高中物理竞赛课件热力学与统计物理.pptx

热 力 学与统计物理;一. 热物理学的研究对象;二. 热物理学的研究方法;从宏观系统由大量微观粒子所构成的事实出发，认为宏观性质是微观粒子热运动的宏观表现，实际观测到的宏观热力学量则是相应微观力学量的统计平均值，运用统计方法, 找出热运动的规律及其对宏观性质的影响。;三、统计物理发展简况 ; 经典统计建立于19世纪下半叶，主要是 Maxwell, Boltzmann 和 Gibbs 的贡献。平衡态的 最普遍理论是Gibbs的统计系综理论（1902）； 非平衡态的理论以Boltzmann方程和 H-定理为核 心，不像系综理论那么普遍，仅适用于稀薄气 体。; 量子力学的建立与量子统计的建立有着相互依赖，相互促进的复杂关系。 1900年，Planck 在研究黑体辐射谱的统计理论中提出了量子假说，当时他用的是Boltzmann 统计。随后，Einstein (1907), Debye (1912) 和Born 与 Karman （1912，1913）应用Boltzmann 统计及能量量子化研究了固体比热。 有意思的是：量子假说的提出并不是从原子 光谱的研究，而是从黑体辐射的统计理论。为什么？ 参看：A.Pais的“Subtle is the Lord…”(方在 庆等译“上帝难以捉摸——爱因斯坦的科学与生 活” ; 1905年，Einstein 提出了光量子的假说，这篇论文是唯一被爱氏自己称为革命性贡献的。它也源于黑体辐射。爱氏根据Wien区（高频区）内的辐射与经典实物粒子的经典理想气体的类比，而提出光量子假说，并用以解释了光电效应。 1924年，Bose 提出了一种新的统计方法（这是在量子力学建立以前），重新推导了Planck 的黑体辐射公式，1925年，Einstein 推广了Bose 的统计方法(以后被称为Bose-Einstein 统计），把它用到理想原子气体，并从理论上预言了一种新的凝结现象（以后被称为 Bose-Einstein Condensation）. ; 1926年，Fermi 提出了另一种符合 Pauli 不相容原理的统计方法，稍后，Dirac 独立地提出了同样的统计方法（以后被称为Fermi-Dirac 统计），并论证了 Bose 统计和 Fermi 统计与多粒子体系波函数对称性之间的关系。 对Bose 统计和 Fermi 统计与粒子自旋之间的关系的认识要晚的多，是1945年由 Pauli 论证的。; 1927年，Von Neumann 提出了密度矩阵的概念，证明密度矩阵的作用类似于经典统计系综的几率密度，他还推导出量子的Liouville 方程。Landau 与 Kramers, Pauli等人对量子统计系综的建立也作出了重要的贡献。至此，量子统计系综理论的理论框架已经建立起来了. 1929年出版的 Fowler 的“统计力学”反映了当时统计物理学的几乎所有的主要成果。可以说是一部（当时的）统计物理学的“百科全书”。 ;下面列举从1930s年代以来统计物理的若干 主要进展（不完全）： 稠密气体和液体（经典与量子） 严格可解模型 元激发的概念和方法 * 负绝对温度 * 线性响应理论 相变和临界现象 *;;例 有两个相同物体，热容量为常数，初始温度同为Ti，令一制冷机在此两物体间工作，使其中一个物体的温度降低到T2,设p恒定且无相变,求该过程所需的最小功。;1物体的吸热