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統計熱力學(第二版) 版權信息
- ISBN：9787030751980
- 條形碼：9787030751980 ; 978-7-03-075198-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
統計熱力學(第二版) 內容簡介
《統計熱力學》一書不同于傳統熱力學教材。該書從統計角度，從氣體微觀分子圖像出發，敘述熱能的產生和轉化的基本規律，并以熱能概念為基礎給出了溫度等熱力學基本概念的確切表述以及氣體、固體和液體熱力學規律的統一的微觀圖像；從局域平衡態概念出發，區分了平衡態熱力學和非平衡態熱力學。另外，還刪去了不必要的概念和討論，大大簡化了熱力學，便于讀者對熱力學有一個統一的清晰的認識和理解。書的*后還撰寫了部分化學熱力學內容（見第六章），其中主要對化學反應以及化學反應平衡進行了討論。不過，**版以專著形式出版發行，缺少必要的思考題和習題，不利于初學者練習和掌握。鑒于此，我們在**版的基礎上出版《統計熱力學》（第二版），分章節追加了思考題和習題。另外，在第二版中我們還修訂了**版中的打印錯誤和不足之處。
統計熱力學(第二版) 目錄
目錄
第二版前言
**版前言
第1章 緒論 1
1.1 熱力學發展簡史 1
1.2 熱力學研究對象及特點 5
1.3 熱能 7
思考題 10
習題 10
第2章 氣體熱力學 12
2.1 氣體的微觀分子圖像 12
2.1.1 實際和理想氣體的特點 12
2.1.2 氣體分子自由度和碰撞 17
2.2 均勻氣體的熱力學狀態 19
2.2.1 能量均分 19
2.2.2 熱力學平衡態 21
2.2.3 熱能與溫度 23
2.2.4 氣體的宏觀熱力學參量 28
2.2.5 理想氣體的狀態方程 30
2.2.6 理想氣體的熱容、定體和定壓熱容 33
2.3 非理想氣體的熱能和狀態方程 35
2.3.1 準理想氣體的熱能及狀態方程 36
2.3.2 范德瓦耳斯氣體的狀態方程 38
2.4 氣體熱力學中能量傳輸過程 42
2.4.1 外界的熱傳遞和熱量 42
2.4.2 外界對氣體做功 43
2.4.3 熱力學**定律 44
2.4.4 理想氣體的熱力學過程 45
2.4.5 理想氣體的卡諾循環 50
2.5 氣體熱機的基本原理 52
2.5.1 與熱機有關的典型氣體熱力學過程 54
2.5.2 熱機循環 55
思考題 56
習題 57
第3章 氣體的熱力學非平衡過程 61
3.1 局域平衡態、熱力學第二定律的含義 62
3.2 分布函數 63
3.2.1 理想氣體速度分布函數 63
3.2.2 平衡態分布函數——麥克斯韋速度分布 65
3.2.3 局域平衡態分布函數——玻爾茲曼分子數密度分布 71
3.2.4 麥克斯韋-玻爾茲曼分布 73
3.3 分布函數隨時間的演化 74
3.3.1 玻爾茲曼方程 74
3.3.2 H定理 76
3.3.3 氣體熱力學狀態的熵 78
3.4 熱力學第二定律 79
3.4.1 熵增加 79
3.4.2 氣體局域平衡態的熵 82
3.4.3 熱力學第二定律的兩種表述 84
3.4.4 卡諾定理 87
3.4.5 熱力學函數 87
3.5 輸運過程 90
3.5.1 輸運過程的微觀圖像 90
3.5.2 熱傳導過程 93
3.5.3 粘滯過程 94
3.5.4 擴散過程 96
思考題 96
習題 97
第4章 熱力學的基本原理 99
4.1 固體和液體的運動模式 99
4.1.1 一維單原子鏈的振動 100
4.1.2 一維雙原子鏈的振動 102
4.1.3 固體和液體的振動 106
4.2 固體和液體熱力學與氣體熱力學的關系 107
4.2.1 物體的熱能 107
4.2.2 物體的比熱及熱力學**定律 109
4.2.3 熵及熱力學第二定律 111
