熱力學統(tǒng)計物理

熱力學統(tǒng)計物理學習和工作經(jīng)歷承擔教學任務(wù)熱力學與統(tǒng)計物理、計算物理學、普通物理學理論物理專業(yè)副教授碩士生導師研究領(lǐng)域：有機共軛聚合物

導電、發(fā)光、磁性非線性光學、振動特性

有機自旋電子學

非平衡量子輸運低維凝聚態(tài)理論緒論Preface熱力學·統(tǒng)計物理——關(guān)于熱現(xiàn)象的理論大量微觀粒子組成的.無規(guī)則的熱運動——熱運動決定熱現(xiàn)象.研究任務(wù)：熱運動的規(guī)律及熱運動對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響研究對象：宏觀物體系統(tǒng)統(tǒng)計物理宏觀唯象理論微觀本質(zhì)理論觀測實驗分析基礎(chǔ)：熱力學三定律數(shù)學方法演繹宏觀物性從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)考慮微觀粒子的熱運動把熱力學三個相互獨立的定律歸結(jié)于一個基本的統(tǒng)計原理,闡明三個定律的統(tǒng)計意義。宏觀物理量是微觀量的統(tǒng)計平均值.熱力學研究方法熱現(xiàn)象歸納基本假設(shè)：等概率原理（第一性公理）特點宏觀唯象理論微觀本質(zhì)理論局限：結(jié)論與物質(zhì)的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)；不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),把物質(zhì)看成連續(xù)體,用連續(xù)函數(shù)表達物質(zhì)的性質(zhì),因此不能解釋宏觀性質(zhì)的漲落.優(yōu)點：普適性

