1、2022年8月14日星期日物理学与信息技术学院热力学热力学统计物理学统计物理学Thermodynamics and Statistical Physics金金 涛涛Shaanxi Normal University2022年8月14日星期日导言 很高兴本学期能够和大家共同来学习陕西师很高兴本学期能够和大家共同来学习陕西师范大学物理学院的范大学物理学院的 “热力学热力学统计物理学统计物理学”课程。课程。一、本课程的学习方法：一、本课程的学习方法：课前预习，注重课堂。课后复习，做好习题。弄懂课前预习，注重课堂。课后复习，做好习题。弄懂基本概念，掌握基本方法，牢记基本公式；学会基本应基本概念，掌握基
2、本方法，牢记基本公式；学会基本应用，要善于进行创造性思维，培养创新能力。用，要善于进行创造性思维，培养创新能力。二二.几点要求：几点要求：1.1.纪律：纪律：2.2.出勤：出勤：3.3.作业：作业：2022年8月14日星期日导言导言导言1.1.研究对象研究对象 有限范围（或给定范围）内由大量微观粒子组成的有限范围（或给定范围）内由大量微观粒子组成的宏观物体及物体系。如固体、液体、气体、等离子体、宏观物体及物体系。如固体、液体、气体、等离子体、辐射场（一种特殊物质，例如光子气体）。辐射场（一种特殊物质，例如光子气体）。2.2.研究任务研究任务 热力学和统计物理学的任务是热力学和统计物理学的任务是
3、研究热运动的规律研究热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响。及热运动对物质宏观性质的影响。2022年8月14日星期日导言（1）热运动）热运动3.研究方法研究方法a.何谓热运动何谓热运动b.特征：单个粒子运动的无规则性；大量粒子组成的系统特征：单个粒子运动的无规则性；大量粒子组成的系统遵从确定不变的规律。遵从确定不变的规律。（2）热运动对物质宏观性质的影响：如力学性质、热学性质、热运动对物质宏观性质的影响：如力学性质、热学性质、电磁性质、聚集状态、化学反应进行的方向和限度等。电磁性质、聚集状态、化学反应进行的方向和限度等。热力学和统计物理学的研究任务虽然相同，但所采用热力学和统计物理学的研究任
4、务虽然相同，但所采用的研究方法不同。前者属于宏观方法，而后者则属于微观的研究方法不同。前者属于宏观方法，而后者则属于微观方法。二者相辅相成，构成了研究热现象及其规律的完整方法。二者相辅相成，构成了研究热现象及其规律的完整的科学理论。的科学理论。2022年8月14日星期日导言(1)宏观方法（热力学方法）宏观方法（热力学方法）热力学是关于热现象的宏观理论，它不涉及物质的微热力学是关于热现象的宏观理论，它不涉及物质的微观结构，而是依据在大量实验和观察中总结出来的四条基观结构，而是依据在大量实验和观察中总结出来的四条基本定律，通过严密的逻辑演绎得出有关物质的各种宏观性本定律，通过严密的逻辑演绎得出有关
5、物质的各种宏观性质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。质之间的关系、宏观物理过程进行的方向和限度等结论。热力学的四条基本定律是简单而明了的，它热力学的四条基本定律是简单而明了的，它们可以相当简明地叙述如下：们可以相当简明地叙述如下：第零定律第零定律制造温度计是可能的；制造温度计是可能的；第一定律第一定律能量是守恒的；能量是守恒的；第二定律第二定律不是全部热量都可以转化为功；不是全部热量都可以转化为功；第三定律第三定律我们永远不能达到那个最低的温度。我们永远不能达到那个最低的温度。2022年8月14日星期日导言这些定律听起来简单，但其含义是巨大的。这些定律听起来简单，但其含义是巨大的
