热力学统计物理

热力学统计物理学习和工作经历承担教学任务热力学与统计物理、计算物理学、普通物理学理论物理专业副教授硕士生导师研究领域：有机共轭聚合物

导电、发光、磁性非线性光学、振动特性

有机自旋电子学

非平衡量子输运低维凝聚态理论绪论Preface热力学·统计物理——关于热现象的理论大量微观粒子组成的.无规则的热运动——热运动决定热现象.研究任务：热运动的规律及热运动对物质宏观性质的影响研究对象：宏观物体系统统计物理宏观唯象理论微观本质理论观测实验分析基础：热力学三定律数学方法演绎宏观物性从物质的微观结构出发考虑微观粒子的热运动把热力学三个相互独立的定律归结于一个基本的统计原理,阐明三个定律的统计意义。宏观物理量是微观量的统计平均值.热力学研究方法热现象归纳基本假设：等概率原理（第一性公理）特点宏观唯象理论微观本质理论局限：结论与物质的具体结构无关；不考虑物质的微观结构,把物质看成连续体,用连续函数表达物质的性质,因此不能解释宏观性质的涨落.优点：普适性

宏观物理量是微观量的统计平均值；局限性：模型的简化带来的理论结果的近似性优点：从一个基本的统计原理出发,阐明热力学三个定律的统计意义,深入热运动本质；可以解释涨落现象；对物质结构抽象简化后,可研究具体物质的特性.Cha1-5Cha6-11微观粒子观察和实验出发点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质二者关系无法自我验证不深刻缺点揭露本质普遍，可靠优点统计平均方法力学规律总结归纳逻辑推理方法微观量宏观量物理量热现象热现象研究对象微观理论（统计物理学）宏观理论（热力学）热力学.统计物理在前沿领域的应用3He/4He的稀释制冷和激光制冷；非线性不可逆过程和耗散结构；相变理论和临界现象；Bose-Einstein凝聚；…-90年以来相关的诺贝尔物理奖1996年诺贝尔物理学奖授予美国康奈尔大学的戴维.李美国加利福尼亚州斯坦福大学的奥谢罗夫和里查森以表彰他们发现了氦-3中的超流动性。氦3的超流动性(DavidM.Lee,1931-)(DouglasD.Osheroff,1945-)（RichardC.Richardson,1937-)发现氦的同位素—3He在绝对零度之上约0.002K时变为超流体。§9.8液4He性质和朗道超流理论P280温度趋于绝对零度，液体中原子突然失去随机运动特性，以有序方式运动，液体失去内摩擦。量子液体-90年以来相关的诺贝尔物理奖1997年诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学的朱棣文，法国法兰西学院和高等师范学院的科恩-塔诺季和威廉·菲利普斯以表彰他们在发展用激光冷却和陷俘原子的方法方面做的贡献。激光冷却和陷俘原子(StephenChu,1933--),(ClaudeCohenTannoudji,1933~)(WilliamD.Phillips,1948--)江苏省太仓县达到万分之一绝对温度的激光束冷却气体，原子一旦陷入速度变得非常缓慢，容易俘获。观察油田内层、勘探海底，底层矿物、解读DNA……-90年以来相关的诺贝尔物理奖1998年诺贝尔物学理奖授予美国斯坦福大学的劳克林，美国哥伦比亚大学与新泽西州贝尔实验室的施特默和美国普林斯顿大学电气工程系的崔琦表彰他们发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量子电流，这种状态起因于所谓的分数量子霍耳效应。这是继高温超导之后凝聚态物理学又一项崭新课题。分数量子霍耳效应(RobertB.Laughlin,1950--)(HorstL.Stormer,1949--)(DanielC.Tsui,1939--),杨振宁、李政道、丁肇中、李远哲、朱棣文河南省宝丰县肖旗乡范庄村低温(1K)强磁场(15T)-90年以来相关的诺贝尔物理奖2001年诺贝尔物理学奖为美国科罗拉多大学的埃里克·康奈尔教授、美国麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒教授和美国科罗拉多大学的卡尔·维曼教授.他们的主要研究工作为原子物理领域中的"稀薄碱性原子气体的玻色爱因斯坦冷凝态的研究"和"对冷凝物的早期基础研究工作"。玻色爱因斯坦凝聚(EricA.Cornell)(WolfgangKetterle)(CarlE.Wieman)让无数原子“齐声歌唱”当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时，所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。在理论提出70年之后，2001年诺贝尔奖获得者就从碱金属原子形成冷凝态得实验上实现了这一现象（在1995年）。§8.3玻色爱因斯坦凝聚P230-90年以来相关的诺贝尔物理奖2003年诺贝尔物理学奖表彰在超导和超流体领域中做出的开创性贡献。