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1、*物理学与信息技术学院热力学统计物理学 Thermodynamics and Statistical Physics金 涛 Shaanxi Normal University*导言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 “热力学统计物理学” 课程。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 基本概念，掌握基本方法，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。二.几点要求：1.纪律：2.出勤：3.作业：*导言导言1.研究对象有限范围（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、 辐射场（一种特
2、殊物质，例如光子气体）。2.研究任务热力学和统计物理学的任务是研究热运动的规律 及热运动对物质宏观性质的影响。*导言（1）热运动3.研究方法a.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 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 、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 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 的科学理论。*导言(1)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 观结构，而是依据在大
3、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 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 们可以相当简明地叙述如下：第零定律制造温度计是可能的； 第一定律能量是守恒的； 第二定律不是全部热量都可以转化为功； 第三定律我们永远不能达到那个最低的温度。*导言这些定律听起来简单，但其含义是巨大的。 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 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 ，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
4、的两个优点。*导言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，在实际应 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 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，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。*导言（2）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 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。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，粒子遵 守力学（经典或量子）运动规律
5、； b.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。为了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等概率原理。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 观性质，给出热力学基本定律的统计意义和解释涨落现象。 *导言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。诺贝尔物理学奖获得者李政道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 性去计算系统的宏观性质常常会遇到极大的困难，所以统 计物理学不得不采用一些简化模型和近似方法，这就使得 所得结果与实际
6、不能完全符合。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 结果也会更接近实际。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。*导言4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，它包括平衡 态理论和非平衡态理论两大部分。关于平衡态的热力学和统计物理学理论发展较早， 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。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 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。*导言系统的平衡态只是一种特殊状态，更一般的
7、情况 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 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 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(I.Prigogine,1917-) 的耗散结构理论和哈肯（H Haken）的“协同学”。虽然 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。发展统计物理的科学问题填补概率论的统计 物理与确定论的动力学之间的鸿沟是
8、统计物理与 动力学研究的共同科学任务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 relation和Jarzynski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，满足中心极限定理可积系统动力学: 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*导言本课程的结构框架图*导言综上所述，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 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 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后 ，一定会有所收获、有所提高。