6、。热力学方法的优点和缺点：热力学方法的优点和缺点：由于热力学的基本定律是建立在大量实验基础之由于热力学的基本定律是建立在大量实验基础之上的，因此热力学的结论是可靠的。又由于热力学不上的，因此热力学的结论是可靠的。又由于热力学不涉及物质的微观结构，所以热力学具有很强的普适性，涉及物质的微观结构，所以热力学具有很强的普适性，可用来研究一切宏观物质系统。可用来研究一切宏观物质系统。可靠性和普适性是热力学最显著的两个优点。可靠性和普适性是热力学最显著的两个优点。2022年8月14日星期日导言 由于热力学理论与具体的物质结构无关，使由于热力学理论与具体的物质结构无关，使得它不可能导出具体物质的具体特性，
7、在实际应得它不可能导出具体物质的具体特性，在实际应用中必须结合实验观测的数据，才能得到特定系用中必须结合实验观测的数据，才能得到特定系统的具体结果。此外，热力学理论把物质看成连统的具体结果。此外，热力学理论把物质看成连续体，用连续函数表达物质的性质，因此续体，用连续函数表达物质的性质，因此不能解不能解释宏观性质的涨落，也不能给出有关物理性质的释宏观性质的涨落，也不能给出有关物理性质的本质解释。这些都是热力学的局限性。本质解释。这些都是热力学的局限性。2022年8月14日星期日导言（2）微观方法（统计物理方法）微观方法（统计物理方法）统计物理学是关于热现象的微观理论，它从物质系统统计物理学是关于
8、热现象的微观理论，它从物质系统的具体微观结构入手，依据微观粒子遵守的力学规律（经的具体微观结构入手，依据微观粒子遵守的力学规律（经典的或量子的），用统计的方法研究热现象及其规律。典的或量子的），用统计的方法研究热现象及其规律。统计物理学认为统计物理学认为：a.宏观系统是由大量处于热运动的微观粒子所组成的，粒子宏观系统是由大量处于热运动的微观粒子所组成的，粒子遵守力学（经典或量子）运动规律；遵守力学（经典或量子）运动规律；b.系统的宏观物理量是相应的微观物理量的统计平均值；系统的宏观物理量是相应的微观物理量的统计平均值；c.计算涨落。计算涨落。为了计算微观物理量的统计平均值，统计物理学使用了为了
9、计算微观物理量的统计平均值，统计物理学使用了一个基本的统计原理一个基本的统计原理等概率原理等概率原理。从等概率原理出发，结。从等概率原理出发，结合具体系统的能量表达式，能使我们研究各种系统的具体宏合具体系统的能量表达式，能使我们研究各种系统的具体宏观性质，给出热力学基本定律的统计意义和解释涨落现象。观性质，给出热力学基本定律的统计意义和解释涨落现象。2022年8月14日星期日导言 我认为统计力学是理论物理中最完美的科目之一，因我认为统计力学是理论物理中最完美的科目之一，因为它的基本假设是简单的，但它的应用却十分广泛。为它的基本假设是简单的，但它的应用却十分广泛。诺贝尔物理学奖获得者李政道诺贝尔
10、物理学奖获得者李政道统计物理方法的优点和缺点：统计物理方法的优点和缺点：但是，统计物理学也有它的局限性。由于从粒子的属但是，统计物理学也有它的局限性。由于从粒子的属性去计算系统的宏观性质常常会遇到极大的困难，所以性去计算系统的宏观性质常常会遇到极大的困难，所以统统计物理学不得不采用一些简化模型和近似方法，这就使得计物理学不得不采用一些简化模型和近似方法，这就使得所得结果与实际不能完全符合。所得结果与实际不能完全符合。当然，随着人们对物质结当然，随着人们对物质结构知识的深入了解和理论方法的发展，统计物理学的理论构知识的深入了解和理论方法的发展，统计物理学的理论结果也会更接近实际。结果也会更接近实
