論。18十二月2022導(dǎo)言（1）熱運(yùn)動(dòng)3.研究方法a.何謂熱24十二月2022導(dǎo)言(1)宏觀方法（熱力學(xué)方法）

熱力學(xué)是關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是依據(jù)在大量實(shí)驗(yàn)和觀察中總結(jié)出來的四條基本定律，通過嚴(yán)密的邏輯演繹得出有關(guān)物質(zhì)的各種宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系、宏觀物理過程進(jìn)行的方向和限度等結(jié)論。

熱力學(xué)的四條基本定律是簡(jiǎn)單而明了的，它們可以相當(dāng)簡(jiǎn)明地?cái)⑹鋈缦拢旱诹愣伞圃鞙囟扔?jì)是可能的；第一定律—能量是守恒的；第二定律—不是全部熱量都可以轉(zhuǎn)化為功；第三定律—我們永遠(yuǎn)不能達(dá)到那個(gè)最低的溫度。18十二月2022導(dǎo)言(1)宏觀方法（熱力學(xué)方法）24十二月2022導(dǎo)言這些定律聽起來簡(jiǎn)單，但其含義是巨大的。

◆熱力學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

由于熱力學(xué)的基本定律是建立在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的，因此熱力學(xué)的結(jié)論是可靠的。又由于熱力學(xué)不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，所以熱力學(xué)具有很強(qiáng)的普適性，可用來研究一切宏觀物質(zhì)系統(tǒng)。可靠性和普適性是熱力學(xué)最顯著的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。18十二月2022導(dǎo)言這些定律聽起來簡(jiǎn)單，但其含義是巨大24十二月2022導(dǎo)言

由于熱力學(xué)理論與具體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)無關(guān)，使得它不可能導(dǎo)出具體物質(zhì)的具體特性，在實(shí)際應(yīng)用中必須結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，才能得到特定系統(tǒng)的具體結(jié)果。此外，熱力學(xué)理論把物質(zhì)看成連續(xù)體，用連續(xù)函數(shù)表達(dá)物質(zhì)的性質(zhì)，因此不能解釋宏觀性質(zhì)的漲落，也不能給出有關(guān)物理性質(zhì)的本質(zhì)解釋。這些都是熱力學(xué)的局限性。18十二月2022導(dǎo)言由于熱力學(xué)理論與具體的24十二月2022導(dǎo)言（2）微觀方法（統(tǒng)計(jì)物理方法）

統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是關(guān)于熱現(xiàn)象的微觀理論，它從物質(zhì)系統(tǒng)的具體微觀結(jié)構(gòu)入手，依據(jù)微觀粒子遵守的力學(xué)規(guī)律（經(jīng)典的或量子的），用統(tǒng)計(jì)的方法研究熱現(xiàn)象及其規(guī)律。

統(tǒng)計(jì)物理學(xué)認(rèn)為：a.宏觀系統(tǒng)是由大量處于熱運(yùn)動(dòng)的微觀粒子所組成的，粒子遵守力學(xué)（經(jīng)典或量子）運(yùn)動(dòng)規(guī)律；b.系統(tǒng)的宏觀物理量是相應(yīng)的微觀物理量的統(tǒng)計(jì)平均值；c.計(jì)算漲落。為了計(jì)算微觀物理量的統(tǒng)計(jì)平均值，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)使用了一個(gè)基本的統(tǒng)計(jì)原理—等概率原理。從等概率原理出發(fā)，結(jié)合具體系統(tǒng)的能量表達(dá)式，能使我們研究各種系統(tǒng)的具體宏觀性質(zhì)，給出熱力學(xué)基本定律的統(tǒng)計(jì)意義和解釋漲落現(xiàn)象。18十二月2022導(dǎo)言（2）微觀方法（統(tǒng)計(jì)物理方法）24十二月2022導(dǎo)言

我認(rèn)為統(tǒng)計(jì)力學(xué)是理論物理中最完美的科目之一，因?yàn)樗幕炯僭O(shè)是簡(jiǎn)單的，但它的應(yīng)用卻十分廣泛。

——諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道◆統(tǒng)計(jì)物理方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

