《热力学与统计力学课件05》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学与统计力学课件05（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、什么是统计物理？什么是统计物理？ Statistical PhysicsStatistical Physics热力学（热力学（ThermodynamicsThermodynamics）研究热现象和物质性质的宏观理论研究热现象和物质性质的宏观理论（macroscopic theorymacroscopic theory）微观（微观（ microscopicmicroscopic）热传导现象热传导现象CuCu宏观规律：宏观规律： 热量不能自发地从低温流向高温（热量不能自发地从低温流向高温（Second Law Second Law ）。）。妇孺皆知的常识妇孺皆知的常识但是，物理学家要问但是，物理学
2、家要问“ “前因后果前因后果” ”。后果后果Second LawSecond LawCarnotCarnot定理定理熵（熵（EntropyEntropy）原因？原因？ 必须深入到物质的微观结构必须深入到物质的微观结构CuCu分子、电子间碰撞传递能量分子、电子间碰撞传递能量热传导热传导根据物质的微观结构来研究热现象和物性。根据物质的微观结构来研究热现象和物性。统计物理（统计物理（Statistical PhysicsStatistical Physics）微观理论微观理论 （microscopic theorymicroscopic theory）在经典物理中，单个粒子的运动遵守在经典物理中，单
3、个粒子的运动遵守牛顿力学规律牛顿力学规律，若，若 已知某个粒子在初始时刻的位置和速度后，求解牛顿方已知某个粒子在初始时刻的位置和速度后，求解牛顿方 程可预言该粒子在任何时间的位置。程可预言该粒子在任何时间的位置。宏观体系是由大量原子和分子组成的。例如，在标准状宏观体系是由大量原子和分子组成的。例如，在标准状 况下的气体，每立方厘米有况下的气体，每立方厘米有 个分子。物体的宏个分子。物体的宏 观性质（压强、比热、相变等）是大量分子运动的平均观性质（压强、比热、相变等）是大量分子运动的平均 结果。结果。统计规律性统计规律性如果想根据牛顿力学来确定气体的宏观性质，就要如果想根据牛顿力学来确定气体的宏
4、观性质，就要 求解求解 个相互碰撞的分子的牛顿方程。显然，这在个相互碰撞的分子的牛顿方程。显然，这在 实际上是不能办到的，而且也没有必要，因为大量实际上是不能办到的，而且也没有必要，因为大量 粒子组成的体系出现了新的规律性粒子组成的体系出现了新的规律性统计规律性统计规律性 。根据这种新的规律性，就能确定宏观物体的性质。根据这种新的规律性，就能确定宏观物体的性质 。 显示统计规律性的一个例子是气体分子运动的显示统计规律性的一个例子是气体分子运动的 速率分布速率分布。 分子运动分子运动 按速率来按速率来统计统计统计统计 分子数目的分布分子数目的分布分子数目按速率的分布分子数目按速率的分布 复旦大学
5、物理系复旦大学物理系钟钟钟钟万蘅教授万蘅教授领导领导领导领导 的的“ “复旦大学复旦大学CAICAI研研 发发发发中心中心” ”研制成了一套研制成了一套软软软软件，件，可模拟各种分子运动论可模拟各种分子运动论 的演变过程，包括平衡态和非平衡过程，受到各国同的演变过程，包括平衡态和非平衡过程，受到各国同 行专家的称赞，达到了国际先进水平。行专家的称赞，达到了国际先进水平。 弹性碰撞公式弹性碰撞公式5 5个粒子的速率分布个粒子的速率分布 500500个粒子的速率分布个粒子的速率分布 20002000个粒子的速率分布个粒子的速率分布 可以想象，当可以想象，当 很大很大很大很大时时时时，像在气体中那，
6、像在气体中那样样样样， ， 速率分布速率分布 将趋向此稳定曲线，起伏非常小，称为将趋向此稳定曲线，起伏非常小，称为 MaxwellMaxwell分布分布。 速率分布的时间平均值速率分布的时间平均值 有了统计分布，就可以通过计算平均值来求得各种宏有了统计分布，就可以通过计算平均值来求得各种宏 观物理量，不用知道各个分子的运动细节了。观物理量，不用知道各个分子的运动细节了。 前面的演示只是从计算机模拟看到的现象，我们前面的演示只是从计算机模拟看到的现象，我们 自然会提出一个问题：此现象背后的物理原理是什自然会提出一个问题：此现象背后的物理原理是什 么？如何从基本原理推导出么？如何从基本原理推导出Maxwell Maxwell 分布？分布？ 这是统计物理的基础，也是本门课程所要讲解的这是统计物理的基础，也是本门课程所要讲解的 中心内容。中心内容。粒子速率分布的动态演示粒子速率分布的动态演示1010个粒子的速率分布个粒子的速率分布 100100个粒子的速率分布个粒子的速率分布 500500个粒子的速率分布个粒子的速率分布 500500个粒子速率分布的时间平均个粒子速率分布的时间平均1010个粒子速率分布的时间平均个粒子速率分布的时间平均