11、际。深入到热现象的本质，给出宏观性质的微观解释是统深入到热现象的本质，给出宏观性质的微观解释是统计物理学的最大优点。计物理学的最大优点。2022年8月14日星期日导言4理论结构和发展趋势理论结构和发展趋势 从热力学和统计物理学的理论结构来看，它包括从热力学和统计物理学的理论结构来看，它包括平衡平衡态理论和非平衡态理论态理论和非平衡态理论两大部分。两大部分。关于平衡态的热力学和统计物理学理论发展较早，关于平衡态的热力学和统计物理学理论发展较早，也比较成熟，因而是物理专业本科生的必修课程。本课也比较成熟，因而是物理专业本科生的必修课程。本课程只涉及有关平衡态的理论。程只涉及有关平衡态的理论。传统的
12、非平衡态热力学和统计物理学是关于线性不传统的非平衡态热力学和统计物理学是关于线性不可逆过程的理论，它在热传导、扩散、温差电效应和金可逆过程的理论，它在热传导、扩散、温差电效应和金属电导率等输运过程问题的研究中都已得到了许多重要属电导率等输运过程问题的研究中都已得到了许多重要结果。结果。2022年8月14日星期日导言 系统的平衡态只是一种特殊状态，更一般的情况系统的平衡态只是一种特殊状态，更一般的情况是系统处于非平衡态。按离开平衡态的远近可把非平是系统处于非平衡态。按离开平衡态的远近可把非平衡态分为近平衡区和远离平衡区两类非平衡态，其相衡态分为近平衡区和远离平衡区两类非平衡态，其相应的过程分别称
13、为线性和非线性不可逆过程。应的过程分别称为线性和非线性不可逆过程。远离平衡态的非平衡态和与此相应的非线性不可远离平衡态的非平衡态和与此相应的非线性不可逆过程的研究是近几十年发展起来的一门新兴学科。逆过程的研究是近几十年发展起来的一门新兴学科。其中，影响较大的是普里高津其中，影响较大的是普里高津(I.Prigogine,1917-)的耗散结构理论和哈肯（的耗散结构理论和哈肯（H Haken）的的“协同学协同学”。虽。虽然这门新学科的历史还很短，但发展十分迅速，涉及的然这门新学科的历史还很短，但发展十分迅速，涉及的领域也非常广阔，并在化学动力学、天体物理、生命过领域也非常广阔，并在化学动力学、天体
14、物理、生命过程和社会发展理论等方面都取得了巨大成就，是当今理程和社会发展理论等方面都取得了巨大成就，是当今理论物理发展的前沿之一。论物理发展的前沿之一。发展统计物理的科学问题填补概率论的统计填补概率论的统计物理与确定论的动力学之间的鸿沟是统计物理与物理与确定论的动力学之间的鸿沟是统计物理与动力学研究的共同科学任务动力学研究的共同科学任务TkHBeZ/醉汉全醉全醒非平衡统计玻尔兹曼方程；涨落耗散理论（昂萨克假设、线性相应理论、Kubo公式、涨落涨落relation和和Jarzynski等式等式）耗散结构理论；分数扩散方程等非广延统计Tsallis统计、非完整统计、q-形变统计、超统计等广延系统，
15、广延系统，满足中心满足中心极限定理极限定理可积系统可积系统动力学:哈密顿H统计物理:配分函数Z本身的问题基本假设的微观基础、不可逆性的起源、相变等2022年8月14日星期日导言本课程的结构框架图本课程的结构框架图2022年8月14日星期日导言 综上所述，热力学与统计物理学是一门既古老而综上所述，热力学与统计物理学是一门既古老而又年轻的学科。它的传统理论以其完美的体系，严谨又年轻的学科。它的传统理论以其完美的体系，严谨的逻辑推理和广阔的适用范围而仍然具有强大的生命的逻辑推理和广阔的适用范围而仍然具有强大的生命力；它的近代发展则以其新颖的学术思想和大胆的理力；它的近代发展则以其新颖的学术思想和大胆的理论创新向我们展示了一个尚待开发的广阔的领域。论创新向我们展示了一个尚待开发的广阔的领域。我相信，同学们在认真学完本课程的基本内容之我相信，同学们在认真学完本课程的基本内容之后，一定会有所收获、有所提高。后，一定会有所收获、有所提高。