4.2.4 熱力學的基本規律 115
4.3 熱平衡條件 117
思考題 119
習題 119
第5章 相變 122
5.1 相變簡介 122
5.1.1 相變過程 122
5.1.2 多相共存 126
5.1.3 蒸發與升華 128
5.2 自然界中的水循環 130
思考題 133
習題 134
第6章 化學熱力學 136
6.1 化學反應 136
6.1.1 反應熱 136
6.1.2 標準生成焓 137
6.1.3 化學反應中的能量轉換過程 139
6.2 化學反應平衡 141
6.2.1 平衡條件 141
6.2.2 平衡常數 142
思考題 146
習題 146
主要參考文獻 148
第二版前言
**版前言
第1章 緒論 1
1.1 熱力學發展簡史 1
1.2 熱力學研究對象及特點 5
1.3 熱能 7
思考題 10
習題 10
第2章 氣體熱力學 12
2.1 氣體的微觀分子圖像 12
2.1.1 實際和理想氣體的特點 12
2.1.2 氣體分子自由度和碰撞 17
2.2 均勻氣體的熱力學狀態 19
2.2.1 能量均分 19
2.2.2 熱力學平衡態 21
2.2.3 熱能與溫度 23
2.2.4 氣體的宏觀熱力學參量 28
2.2.5 理想氣體的狀態方程 30
2.2.6 理想氣體的熱容、定體和定壓熱容 33
2.3 非理想氣體的熱能和狀態方程 35
2.3.1 準理想氣體的熱能及狀態方程 36
2.3.2 范德瓦耳斯氣體的狀態方程 38
2.4 氣體熱力學中能量傳輸過程 42
2.4.1 外界的熱傳遞和熱量 42
2.4.2 外界對氣體做功 43
2.4.3 熱力學**定律 44
2.4.4 理想氣體的熱力學過程 45
2.4.5 理想氣體的卡諾循環 50
2.5 氣體熱機的基本原理 52
2.5.1 與熱機有關的典型氣體熱力學過程 54
2.5.2 熱機循環 55
思考題 56
習題 57
第3章 氣體的熱力學非平衡過程 61
3.1 局域平衡態、熱力學第二定律的含義 62
3.2 分布函數 63
3.2.1 理想氣體速度分布函數 63
3.2.2 平衡態分布函數——麥克斯韋速度分布 65
3.2.3 局域平衡態分布函數——玻爾茲曼分子數密度分布 71
3.2.4 麥克斯韋-玻爾茲曼分布 73
3.3 分布函數隨時間的演化 74
3.3.1 玻爾茲曼方程 74
3.3.2 H定理 76
3.3.3 氣體熱力學狀態的熵 78
3.4 熱力學第二定律 79
3.4.1 熵增加 79
3.4.2 氣體局域平衡態的熵 82
3.4.3 熱力學第二定律的兩種表述 84
3.4.4 卡諾定理 87
3.4.5 熱力學函數 87
3.5 輸運過程 90
3.5.1 輸運過程的微觀圖像 90
3.5.2 熱傳導過程 93
3.5.3 粘滯過程 94
3.5.4 擴散過程 96
思考題 96
習題 97
第4章 熱力學的基本原理 99
4.1 固體和液體的運動模式 99
4.1.1 一維單原子鏈的振動 100
4.1.2 一維雙原子鏈的振動 102
4.1.3 固體和液體的振動 106
4.2 固體和液體熱力學與氣體熱力學的關系 107
4.2.1 物體的熱能 107
4.2.2 物體的比熱及熱力學**定律 109
4.2.3 熵及熱力學第二定律 111
4.2.4 熱力學的基本規律 115
4.3 熱平衡條件 117
思考題 119
習題 119
第5章 相變 122
5.1 相變簡介 122
5.1.1 相變過程 122
5.1.2 多相共存 126
5.1.3 蒸發與升華 128
5.2 自然界中的水循環 130
思考題 133
習題 134
第6章 化學熱力學 136
6.1 化學反應 136
6.1.1 反應熱 136
6.1.2 標準生成焓 137
6.1.3 化學反應中的能量轉換過程 139
6.2 化學反應平衡 141
6.2.1 平衡條件 141