第II类超导体与3He超流理论莱格特（Leggett）认为He-3原子会象超导BCS理论中的电子一样进行配对，从而导致He-3超流现象。磁场可以进入第II类超导体内部，超导与磁场是可以共存的，这意味着第II类超导体可以在更高的磁场下保持超导状态。超流现象：低温下液体完全失去粘性，是低温物理学中一种有趣的现象。§9.8朗道超流理论黑体形态和宇宙微波背景辐射参考书目-90年以来相关的诺贝尔物理奖Mather-Smoot2006年诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。§2.6热辐射的热力学理论主要参考书目：王竹溪,《热力学简程》,人民教育出版社,1964（第一版）.王竹溪,《统计物理导论》,高等教育出版社,1965（第二版）.林宗涵，《热力学与统计物理》北京大学出版社苏汝铿：《统计物理学》,高等教育出版社.钟云霄,《热力学与统计物理》,科学出版社,1988．W.顾莱纳,L.奈斯,H.斯托克：热力学与统计物理学,Splinger-Verlag．梁希侠、班士良,统计热力学,内蒙古大学出版社,2000年出版第一章热力学的基本规律§1.1热力学系统的平衡状态及其描述§1.2热平衡定律和温度§1.3物态方程§1.4功§1.5热力学第一定律§1.6热容量和焓§1.7理想气体的内能§1.8理想气体的绝热过程§1.9理想气体的卡诺循环§1.10热力学第二定律§1.11卡诺定律§1.12热力学温标§1.13克劳修斯等式和不等式§1.14熵和热力学基本方程§1.15理想气体的熵§1.16热力学第二定律的普遍表述§1.17熵增加原理的简单应用§1.18自由能和吉布斯函数（TheFundamentalConceptsandLawsofThermodynamics）§1.1热力学系统的平衡状态及其描述热力学系统:热力学研究对象，大量微观粒子组成宏观物体。外界:与系统发生相互作用的其它物体。系统的分类：(根据系统与外界发生相互作用的情况)孤立系：与其它物体没有任何相互作用的系统。有无能量交换有无物质交换系统种类无无孤立系有无闭系有有开系绝对意义上的孤立系统并不存在，对系统进行测量要求外界对系统施加作用，并从系统取得反馈信息，这就破坏了系统的孤立性。孤立系统的进一步说明：当系统与外界的相互作用十分微弱，其相互作用能量远远小于系统本身的能量、可以忽略不计时，我们就可以把系统看成孤立系统。孤立系统：一个理想的极限概念！一个孤立系统，经过足够长的时间后，系统的各种宏观性质在长时间内不发生任何变化，这种状态称为热力学平衡态。2.热力学平衡态：长短由趋向平衡的过程的性质决定.说明：1)弛豫时间:初始状态达到平衡状态所经历的时间。例如：扩散现象中，气体仅需要几分钟，固体中可达数小时、数星期甚至更长时间。2)热动平衡：大量微观粒子仍在不断的运动之中,只是这些微观粒子运动的平均效果不变而已动态平衡3)涨落：平衡态下，系统宏观物理量的数值仍会发生或大或小的涨落。一般情况下，宏观系统的宏观物理量的涨落十分微小，可以忽略。4)平衡状态概念的推广：孤立系统平衡态的概念可以推广到非孤立系统。非孤立系统和外界合起来可以看成一个复合的孤立系统，根据孤立系统平衡状态的概念可以推断系统是否在平衡态。如何描述热力学系统平衡状态？3.热力学系统平衡状态的描述平衡状态下，系统的各种宏观物理量都有确定数值;独立变化、足以确定系统平衡状态的自变量，称为状态参量；不全独立，存在函数关系。其它的宏观量可以表达为它们的函数，——称为状态函数。描述系统的状态参量几何参量：力学参量：电磁参量：热力学全部宏观物理量都可以表达为这四类参量的函数。各向异性固体的应变张量等;各向异性固体的应力张量等;化学参量：简单系统:只需要体积和压强两个状态参量。不考虑系统的电磁性质不考虑与化学成分有关的性质体积;压强;各化学组分的数量，如组分的质量mi和摩尔数ni等;电场或磁场中电介质和磁介质电场强度E、电极化强度P、磁场强度H、磁化强度M等.单相系和复相系复相系：----平衡状态的复相系，每一“相”的状态参量不是完全独立的。单相系：系统各部分的性质是完全一样的，该系统称为均匀系；一个均匀的部分称为一个“相”；因此均匀系也称为单相系如果整个系统不是均匀的，但可以分为若干个均匀的部分，该系统称为复相系；如：水和水蒸气构成两相系热力学量的单位能量：焦耳(J:1J=1N·m)国际单位制中长度：米(m)体积：立方米(m3)压强：帕斯卡(Pa:1Pa=1N/m2)标准大气压(Pn:1Pn=101325Pa)温度:引入温度的基础绝热壁:透热壁:两物体通过固定刚性器壁相互接触时，其状态可完全独立地改变，彼此互不影响非绝热壁热接触：表征物体的冷热程度两物体通过透热壁相互接触§1.2热平衡定律和温度热平衡：处于平衡态的两个物体进行热接触，它们的状态都会发生改变，经过足够长的时间之后，它们的状态不再发生变化，而达到一个共同的平衡态。将A、B用绝热壁隔开，让A、B