宏觀物理量是微觀量的統(tǒng)計平均值；局限性：模型的簡化帶來的理論結(jié)果的近似性優(yōu)點：從一個基本的統(tǒng)計原理出發(fā),闡明熱力學三個定律的統(tǒng)計意義,深入熱運動本質(zhì)；可以解釋漲落現(xiàn)象；對物質(zhì)結(jié)構(gòu)抽象簡化后,可研究具體物質(zhì)的特性.Cha1-5Cha6-11微觀粒子觀察和實驗出發(fā)點熱力學驗證統(tǒng)計物理學，統(tǒng)計物理學揭示熱力學本質(zhì)二者關(guān)系無法自我驗證不深刻缺點揭露本質(zhì)普遍，可靠優(yōu)點統(tǒng)計平均方法力學規(guī)律總結(jié)歸納邏輯推理方法微觀量宏觀量物理量熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象研究對象微觀理論（統(tǒng)計物理學）宏觀理論（熱力學）熱力學.統(tǒng)計物理在前沿領(lǐng)域的應(yīng)用3He/4He的稀釋制冷和激光制冷；非線性不可逆過程和耗散結(jié)構(gòu)；相變理論和臨界現(xiàn)象；Bose-Einstein凝聚；…-90年以來相關(guān)的諾貝爾物理獎1996年諾貝爾物理學獎授予美國康奈爾大學的戴維.李美國加利福尼亞州斯坦福大學的奧謝羅夫和里查森以表彰他們發(fā)現(xiàn)了氦-3中的超流動性。氦3的超流動性(DavidM.Lee,1931-)(DouglasD.Osheroff,1945-)（RichardC.Richardson,1937-)發(fā)現(xiàn)氦的同位素—3He在絕對零度之上約0.002K時變?yōu)槌黧w?！?.8液4He性質(zhì)和朗道超流理論P280溫度趨于絕對零度，液體中原子突然失去隨機運動特性，以有序方式運動，液體失去內(nèi)摩擦。量子液體-90年以來相關(guān)的諾貝爾物理獎1997年諾貝爾物理學獎授予美國斯坦福大學的朱棣文，法國法蘭西學院和高等師范學院的科恩-塔諾季和威廉·菲利普斯以表彰他們在發(fā)展用激光冷卻和陷俘原子的方法方面做的貢獻。激光冷卻和陷俘原子(StephenChu,1933--),(ClaudeCohenTannoudji,1933~)(WilliamD.Phillips,1948--)江蘇省太倉縣達到萬分之一絕對溫度的激光束冷卻氣體，原子一旦陷入速度變得非常緩慢，容易俘獲。觀察油田內(nèi)層、勘探海底，底層礦物、解讀DNA……-90年以來相關(guān)的諾貝爾物理獎1998年諾貝爾物學理獎授予美國斯坦福大學的勞克林，美國哥倫比亞大學與新澤西州貝爾實驗室的施特默和美國普林斯頓大學電氣工程系的崔琦表彰他們發(fā)現(xiàn)了一種具有分數(shù)電荷激發(fā)狀態(tài)的新型量子電流，這種狀態(tài)起因于所謂的分數(shù)量子霍耳效應(yīng)。這是繼高溫超導之后凝聚態(tài)物理學又一項嶄新課題。分數(shù)量子霍耳效應(yīng)(RobertB.Laughlin,1950--)(HorstL.Stormer,1949--)(DanielC.Tsui,1939--),楊振寧、李政道、丁肇中、李遠哲、朱棣文河南省寶豐縣肖旗鄉(xiāng)范莊村低溫(1K)強磁場(15T)-90年以來相關(guān)的諾貝爾物理獎2001年諾貝爾物理學獎為美國科羅拉多大學的埃里克·康奈爾教授、美國麻省理工學院的沃爾夫?qū)た颂乩战淌诤兔绹屏_拉多大學的卡爾·維曼教授.他們的主要研究工作為原子物理領(lǐng)域中的"稀薄堿性原子氣體的玻色愛因斯坦冷凝態(tài)的研究"和"對冷凝物的早期基礎(chǔ)研究工作"。玻色愛因斯坦凝聚(EricA.Cornell)(WolfgangKetterle)(CarlE.Wieman)讓無數(shù)原子“齊聲歌唱”當溫度足夠低、原子的運動速度足夠慢時，它們將集聚到能量最低的同一量子態(tài)。此時，所有的原子就象一個原子一樣，具有完全相同的物理性質(zhì)。在理論提出70年之后，2001年諾貝爾獎獲得者就從堿金屬原子形成冷凝態(tài)得實驗上實現(xiàn)了這一現(xiàn)象（在1995年）?！?.3玻色愛因斯坦凝聚P230-90年以來相關(guān)的諾貝爾物理獎2003年諾貝爾物理學獎表彰在超導和超流體領(lǐng)域中做出的開創(chuàng)性貢獻。第II類超導體與3He超流理論萊格特（Leggett）認為He-3原子會象超導BCS理論中的電子一樣進行配對，從而導致He-3超流現(xiàn)象。磁場可以進入第II類超導體內(nèi)部，超導與磁場是可以共存的，這意味著第II類超導體可以在更高的磁場下保持超導狀態(tài)。超流現(xiàn)象：低溫下液體完全失去粘性，是低溫物理學中一種有趣的現(xiàn)象?！?.8朗道超流理論黑體形態(tài)和宇宙微波背景輻射參考書目-90年以來相關(guān)的諾貝爾物理獎Mather-Smoot2006年諾貝爾物理學獎授予美國科學家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性?！?.6熱輻射的熱力學理論主要參考書目：王竹溪,《熱力學簡程》,人民教育出版社,1964（第一版）.王竹溪,《統(tǒng)計物理導論》,高等教育出版社,1965（第二版）.林宗涵，《熱力學與統(tǒng)計物理》北京大學出版社蘇汝鏗：《統(tǒng)計物理學》,高等教育出版社.鐘云霄,《熱力學與統(tǒng)計物理》,科學出版社,1988．W.顧萊納,L.奈斯,H.斯托克：熱力學與統(tǒng)計物理學,Splinger-Verlag．梁希俠、班士良,統(tǒng)計熱力學,內(nèi)蒙古大學出版社,2000年出版第一章熱力學的基本規(guī)律§1.1熱力學系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述§1.2熱平衡定律和溫度§1.3物態(tài)方程§1.4功§1.5熱力學第一定律§1.6熱容量和焓§1.7理想氣體的內(nèi)能§1.8理想氣體的絕熱過程§1.9理想氣體的卡諾循環(huán)§1.10熱力學第二定律§1.11卡諾定律§1.12熱力學溫標§1.13克勞修斯等式和不等式§1.14熵和熱力學基本方程§1.15理想氣體的熵§1.16熱力學第二定律的普遍表述§1.17熵增加原理的簡單應(yīng)用§1.18自由能和吉布斯函數(shù)（TheFundamentalConceptsandLawsofThermodynamics）§1.1熱力學系統(tǒng)的平衡狀態(tài)及其描述熱力學系統(tǒng):熱力學研究對象，大量微觀粒子組成宏觀物體。外界:與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其它物體。系統(tǒng)的分類：(根據(jù)系統(tǒng)與外界發(fā)生相互作用的情況)孤立系：與其它物體沒有任何相互作用的系統(tǒng)。有無能量交換有無物質(zhì)交換系統(tǒng)種類無無孤立系有無閉系有有開系絕對意義上的孤立系統(tǒng)并不存在，對系統(tǒng)進行測量要求外界對系統(tǒng)施加作用，并從系統(tǒng)取得反饋信息，這就破壞了系統(tǒng)的孤立性。孤立系統(tǒng)的進一步說明：當系統(tǒng)與外界的相互作用十分微弱，其相互作用能量遠遠小于系統(tǒng)本身的能量、可以忽略不計時，我們就可以把系統(tǒng)看成孤立系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)：一個理想的極限概念！一個孤立系統(tǒng)，經(jīng)過足夠長的時間后，系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)在長時間內(nèi)不發(fā)生任何變化，這種狀態(tài)稱為熱力學平衡態(tài)。2.熱力學平衡態(tài)：長短由趨向平衡的過程的性質(zhì)決定.說明：1)弛豫時間:初始狀態(tài)達到平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的時間。例如：擴散現(xiàn)象中，氣體僅需要幾分鐘，固體中可達數(shù)小時、數(shù)星期甚至更長時間。2)熱動平衡：大量微觀粒子仍在不斷的運動之中,只是這些微觀粒子運動的平均效果不變而已動態(tài)平衡3)漲落：平衡態(tài)下，系統(tǒng)宏觀物理量的數(shù)值仍會發(fā)生或大或小的漲落。一般情況下，宏觀系統(tǒng)的宏觀物理量的漲落十分微小，可以忽略。4)平衡狀態(tài)概念的推廣：孤立系統(tǒng)平衡態(tài)的概念可以推廣到非孤立系統(tǒng)。非孤立系統(tǒng)和外界合起來可以看成一個復合的孤立系統(tǒng)，根據(jù)孤立系統(tǒng)平衡狀態(tài)的概念可以推斷系統(tǒng)是否在平衡態(tài)。如何描述熱力學系統(tǒng)平衡狀態(tài)？3.熱力學系統(tǒng)平衡狀態(tài)的描述平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的各種宏觀物理量都有確定數(shù)值;獨立變化、足以確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)的自變量，稱為狀態(tài)參量；不全獨立，存在函數(shù)關(guān)系。其它的宏觀量可以表達為它們的函數(shù)，——稱為狀態(tài)函數(shù)。描述系統(tǒng)的狀態(tài)參量幾何參量：力學參量：電磁參量：熱力學全部宏觀物理量都可以表達為這四類參量的函數(shù)。各向異性固體的應(yīng)變張量等;各向異性固體的應(yīng)力張量等;化學參量：簡單系統(tǒng):只需要體積和壓強兩個狀態(tài)參量。不考慮系統(tǒng)的電磁性質(zhì)不考慮與化學成分有關(guān)的性質(zhì)體積;壓強;各化學組分的數(shù)量，如組分的質(zhì)量mi和摩爾數(shù)ni等;電場或磁場中電介質(zhì)和磁介質(zhì)電場強度E、電極化強度P、磁場強度H、磁化強度M等.單相系和復相系復相系：----平衡狀態(tài)的復相系，每一“相”的狀態(tài)參量不是完全獨立的。單相系：系統(tǒng)各部分的性質(zhì)是完全一樣的，該系統(tǒng)稱為均勻系；一個均勻的部分稱為一個“相”；因此均勻系也稱為單相系如果整個系統(tǒng)不是均勻的，但可以分為若干個均勻的部分，該系統(tǒng)稱為復相系；如：水和水蒸氣構(gòu)成兩相系熱力學量的單位能量：焦耳(J:1J=1N·m)國際單位制中長度：米(m)體積：立方米(m3)壓強：帕斯卡(Pa:1Pa=1N/m2)標準大氣壓(Pn:1Pn=101325Pa)溫度:引入溫度的基礎(chǔ)絕熱壁:透熱壁:兩物體通過固定剛性器壁相互接觸時，其狀態(tài)可完全獨立地改變，彼此互不影響非絕熱壁熱接觸：表征物體的冷熱程度兩物體通過透熱壁相互接觸§1.2熱平衡定律和溫度熱平衡：處于平衡態(tài)的兩個物體進行熱接觸，它們的狀態(tài)都會發(fā)生改變，經(jīng)過足夠長的時間之后，它們的狀態(tài)不再發(fā)生變化，而達到一個共同的平衡態(tài)。將A、B用絕熱壁隔開，讓A、B

