热力学统计物理_课件

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1、*1热力学与统计物理学ThermodynamicsandStatisticalPhysics*2使用教材：热力学.统计物理汪志诚甲骨文：热手持火把甲骨文：火我国殷商时期五行学说：金、木、水、火、土是构成世界万物的五种基本元素，称为五行。古希腊四元素说：万物是由土、水、火、气四种元素在数量上不同比例的配合组成的。钻木取火伽利略温度计16世纪(明)从远古到十八世纪以前（系统的热学没有建立）青铜器瓦特早期蒸汽机从十八世纪开始，热机发展极大的促进了热学的发展。早期燃油发动机燃油发动机的出现更是促进了现代交通的发展。能在高温、

2、高压和高速条件下稳定工作是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。为了保证制造涡轮的材料能够在高温燃气中可靠工作，涡轮通常都要采取复杂的冷却手段，比如气膜冷却、冲击冷却和对流冷却。这些冷却手段都是通过空心涡轮内部释放出来的冷空气实现的。需要铸造出空心的复杂气动外形的涡轮叶片成为挑战各国航空工业的大难题，这项技术被称为“工业王冠上的宝石”。空气动力学、工程热物理、机械、密封、电子、自动控制等多学科的综合性系统工程，航空发动机内部的气动、热力和结构材料特性是如此复杂，以至于到目前为止，仍然不能够从理论上给予详尽而准

3、确的描述，只能依靠实际发动机试验.*8热运动是自然界普遍存在的一种运动现象。热运动对于单个粒子来说杂乱无章，但对于整个宏观物体来说，在外界条件一定的情况下，大量微粒互相影响的结果却表象现出具有确定的宏观规律性。在一定的宏观条件下，系统演化方向一般具有确定的规律性。研究热运动的规律性以及热运动对物质宏观性质影响的理论统称为热学理论。按研究方法的不同可分为热力学与统计物理等。其中，热力学是热学的宏观理论，统计物理是热学的微观理论。*9热力学理论的发展DevelopmentofThermodynamics一.经典热力学1.

4、1824年，卡诺（Carnot）：卡诺定理2.1840’s，迈尔（Mayer）,焦耳(Joule)：第一定律（能量守恒定律）3.1850’s，克劳修斯（Clausius）,（1850）开尔文（Kelvin）（1851）：第二定律熵增加原理4.1906年，能斯特（Nernst）定理绝对零度不可达到原理（1912）第三定律经典热力学特点：A.不涉及时间与空间；B.以平衡态、准静态过程、可逆过程为模型。因而，经典热力学&静热力学。焦耳开尔文卡诺克劳修斯普朗克玻尔兹曼*11二.非平衡态热力学1.翁萨格（Onsager），线性

5、非平衡态热力学，诺贝尔奖（1968）2.普里高津（Prigogine）非线性非平衡态热力学，诺贝尔奖（1977）3.近年来•有限时间热力学•工程热力学•••OnsagerPrigogine十九世纪，随着气体分子运动论的发展使人们对物质的认识从宏观领域进入到微观领域。从而开辟了新的科学部门———统计物理学。热学的发展二十世纪以来，量子力学的发展使得热学由经典统计物理学发展成为量子统计物理学。量子统计物理学对固体、液体和等离子体中各种物理性质的研究，起着主导作用。热力学方法与统计物理描述方法1.热力学方法（宏观描述方法）

6、是直接通过观察和实验去总结热运动的规律性的方法。热力学方法的优点：热力学基本定律是自然界中的普适规律，只要在数学推理过程中不加上其它假设，这些结论也具有同样的可靠性与普遍性。与热运动有关的宏观物质系统，总应遵循热力学规律“经典热力学给我留下了深刻的印象，它是具有普遍内容的唯一的物理理论，我深信，在其基本概念适用的范围内是绝对不会被推翻的。”爱因斯坦晚年说过：热力学是具有最大普遍性的一门科学，它不同于力学、电磁学，因为它不提出任何一个特殊模型，但它又可应用于任何的宏观的物质系统热力学的局限性：3、它把物质看成为连续体，

7、不考虑物质的微观结构；1、它只适用于粒子数很多的宏观系统；2、它主要研究物质在平衡态下的性质，它不能解答系统如何从非平衡态进入平衡态的过程；2.统计物理方法（微观描述方法）是从物质由大数分子、原子组成的前提出发，运用统计的方法，把宏观物质看作由微观粒子热运动的平均值所决定，由此找出微观量与宏观量之间的关系的方法。该方法的局限性在于它在数学上常遇到很大的困难，由此而作出简化假设（微观模型）后所得到的理论结果常与实验不能完全符合。本课程主要讨论以下两个部分内容：（1）热力学部分（1-4章）；（2）统计物理学的知识（6-8

8、章）；*18预备知识Preliminaries1.数学①多元复合函数的微分（附录A）a)偏导数与全微分b)隐函数、复合函数c)雅克比行列式d)完整微分条件和积分因子②概率基础知识（附录B）统计物理学常用的积分形式（附录C）2.物理学①热学②分子运动论③原子物理学④量子力学参考书目秦允豪，《热学》（第二版），高等教育出版社，2006热学课程教材：