6.2.2 平衡常數 142
思考題 146
習題 146
主要參考文獻 148
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統計熱力學(第二版) 節選
第1章緒論 1.1熱力學發展簡史 遠古時期，人們就能夠產生熱或者熱能，如傳說中普羅米修斯偷火、遂人氏鉆木取火 火保護了人類，并改變了人類的食物結構，從而大大推動了人類社會的進化。與火有關的熱現象是人類生活中*早接觸的一種現象。在周口店北京猿人的遺址可以看到50萬年以前原始人用火的遺跡。考古發掘出來史前的陶器和上古時期的銅器及鐵器，顯示出古代用火制造出的器具。隨著人類社會的發展，火的用途日益擴大，已成為人們生產和生活必不可缺少的東西。 對與熱現象有關的物質運動規律的研究構成熱學或熱力學。在古代，人們對熱力學的認識和發展主要集中于如何產生熱能及利用熱能來改變日常接觸的物體或物質的性質，也由于人們在生產和生活上積累的知識不夠豐富，熱力學還不能作為一門系統的科學建立起來。這個時期，人們對熱的本質的認識還處在猜想階段。大約公元前1100年，我國古代的“水、火、木、金、土”五行學說認為，世間萬事萬物的根本都是這五樣東西。大約公元前500年，古希臘畢達哥拉斯（Pythagoras）提出的“土、水、火、氣”四元素學說認為火是自然界的一個獨立的基本要素。古希臘還有另一個學說認為火是一種運動的表現形式。這是根據摩擦生熱現象提出的，記載于柏拉圖（Plato）的《對話》中。該學說被埋沒了約2000年之久，直到17世紀，實驗科學得到發展，它才得到一些科學家和哲學家的支持。 17世紀以后，人類開始利用天然能源（如木材、煤、石油等）替代人的體力勞動，這就是“機械化”及“工業化”的進程，突出的標志是瓦特（J.Watt）發明的蒸汽機。天然能源只有通過燃燒等過程產生大量的熱能，再由熱能轉化為機械能，才能驅動工具或機器做功。因此，對熱現象和熱能定量的研究以及對熱能和機械能等能量轉化過程的研究就成為非常迫切的科學任務。18世紀初，產生了計溫學和量熱學。直到華倫海特（D.G.Fahrenheit）改進了水銀溫度計，并制定了華氏溫標，溫度的測量才有一個共同的可靠的標準，人們在不同地點測量的溫度才能方便的比較，熱力學開始走上了實驗科學的發展道路。華氏溫標以冰水混合物的溫度為32度（32℉），水沸騰的溫度為212度（212℉），32℉和212℉之間等間距劃分為180個刻度。近代科學和生活中常用的溫標是18世紀中期攝爾修斯（A.Celsius）選定的攝氏溫標。攝氏溫標以冰水混合物的溫度為0度（0℃），水沸騰的溫度為100度（100℃），0℃和100℃之間等間距劃分為100個刻度。有關熱能的度量及熱能與機械能的轉化，18世紀末和19世紀初人們做了大量的研究。瓦特制成了蒸汽機并在工業中得到廣泛應用，實現了人們多年想利用熱能轉化成機械能的愿望，促進了工業的飛速發展。而工業的發展又對蒸汽機的效率提出了更高的要求。這樣，促使人們不僅對蒸汽機技術進行研究，而且對水、蒸氣以及其他物質熱的性質做更深入的研究。 關于熱的本質的研究，18世紀初流行的是熱質說，認為熱是一種沒有質量的流質，叫熱質，它可以滲透到一切物體中，也可以從一個物體傳到另一物體，熱的物體含有較多的熱質，冷的物體含有少的熱質，它既不能產生也不能消滅。但熱質說不能解釋摩擦生熱等現象。與熱質說相對立的學說認為，熱是物質運動的表現。培根（F.Bacon）、拉姆福德（C.Rumford）、戴維（H.Davy）都用實驗證明了這一點。但是熱質說一直占據統治地位。直到1842年，邁爾（J.R.Mayer）**個發表論文，提出能量守恒，他指出熱是一種能量，能夠與機械能相互轉換，并從空氣的定壓比熱與定容比熱之差算出1cal相當于3.58J的功。在此前后，焦耳（J.P.Joule）用了20多年時間，實驗測定熱功當量。