分別與C達成熱平衡然后在A、B間換成導熱壁絕熱導熱A，B狀態(tài)不再發(fā)生變化，表明A、B也處于熱平衡熱平衡定律：如果兩個物體各自與第三個物體達到熱平衡，它們彼此也必在熱平衡。這個經(jīng)驗事實稱為熱平衡定律。根據(jù)熱平衡定律可以證明：互為熱平衡的系統(tǒng)，該“狀態(tài)函數(shù)”的數(shù)值相等！該“狀態(tài)函數(shù)”是什么？和哪些狀態(tài)參量有關(guān)？處于平衡狀態(tài)的熱力學系統(tǒng)，存在一個狀態(tài)函數(shù)考慮處于平衡態(tài)的三個“簡單”系統(tǒng)A、B、CA、C處于熱平衡:B、C處于熱平衡:A、B處于熱平衡:熱平衡定律(V,p)互為熱平衡的熱力學系統(tǒng)A、B，存在著一個相等的狀態(tài)函數(shù)經(jīng)驗表明：兩個物體達到熱平衡時具有相同的冷熱程度----溫度----溫度熱平衡定律（熱力學第零定律）如果兩個物體各自與第三個物體達到熱平衡，它們彼此也必在熱平衡。這個經(jīng)驗事實稱為熱平衡定律。1.處于平衡態(tài)的系統(tǒng)態(tài)函數(shù)溫度的存在2.比較溫度的方法對不同的冷熱程度給予數(shù)值的表示—確定溫標取一個標準物體分別與這兩個物體進行熱接觸，這個標準物體就是溫度計。熱平衡定律（熱力學第零定律）理想氣體溫標三相點下氣體的壓強：pt