但是，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)也有它的局限性。由于從粒子的屬性去計(jì)算系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)常常會(huì)遇到極大的困難，所以統(tǒng)計(jì)物理學(xué)不得不采用一些簡(jiǎn)化模型和近似方法，這就使得所得結(jié)果與實(shí)際不能完全符合。當(dāng)然，隨著人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)的深入了解和理論方法的發(fā)展，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的理論結(jié)果也會(huì)更接近實(shí)際。

深入到熱現(xiàn)象的本質(zhì)，給出宏觀性質(zhì)的微觀解釋是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的最大優(yōu)點(diǎn)。18十二月2022導(dǎo)言我認(rèn)為統(tǒng)計(jì)力學(xué)是理論物24十二月2022導(dǎo)言4．理論結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)

從熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的理論結(jié)構(gòu)來看，它包括平衡態(tài)理論和非平衡態(tài)理論兩大部分。

關(guān)于平衡態(tài)的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論發(fā)展較早，也比較成熟，因而是物理專業(yè)本科生的必修課程。本課程只涉及有關(guān)平衡態(tài)的理論。

傳統(tǒng)的非平衡態(tài)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是關(guān)于線性不可逆過程的理論，它在熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散、溫差電效應(yīng)和金屬電導(dǎo)率等輸運(yùn)過程問題的研究中都已得到了許多重要結(jié)果。18十二月2022導(dǎo)言4．理論結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)24十二月2022導(dǎo)言

系統(tǒng)的平衡態(tài)只是一種特殊狀態(tài)，更一般的情況是系統(tǒng)處于非平衡態(tài)。按離開平衡態(tài)的遠(yuǎn)近可把非平衡態(tài)分為近平衡區(qū)和遠(yuǎn)離平衡區(qū)兩類非平衡態(tài)，其相應(yīng)的過程分別稱為線性和非線性不可逆過程。

遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)和與此相應(yīng)的非線性不可逆過程的研究是近幾十年發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。

其中，影響較大的是普里高津(I.Prigogine,1917--)

的耗散結(jié)構(gòu)理論和哈肯（HHaken）的“協(xié)同學(xué)”。雖然這門新學(xué)科的歷史還很短，但發(fā)展十分迅速，涉及的領(lǐng)域也非常廣闊，并在化學(xué)動(dòng)力學(xué)、天體物理、生命過程和社會(huì)發(fā)展理論等方面都取得了巨大成就，是當(dāng)今理論物理發(fā)展的前沿之一。18十二月2022導(dǎo)言系統(tǒng)的平衡態(tài)只是一種特殊狀發(fā)展統(tǒng)計(jì)物理的科學(xué)問題——填補(bǔ)概率論的統(tǒng)計(jì)物理與確定論的動(dòng)力學(xué)之間的鴻溝是統(tǒng)計(jì)物理與動(dòng)力學(xué)研究的共同科學(xué)任務(wù)醉漢全醉全醒非平衡統(tǒng)計(jì)玻爾茲曼方程；漲落耗散理論（昂薩克假設(shè)、線性相應(yīng)理論、Kubo公式、漲落relation和Jarzynski等式）耗散結(jié)構(gòu)理論；分?jǐn)?shù)擴(kuò)散方程等非廣延統(tǒng)計(jì)Tsallis統(tǒng)計(jì)、非完整統(tǒng)計(jì)、q-形變統(tǒng)計(jì)、超統(tǒng)計(jì)等廣延系統(tǒng)，滿足中心極限定理可積系統(tǒng)動(dòng)力學(xué):哈密頓H統(tǒng)計(jì)物理:配分函數(shù)Z本身的問題基本假設(shè)的微觀基礎(chǔ)、不可逆性的起源、相變等發(fā)展統(tǒng)計(jì)物理的科學(xué)問題——填補(bǔ)概率論的統(tǒng)計(jì)物理與確定論的動(dòng)力24十二月2022導(dǎo)言本課程的結(jié)構(gòu)框架圖18十二月2022導(dǎo)言本課程的結(jié)構(gòu)框架圖24十二月2022導(dǎo)言

綜上所述，熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是一門既古老而又年輕的學(xué)科。它的傳統(tǒng)理論以其完美的體系，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砗蛷V闊的適用范圍而仍然具有強(qiáng)大的生命力；它的近代發(fā)展則以其新穎的學(xué)術(shù)思想和大膽的理論創(chuàng)新向我們展示了一個(gè)尚待開發(fā)的廣闊的領(lǐng)域。

