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内容简介

　　《热力学与统计物理简明教程》是依据高等学校物理学类专业本科“热力学与统计物理学”课程教学大纲的基本要求，并本着易教易学的原则而编写的《热力学与统计物理简明教程》在体系安排、讲解方式和结果分析三方面作了改进，具有条理清晰、背景翔实和学以致用的特色。全书共九章，内容包括热力学基本定律、热力学函数及关系、相平衡与相变、统计热力学、玻耳兹曼统计、系综理论、量子统计、非平衡统计力学初步、计算统计物理《热力学与统计物理简明教程》含有练习题、思考题、习题和模拟试题以及部分习题答案。
　　《热力学与统计物理简明教程》适合作为普通高等学校物理学类专业和相近专业“热力学与统计物理学”课程的教材和参考书。

内页插图

目录

第一章 热力学基本定律
§1．1 物态方程和状态参量
§1．2 热力学第零定律
1．2．1 定律的内容
1．2．2 温度的意义与温度计
§1．3 热力学第一定律
1．3．1 功和热
1．3．2 内能与两个相关实验
1．3．3第一定律及应用
1．3．4第一定律的一种微观解读
§1．4 热力学第二定律
1．4．1第二定律的表述
1．4．2 热机
1．4．3 卡诺定理
1．4．4 TdS方程
1．4．5 熵变计算
§1．5 热力学第三定律
1．5．1第三定律的历史
1．5．2 量子观点
1．5．3 热力学绝对零度的不可实现和低温热容
本章小结
附录
思考题和习题

第二章 热力学函数及关系
§2．1 焓、自由能和吉布斯函数
§2．2 特性函数与麦克斯韦关系
§2．3 均匀物质热力学
2．3．1 表面系统的热力学
2．3．2 磁和电介质热力学
2．3．3 低温获得的方式
§2．4 热辐射的热力学
§2．5 热力学稳定性
本章小结
附录
思考题和习题

第三章 相平衡与相变
§3．1 开放系统与相律
§3．2 克拉珀龙方程
§3．3 气液两相的平衡与转变
§3．4 相变的分类
§3．5 临界现象
本章小结
附录
思考题和习题

第四章 统计热力学
§4．1 热力学概率
4．1．1 从投掷硬币谈起
4．1．2 热力学概率与熵的关系
§4．2第二定律的一种微观理解
§4．3 准热力学方法
§4．4 微观状态的经典和量子描写
4．4．1 微观状态的经典描写
4．4．2 微观状态的量子描写
§4．5 信息论基础
本章小结
附录
习题

第五章 玻耳兹曼统计
§5．1 玻耳兹曼统计分布律
§5．2 配分函数技术
§5．3 能量均分定理
5．3．1 能量均分定理的推导
5．3．2 气体热容的经典理论
§5．4 玻耳兹曼分布的实际适用性
§5．5 玻耳兹曼统计的应用
5．5．1 量子谐振了
5．5．2 具有内部自由度的气体
5．5．3 两能级系统：理想顺磁质
本章小结
附录
思考题和习题

第六章 系综理论
§6．1 经典统计系综和厂空间
§6．2 微正则系综
§6．3 正则系综
6．3．1 正则系综的定义与分布函数
6．3．2 正则分布的特点
§6．4 巨正则系综
§6．5 三种系综分布的关系
*§6．6 全同粒子
6．6．1 吉布斯修正因子的基础
6．6．2 吉布斯佯谬：混合熵
本章小结
附录
思考题和习题