1850年，焦耳發表了熱功當量的總結論文，說明各種實驗所得的結果是一致的，不但粉碎了熱質說，而且為確定能量轉換和守恒定律奠定了基礎。在此基礎上，熱力學**定律建立了。 熱力學**定律建立后，熱機及其效率的研究就成為社會生產機械化和工業化所迫切的要求。卡諾（S.Carnot）提出了熱機效率的定理——卡諾定理。后來，克勞修斯（R.Clausius）和開爾文（L.Kelvin）分析了卡諾定理，認為，要論證卡諾定理，必須有一個新的定律——熱力學第二定律，即與能量傳送及熱功轉換有關的過程是不可逆的。它主要有兩種陳述方式，分別被稱為克勞修斯描述和開爾文描述。熱力學第二定律在應用上的重要意義在于尋求可能獲得的熱機效率的*大值。 兩個基本定律建立以后，熱力學的進一步發展主要在于把它們應用到各種具體問題當中去。人們在應用中找到了反映物質各種性質的熱力學函數。熱力學函數中直接反映熱力學第二定律的是熵。熱力學第二定律的特點是絕熱過程中熵永增不減。熱力學**定律和熱力學第二定律是熱力學形成獨立學科的基礎。 20世紀以來，天然能源的大規模利用成為人類社會發展的重要支柱。迄今，人類大規模將天然能源如煤、石油、天然氣、核能等轉化為機械能及電能的主要手段仍是通過熱能。如何高效地產生熱能，高效地將熱能轉化為機械能、電能已成為愈來愈高的要求，也使得熱力學基本原則的重要性更為突出，熱力學內容也日漸豐富。近年來，基于節約資源及減緩環境污染的強大要求，節能被提到極大的高度，熱力學的應用和發展也更受到社會的重視。 然而，熱力學的發展很長時間處于宏觀。熱質說也屬于宏觀認識。如何從微觀上理解熱力學定律成為非常嚴重的物理問題之一。19世紀中期以來，隨著熱力學的發展，熱力學的微觀基礎，即從原子、分子運動角度來理解熱現象及熱能（或稱之為統計物理）的發展受到很大重視。首先是氣體分子運動論。克勞修斯首先根據分子運動論導出了玻意耳（R.Boyle）定律。麥克斯韋（J.C.Maxwell）應用統計概念研究分子運動，得到了分子運動的速度分布定律。玻爾茲曼（L.Boltzmann）在速度分布中引進重力場，并給出了熱力學第二定律的統計解釋。后來，吉布斯（J.W.Gibbs）發展了麥克斯韋和玻爾茲曼理論，提出了系綜理論，即體系的熱力學量等于其微觀量的統計平均。至此，作為平衡態熱力學的基礎，平衡態統計物理學也發展成為完整的理論。量子力學誕生以后，統計物理學又由經典統計物理學發展為量子統計物理學，對凝聚態和等離子體中各種物理性質的研究起著重要作用。不過，從宏觀熱力學角度，很多熱力學量無法由統計物理學直接給出或者無法精確給出，如比熱。但是，從統計物理學角度去討論熱力學，很多概念要清楚得多。單從熱力學的宏觀公理出發討論物理概念，往往會脫離物理基礎。反之，單從統計物理學中特定的微觀模型出發討論問題，得到的結果不如熱力學更具有普遍性。很長時間以來，熱力學和統計物理一直沒有得到有效結合，有必要用微觀圖像建立起熱力學的基本概念。 目前，由于對熱力學第二定律的微觀基礎缺少比較完備的認識，非平衡態統計理論雖然也有很大發展，但還不能認為是完整的理論體系。關于非平衡態熱力學的發展，20世紀30年代，美國布朗大學的昂薩格（L.Onsager）在引入熱力學以外的微觀可逆性假定或細致平衡假定基礎上，提出了非平衡態熱力學領域的一個普遍性的近似定量關系——昂薩格倒易關系。隨后，比利時布魯塞爾自由大學的普里高京（I.Prigogine）根據昂薩格倒易關系進一步在線性的耗散熱力學領域得到熵產生*小化原則，并建立了耗散結構理論。然而，微觀過程的可逆性與宏觀過程的不可逆性之間的矛盾一直沒有得到解決。非平衡態熱力學還部分停留于宏觀水平。 由上述可知，熱力學作為熱能及熱能轉換的宏觀理論，并有統計物理作為其微觀基礎，不僅具有重大理論意義，而且對人類發展也有著重大的實際價值。盡管熱力學和統計物理的發展并不平行，但是熱力學與統計物理學的理論，曾經有力地推動過產業革命，并在實踐中獲得廣泛的應用。