分别与C达成热平衡然后在A、B间换成导热壁绝热导热A，B状态不再发生变化，表明A、B也处于热平衡热平衡定律：如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们彼此也必在热平衡。这个经验事实称为热平衡定律。根据热平衡定律可以证明：互为热平衡的系统，该“状态函数”的数值相等！该“状态函数”是什么？和哪些状态参量有关？处于平衡状态的热力学系统，存在一个状态函数考虑处于平衡态的三个“简单”系统A、B、CA、C处于热平衡:B、C处于热平衡:A、B处于热平衡:热平衡定律(V,p)互为热平衡的热力学系统A、B，存在着一个相等的状态函数经验表明：两个物体达到热平衡时具有相同的冷热程度----温度----温度热平衡定律（热力学第零定律）如果两个物体各自与第三个物体达到热平衡，它们彼此也必在热平衡。这个经验事实称为热平衡定律。1.处于平衡态的系统态函数温度的存在2.比较温度的方法对不同的冷热程度给予数值的表示—确定温标取一个标准物体分别与这两个物体进行热接触，这个标准物体就是温度计。热平衡定律（热力学第零定律）理想气体温标三相点下气体的压强：pt

温度计中气体的压强为p时，用线性关系规定温度Tv:------定容温度计确定温标的公式压强趋于零的极限下，各种气体确定的Tv趋于一个共同的极限温标，这个极限温标称为理想气体温标定容气体温度计：测温特性:气体的压强参考点:纯水三相点温度规定为273.16测温物质:气体经验温标：理想气体温标：热力学温标：是热力学理论和近代科学使用的标准温标。后面我们将证明，在理想气体温标可以使用的范围内，理想气体温标和热力学温标是一致的。凡是以某种物质的某一特性随冷热程度变化为依据而确定的温标。在热力学第二定律的基础上引入的不依赖于任何物质特性的温标。摄氏温度t和热力学温度T之间的关系：t=T-273.15值得注意的是：摄氏0℃比水的三相点低0.01K水的冰点——摄氏温标的基准点：定为273.15K。1大气压下被空气饱和的水的液—固平衡的温度，受外界大气压或地理位置影响，且与水被空气饱和的状况有关。水的三相点——热力学