第七章 量子统计
第八章 非平衡统计力学初步
第九章 计算统计物理
课程总结
模拟试题
习题答案
教学安排建议
参考文献
常用物理常量

前言/序言

　　热力学与统计物理学的研究对象都是由大量粒子组成的宏观系统，目的是研究这些系统与热现象有关的宏观性质。然而两者的研究方法截然不同，热力学是从若干经验定律出发，通过数学上的逻辑演绎方法，最终给出系统的宏观热性质；而统计物理则是从单个粒子的力学规律出发，加上统计假设，来获得系统的宏观性质。由此看来，统计物理是微观与宏观的桥梁，它提供了研究物质宏观性质的一个有力的理论工具。
　　平衡态热力学与统计物理学既是一门高度成熟的学科，又是一个蓬勃发展的领域。由于它的成熟，使得国内外教材中许多基本内容的选取与处理都已大致定型，但由于它的广泛性和可发展性，也为编写有特色的教材提供了动力和机遇。
　　一、按照有利于教与学的原则，编排内容体系
　　热力学与统计物理是大学本科最后一门专业基础课程，内容繁杂、综合性强、物理思想深刻。一本教材要从学生容易理解、教师方便教学的角度出发，将基本概念和定理具体化、数值化、图像化，使解决问题的办法有章可循，把对知识的溯本求源与扩展引申相结合。笔者从事热力学与统计物理教学十余年，近年来为物理专业国家公费师范生讲授“热力学与统计物理学”课程，从大量国内外著作和论文比较表明：国内教材体系规范，国外教材形式活泼，在两者之间寻找一种平衡，将有利于学生掌握课程，也增加了可读性。
　　热力学是建立在由实验总结出来的四条定律基础之上的，本教程重视确定理想气体性质的两个实验、低温物理实验演变而来的第三定律、范德瓦耳斯气体方程曲线与气液共存实验等温曲线的比较。在统计物理部分，设立“统计热力学”一章，将微观状态数、信息与熵联系起来，以突出平衡态统计物理的假设是等概率法则，统计物理在系综理论形成之后，其在方法论上显示出明显的优越性，无不渗透在当今各种随机现象的研究之中。因此，在第六章“系综理论”中，我们着力比较了三种系综的关系、吉布斯修正因子的普遍基础、从混合熵看吉布斯佯谬，本书精简了一些内容，留出空间以便将诸如“微观力学可逆性而宏观热力学不可逆性”等基本问题讲述得更充分。
　　二、注重知识链节点的背景，加强结果的分析与讨论
　　学习理论物理，既要领会基本概念引入的前提和用意，也要强调数学逻辑的严密性，两者相辅相成。例如，熵引入的数学要求、自由能和焓的通俗含义，由熵增看自由能和焓减小的平衡判据。大多数教材皆把诸如从全微分条件导出态函数的偏导数、拉格朗日乘子法求极值、斯特林近似等数学以附录形式放在最后，初学者可能会忽视它们；而求和变积分、极限温度展开的近似性如何，我们将它们放人相应的章节，并且给出实例，甚至用精确的数值绘出图表来体会这些数学的作用，
　　在知识链条中间应设有节点。本书以脚注的形式介绍相应的重要历史人物和事件，以期增长学生的科学史观；刻意安排了一些小练习，使学生停顿一下来加以巩固；每一章皆有一些表格对内容进行梳理，这将有利于学生的复习。
　　结果分析历来是容易被本科生忽视的环节，学生以为一道习题给出解答就完事大吉了。本书在许多问题后给出了讨论，学生要有意识地评判结果的正确性，例如量纲分析，“渐进理想”，以及现有结论的引申，因为任何前沿课题均建立在最基本的物理思想之上。
　　三、体现热物理学与其他学科的交叉，以重要的实例来理解模型
　　统计物理在处理许多重要科学问题上取得了很大的成功，这为扩展学生的视野打开了一扇窗口，相变是一个新兴的统计物理热点领域，归纳和比较各种相变的类型和特点是很有必要的；怎么提两能级系统的重要性都不为过；另外，还有相对论性粒子在高能重离子核物理中的应用、玻色一爱因斯坦凝聚、费曼棘轮与分子马达等。
　　四、夯实概率和统计平均思想，学以致用
　　大多数教材在结尾部分均有“涨落理论”和“非平衡态统计物理简介”两章，涉及面过大，应设法将这些内容与前面的相联系，本书将涨落的准热力学方法移到第四章“统计热力学”，而将时间演化部分合并成“非平衡统计力学初步”一章，着重阐述微观动力学的可逆性和宏观热力学过程的不可逆性，最后增设了“计算统计物理”一章，其中分子动力学、蒙特卡罗方法和Mathematica非常适合本科生在课外开展探究性研习：考虑真实的分子势、对系综分布进行抽样、模拟非平衡动力学过程等。这也为他们将来的本科学位论文或毕业设计提供了一种可供选择的数值方法，北京师范大学物理系在统计物理领域有着科研促进教学的良好传统，作者得到了杨展如教授、胡岗教授、赵峥教授、管靖教授等的关心及系行政领导的支持；作者与朱建阳教授合作共同承担北京师范大学“热力学与统计物理学”精品课程的建设，在此谨表谢院，作者近年来担任《大学物理》杂志副主编，经常聆听赵凯华先生、喀兴林先生等对教学改革的真知灼见，受益匪浅。还要感谢高等教育出版社的高建博士、忻蓓和张海雁编辑对本书出版的帮助，本书是作者依据高等学校物理学类本科生“热力学与统计物理学”课程教学大纲的基本要求编写而成的。由于本人水平所限，书中不当之处，欢迎读者批评指正。
　　包景东
　　2011年5月于北京师范大学
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