熱機、制冷機的發展，化學、化工、冶金工業、氣象學的研究和原子核反應堆的設計等，以及當今的節能事業都與這些理論有極其密切的關系。 1.2熱力學研究對象及特點 熱學或熱力學是物理學的一個重要組成部分。它是一門宏觀科學理論，不是宇觀的科學理論，也不是微觀的科學理論。因此，熱力學不是一門普適性的學科。任何企圖把熱力學的概念或結論推廣到整個宇宙或少數微觀粒子范圍都是錯誤的。熱力學涉及的溫度在幾千度以內，涉及的壓強在幾百或幾千大氣壓以下，時間尺度大于10.9秒（s）以上。它研究的對象是大量（例如1023個）分子或原子組成的宏觀物質系統；所研究的問題是熱運動以及它和運動狀態間的相互轉換和熱運動對物質性質的影響。 凡是物質的物理性質隨溫度發生變化的現象，都稱為熱現象。溫度是描述物體冷熱程度的物理量，例如，物體受熱，溫度升高，體積膨脹；冰在0℃受熱會融化成水；軟的鋼材經過淬火（燒熱到一定程度后放入水或油中迅速冷卻），可以提高硬度；硬的鋼材經過退火（燒熱到一定程度后，緩慢降溫冷卻），可以變軟 這些與溫度有關的現象都是熱現象。 熱運動是組成物質系統的原子、分子的一種永不停息無規則運動，是由大量微觀粒子所組成的宏觀物體的基本運動形式。正是由于這種熱運動才導致宏觀的熱現象。因此，熱現象是熱運動的宏觀表現，熱運動是熱現象的微觀本質。 對于單個微觀粒子的運動而言，由于受到大量其他粒子的作用，其運動過程是復雜的、多變的而且具有很大的偶然性。但是，對于大量微觀粒子的總體運動而言，卻遵循一種與力學運動規律不同的基本規律——統計規律，這區別于其他運動形式。 熱運動形態和其他運動形態間的密切關系和相互轉換是常見現象，例如，蒸汽機通過加熱的方式產生蒸汽推動活塞作用，實現熱運動轉換為機械運動；電爐是電流通過電阻絲將電磁運動轉換為熱運動；物體的灼熱發光，是將熱運動轉換為電磁運動；等等。上述熱運動形態和其他運動形態間的相互轉換是熱力學研究的基本內容，它不僅有重大理論意義，而且具有現實意義。 熱力學是對宏觀物體（如一定體積的氣體、一杯液體或一塊固體）的熱現象及熱過程的宏觀描述（宏觀理論），即對分子熱運動平均過程的描述。基于長期實踐，人們知道物體的“熱狀態”可以用幾個量來描述，如溫度、壓強、體積等。熱力學量是直接定義的。熱現象及熱過程的規律也是長期觀測的結果，并*終總結為“公理”“定律”等（如公認的熱力學三大定律、一些熱力學關系等）。反映熱力學狀態的一些物理量（如物體的熱能、比熱）也只能通過實際測量得到。熱力學*典型的是氣體熱力學，包括均勻氣體熱力學（主要描述氣體的整體特性，涉及熱力學**定律和氣體的物態方程）和非均勻氣體熱力學即非平衡態熱力學（主要描述氣體的局域特性，涉及熱力學第二定律）。熱力學量的物理意義及熱力學規律的適用范圍等曾經有過長期的爭論，單靠熱力學本身是無法解決的。物體是由大量原子、分子構成。統計物理學的基本任務是從原子、分子特性及其運動出發，分析熱力學量的本質及熱力學規律的微觀基礎。它應該能計算物體的熱力學特性及熱力學量，論證熱力學定律成立的條件及適用范圍。但是，宏觀和微觀是不可替代的。盡管宏觀過程是微觀過程的平均，但是統計物理不能直接給出宏觀熱力學規律，它可以作為熱力學的基礎。統計物理大致可分成氣體動力學、經典統計物理、量子統計物理及非平衡態統計物理。經典物理統計和量子統計物理主要討論熱力學平衡態問題，并已經建立起比較完備的理論框架，但還不能完全解決相變問題。非平衡態統計曾成功用于討論由近平衡態向平衡態的演化，即所謂的輸運過程。不過這僅限于對稀薄氣體的討論。能否從劉維方程或類玻爾茲曼方程出發給出一般過程的輸運系數仍是一個問題。目前，玻爾茲曼方程的詳細應用很少。另外，局域平衡態的變化尺度、耗散的出現以及開放系統引入的假設等都是尚未解決的問題。非平衡態統計理論還正在發展。 從上敘述可知，研究熱力學有兩種方法。一是熱力學方法。它不考慮物質的微觀結構和過程，
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