我相信，同學(xué)們?cè)谡J(rèn)真學(xué)完本課程的基本內(nèi)容之后，一定會(huì)有所收獲、有所提高。18十二月2022導(dǎo)言綜上所述，熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)24十二月2022物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理學(xué)ThermodynamicsandStatisticalPhysics金濤ShaanxiNormalUniversityWelcometothestudyofthermodynamicsandstatisticalphysics!18十二月2022物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理學(xué)24十二月2022導(dǎo)言

很高興本學(xué)期能夠和大家共同來學(xué)習(xí)陜西師范大學(xué)物理學(xué)院的“熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”課程。一、本課程的學(xué)習(xí)方法：

課前預(yù)習(xí)，注重課堂。課后復(fù)習(xí)，做好習(xí)題。弄懂基本概念，掌握基本方法，牢記基本公式；學(xué)會(huì)基本應(yīng)用，要善于進(jìn)行創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。二.幾點(diǎn)要求：1.紀(jì)律：2.出勤：3.作業(yè)：18十二月2022導(dǎo)言很高興本學(xué)期能夠和大家共同24十二月2022導(dǎo)言導(dǎo)言1.研究對(duì)象

有限范圍（或給定范圍）內(nèi)由大量微觀粒子組成的宏觀物體及物體系。如固體、液體、氣體、等離子體、輻射場(chǎng)（一種特殊物質(zhì)，例如光子氣體）。2.研究任務(wù)

熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的任務(wù)是研究熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及熱運(yùn)動(dòng)對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響。18十二月2022導(dǎo)言導(dǎo)言1.研究對(duì)象有限范圍24十二月2022導(dǎo)言（1）熱運(yùn)動(dòng)3.研究方法a.何謂熱運(yùn)動(dòng)b.特征：?jiǎn)蝹€(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性；大量粒子組成的系統(tǒng)遵從確定不變的規(guī)律。（2）熱運(yùn)動(dòng)對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響：如力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)、聚集狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度等。

熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究任務(wù)雖然相同，但所采用的研究方法不同。前者屬于宏觀方法，而后者則屬于微觀方法。二者相輔相成，構(gòu)成了研究熱現(xiàn)象及其規(guī)律的完整的科學(xué)理論。18十二月2022導(dǎo)言（1）熱運(yùn)動(dòng)3.研究方法a.何謂熱24十二月2022導(dǎo)言(1)宏觀方法（熱力學(xué)方法）

熱力學(xué)是關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是依據(jù)在大量實(shí)驗(yàn)和觀察中總結(jié)出來的四條基本定律，通過嚴(yán)密的邏輯演繹得出有關(guān)物質(zhì)的各種宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系、宏觀物理過程進(jìn)行的方向和限度等結(jié)論。

熱力學(xué)的四條基本定律是簡(jiǎn)單而明了的，它們可以相當(dāng)簡(jiǎn)明地?cái)⑹鋈缦拢旱诹愣伞圃鞙囟扔?jì)是可能的；第一定律—能量是守恒的；第二定律—不是全部熱量都可以轉(zhuǎn)化為功；第三定律—我們永遠(yuǎn)不能達(dá)到那個(gè)最低的溫度。18十二月2022導(dǎo)言(1)宏觀方法（熱力學(xué)方法）24十二月2022導(dǎo)言這些定律聽起來簡(jiǎn)單，但其含義是巨大的。

◆熱力學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

由于熱力學(xué)的基本定律是建立在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的，因此熱力學(xué)的結(jié)論是可靠的。又由于熱力學(xué)不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，所以熱力學(xué)具有很強(qiáng)的普適性，可用來研究一切宏觀物質(zhì)系統(tǒng)?？煽啃院推者m性是熱力學(xué)最顯著的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。18十二月2022導(dǎo)言這些定律聽起來簡(jiǎn)單，但其含義是巨大24十二月2022導(dǎo)言