溫度計中氣體的壓強為p時，用線性關(guān)系規(guī)定溫度Tv:------定容溫度計確定溫標的公式壓強趨于零的極限下，各種氣體確定的Tv趨于一個共同的極限溫標，這個極限溫標稱為理想氣體溫標定容氣體溫度計：測溫特性:氣體的壓強參考點:純水三相點溫度規(guī)定為273.16測溫物質(zhì):氣體經(jīng)驗溫標：理想氣體溫標：熱力學溫標：是熱力學理論和近代科學使用的標準溫標。后面我們將證明，在理想氣體溫標可以使用的范圍內(nèi)，理想氣體溫標和熱力學溫標是一致的。凡是以某種物質(zhì)的某一特性隨冷熱程度變化為依據(jù)而確定的溫標。在熱力學第二定律的基礎(chǔ)上引入的不依賴于任何物質(zhì)特性的溫標。攝氏溫度t和熱力學溫度T之間的關(guān)系：t=T-273.15值得注意的是：攝氏0℃比水的三相點低0.01K水的冰點——攝氏溫標的基準點：定為273.15K。1大氣壓下被空氣飽和的水的液—固平衡的溫度，受外界大氣壓或地理位置影響，且與水被空氣飽和的狀況有關(guān)。水的三相點——熱力學