由于熱力學(xué)理論與具體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)無關(guān)，使得它不可能導(dǎo)出具體物質(zhì)的具體特性，在實(shí)際應(yīng)用中必須結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，才能得到特定系統(tǒng)的具體結(jié)果。此外，熱力學(xué)理論把物質(zhì)看成連續(xù)體，用連續(xù)函數(shù)表達(dá)物質(zhì)的性質(zhì)，因此不能解釋宏觀性質(zhì)的漲落，也不能給出有關(guān)物理性質(zhì)的本質(zhì)解釋。這些都是熱力學(xué)的局限性。18十二月2022導(dǎo)言由于熱力學(xué)理論與具體的24十二月2022導(dǎo)言（2）微觀方法（統(tǒng)計(jì)物理方法）

統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是關(guān)于熱現(xiàn)象的微觀理論，它從物質(zhì)系統(tǒng)的具體微觀結(jié)構(gòu)入手，依據(jù)微觀粒子遵守的力學(xué)規(guī)律（經(jīng)典的或量子的），用統(tǒng)計(jì)的方法研究熱現(xiàn)象及其規(guī)律。

統(tǒng)計(jì)物理學(xué)認(rèn)為：a.宏觀系統(tǒng)是由大量處于熱運(yùn)動(dòng)的微觀粒子所組成的，粒子遵守力學(xué)（經(jīng)典或量子）運(yùn)動(dòng)規(guī)律；b.系統(tǒng)的宏觀物理量是相應(yīng)的微觀物理量的統(tǒng)計(jì)平均值；c.計(jì)算漲落。為了計(jì)算微觀物理量的統(tǒng)計(jì)平均值，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)使用了一個(gè)基本的統(tǒng)計(jì)原理—等概率原理。從等概率原理出發(fā)，結(jié)合具體系統(tǒng)的能量表達(dá)式，能使我們研究各種系統(tǒng)的具體宏觀性質(zhì)，給出熱力學(xué)基本定律的統(tǒng)計(jì)意義和解釋漲落現(xiàn)象。18十二月2022導(dǎo)言（2）微觀方法（統(tǒng)計(jì)物理方法）24十二月2022導(dǎo)言

我認(rèn)為統(tǒng)計(jì)力學(xué)是理論物理中最完美的科目之一，因?yàn)樗幕炯僭O(shè)是簡(jiǎn)單的，但它的應(yīng)用卻十分廣泛。

——諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道◆統(tǒng)計(jì)物理方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

但是，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)也有它的局限性。由于從粒子的屬性去計(jì)算系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)常常會(huì)遇到極大的困難，所以統(tǒng)計(jì)物理學(xué)不得不采用一些簡(jiǎn)化模型和近似方法，這就使得所得結(jié)果與實(shí)際不能完全符合。當(dāng)然，隨著人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)的深入了解和理論方法的發(fā)展，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的理論結(jié)果也會(huì)更接近實(shí)際。

深入到熱現(xiàn)象的本質(zhì)，給出宏觀性質(zhì)的微觀解釋是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的最大優(yōu)點(diǎn)。18十二月2022導(dǎo)言我認(rèn)為統(tǒng)計(jì)力學(xué)是理論物24十二月2022導(dǎo)言4．理論結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)

從熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的理論結(jié)構(gòu)來看，它包括平衡態(tài)理論和非平衡態(tài)理論兩大部分。

關(guān)于平衡態(tài)的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論發(fā)展較早，也比較成熟，因而是物理專業(yè)本科生的必修課程。本課程只涉及有關(guān)平衡態(tài)的理論。

傳統(tǒng)的非平衡態(tài)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是關(guān)于線性不可逆過程的理論，它在熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散、溫差電效應(yīng)和金屬電導(dǎo)率等輸運(yùn)過程問題的研究中都已得到了許多重要結(jié)果。18十二月2022導(dǎo)言4．理論結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)24十二月2022導(dǎo)言

系統(tǒng)的平衡態(tài)只是一種特殊狀態(tài)，更一般的情況是系統(tǒng)處于非平衡態(tài)。按離開平衡態(tài)的遠(yuǎn)近可把非平衡態(tài)分為近平衡區(qū)和遠(yuǎn)離平衡區(qū)兩類非平衡態(tài)，其相應(yīng)的過程分別稱為線性和非線性不可逆過程。

遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)和與此相應(yīng)的非線性不可逆過程的研究是近幾十年發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。

其中，影響較大的是普里高津(I.Prigogine,1917--)

的耗散結(jié)構(gòu)理論和哈肯（HHaken